RU2072594C1

RU2072594C1 - High-frequency balancer

Info

Publication number: RU2072594C1
Application number: RU93012935A
Authority: RU
Inventors: С.Е. Лондон; А.А. Портяки; О.Э. Кильдишева
Original assignee: СП "ЭЛВА ИНТРОТЭКС Ко., Лтд."
Priority date: 1993-03-11
Filing date: 1993-03-11
Publication date: 1997-01-27

Abstract

FIELD: radio-engineering devices operating within the short and ultrashort wavebands. SUBSTANCE: balancer has three conductors, the beginning of the first of them forms an input that is asymmetric relative to the common bus. The beginning of the second conductor is connected to the common bus. The ends of these conductors form a balanced output. The first and second conductors are identical and arranged symmetrically relative to the axis of the third conductor. The third conductor shields the first and second conductors from the common bus, and its end is connected to the common bus. An inductive element is cut in between the beginnings of the first and third conductors. The third conductor may be formed by external conductors of two coaxial lines, whose internal conductors serve as the first and second conductors. The inductive element is formed by the coaxial line that is short-circuited at the end; the external conductor of this line serves as the first conductor, and the beginning of the internal conductor is connected to the beginning of the third conductor. EFFECT: improved design. 3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехническим устройствам, работающим в диапазонах коротких и ультракоротких волн, и обеспечивает переход от несимметричного относительно общей шины ("земли") входа, например, от коаксиального кабеля, к симметричной (балансной) нагрузке, например, к антенне. The invention relates to radio devices operating in the ranges of short and ultrashort waves, and provides a transition from an input asymmetrical with respect to a common bus (ground), for example, from a coaxial cable, to a symmetrical (balanced) load, for example, to an antenna.

Устройство по изобретению может также использоваться в усилителях мощности для перехода от однотактного каскада усиления к двухтактному, а также в других подобных случаях. The device according to the invention can also be used in power amplifiers to switch from a single-cycle amplification stage to a push-pull stage, as well as in other similar cases.

Описан широкий класс высокочастотных симметрирующих устройств, имеющих радиообразное конструктивное исполнение. Известно высокочастотное симметрирующее устройство [1] (фиг. 1а), принимаемое за прототип. Оно реализовано совокупностью следующих существенных признаков. A wide class of high-frequency balancing devices having a radio-like design is described. Known high-frequency balancing device [1] (Fig. 1A), taken as a prototype. It is implemented by a combination of the following essential features.

Устройство содержит три проводника 1, 2, 3, при этом проводники 1 и 2 являются, соответственно, внутренним и внешним в коаксиальной линии 4, а проводник 3, идентичный по выполнению проводнику 2, и служит балансирующим. Начало внутреннего проводника 1 образует относительно общей шины 5 несимметричный вход 6 устройства. Конец внутреннего проводника 1 соединен с концом проводника 3 и образует одно плечо 7 симметрично относительно общей шины 5 выхода. Начало проводника 3 соединено с началом внешнего проводника 2 и с общей шиной 5. Конец внешнего проводника 2 представляет собой второе плечо 8 симметричного выхода. The device contains three conductors 1, 2, 3, while the conductors 1 and 2 are, respectively, internal and external in the coaxial line 4, and the conductor 3, identical in design to the conductor 2, and serves as balancing. The beginning of the inner conductor 1 forms an asymmetrical input 6 of the device relative to the common bus 5. The end of the inner conductor 1 is connected to the end of the conductor 3 and forms one shoulder 7 symmetrically with respect to the common output bus 5. The beginning of the conductor 3 is connected with the beginning of the outer conductor 2 and with a common bus 5. The end of the outer conductor 2 is the second arm 8 of the symmetrical output.

Из фиг. 1а очевидно, что проводники 2 и 3 образуют симметричную конструкцию относительно плоскости симметрии 9. Схема известного симметрирующего устройства [1] может быть усложнена за счет выполнения (фиг. 1б) проводника 3 в виде внешнего проводника второй коаксиальной линии 10, внутренний проводник которой 11 со стороны симметричного выхода устройства соединен с концом внутреннего проводника 1 коаксиальной линии 4. From FIG. 1a, it is obvious that the conductors 2 and 3 form a symmetrical structure with respect to the plane of symmetry 9. The circuit of the known balancing device [1] can be complicated by the implementation (Fig. 1b) of the conductor 3 in the form of an external conductor of the second coaxial line 10, the inner conductor of which 11 side of the balanced output of the device is connected to the end of the inner conductor 1 of the coaxial line 4.

Во многих практических случаях для исключения влияния внешнего электромагнитного поля, создаваемого симметрирующим устройством, известная схема [1] изготавливается (фиг. 2а, б) с экранирующим корпусом 12, относительно которого проводники 2 и 3 располагаются симметрично, т. е. сохраняется плоскость симметрии 9. В этом случае просто рассчитывается шунтирующий эффект на симметричном выходе, в частности шунтирующая индуктивность, ограничивающая ширину рабочего диапазона частот симметрирующего устройства [2] Очевидно, что чем шире рабочий диапазон частот, тем больше должна быть шунтирующая индуктивность, т. е. большее расстояние между проводниками 2 и 3, а также больший габарит экранирующего корпуса 12. В целом с расширением рабочего диапазона частот увеличиваются габариты и стоимость устройства. In many practical cases, in order to exclude the influence of an external electromagnetic field created by a balancing device, the known circuit [1] is manufactured (Fig. 2a, b) with a shielding housing 12, with respect to which the conductors 2 and 3 are located symmetrically, that is, the plane of symmetry 9 In this case, the shunt effect on the symmetric output is just calculated, in particular, the shunt inductance, limiting the width of the working frequency range of the balancing device [2] It is obvious that the wider the working range he frequency, the greater the inductance of the shunt, t. e. greater distance between the conductors 2 and 3 as well as the larger dimension of the shield frame 12. In general, extension of the operating band increases the size and cost of the device.

Если высокочастотное симметрирующее устройство должно выполнять еще и функцию типовой повышающей трансформации сопротивлений, например, при переходе от стандартного кабеля с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом к симметричному антенному фидеру с волновым сопротивлением 150-300 Ом, то указанный недостаток проявляется еще в большей степени. Это следует из общего принципа построения известного симметрирующего устройства [1] так как симметрирование напряжения в нем происходит на выходе, т. е. на стороне большего уровня сопротивления. Следовательно, требуется большее значение шунтирующей индуктивности, а в противном случае сокращается ширина рабочего диапазона частот. If a high-frequency balancing device must also perform the function of a typical up-transform of resistances, for example, when switching from a standard cable with a wave impedance of 50 or 75 Ohms to a balanced antenna feeder with a wave impedance of 150-300 Ohms, then this drawback is manifested even more. This follows from the general principle of constructing a well-known balancing device [1] since voltage balancing in it occurs at the output, that is, on the side of a higher resistance level. Therefore, a larger value of the shunt inductance is required, otherwise the width of the working frequency range is reduced.

Задача изобретения создание высокочастотного симметрирующего устройства, габариты которого в меньшей степени зависят от задаваемой ширины рабочей полосы частот и от повышающей трансформации сопротивления. При задаваемых ширине рабочей полосы частот и коэффициенте повышающей трансформации сопротивлений габариты устройства по изобретению будут существенно меньшими, чем у известного с теми же частотными характеристиками. Соответственно, при одинаковых габаритах ширина рабочего диапазона частот для устройства по изобретению будет большей. The objective of the invention is the creation of a high-frequency balancing device, the dimensions of which are less dependent on the specified width of the working frequency band and on the increasing transformation of the resistance. Given the width of the working frequency band and the coefficient of increasing transformation of the resistances, the dimensions of the device according to the invention will be significantly smaller than that of a known one with the same frequency characteristics. Accordingly, with the same dimensions, the width of the working frequency range for the device according to the invention will be greater.

Задача решается высокочастотным симметрирующим устройством (фиг. 3), характеризуемым следующей совокупностью существенных признаков. Устройство содержит три проводника 1, 2, 3, начало первого из которых образует несимметричный относительно общей шины 4 вход устройства (зажим 6). Начало второго проводника соединено с общей шиной 4. Концы проводников 1 и 2 образуют симметричный выход устройства (зажимы 7 и 8). The problem is solved by a high-frequency balancing device (Fig. 3), characterized by the following set of essential features. The device contains three conductors 1, 2, 3, the beginning of the first of which forms the input of the device, asymmetrical with respect to the common bus 4 (terminal 6). The beginning of the second conductor is connected to a common bus 4. The ends of the conductors 1 and 2 form a symmetrical output of the device (terminals 7 and 8).

Отличительными признаками изобретения является: а) проводники 1 и 2 идентичны по выполнению и расположены симметрично относительно оси проводника 3, который экранирует проводники 1 и 2 от общей шины 5; б) конец проводника 3 соединен с общей шиной 5; в) между началами первого и третьего проводников включен введенный индуктивный элемент 13. Distinctive features of the invention are: a) the conductors 1 and 2 are identical in design and are located symmetrically with respect to the axis of the conductor 3, which shields the conductors 1 and 2 from the common bus 5; b) the end of the conductor 3 is connected to a common bus 5; c) between the beginnings of the first and third conductors, the introduced inductive element 13 is included.

Анализ известного уровня науки и техники показал отсутствие информации о высокочастотном симметрирующем устройстве, характеризуемом совокупностью перечисленных существенных признаков. An analysis of the known level of science and technology showed a lack of information about a high-frequency balancing device, characterized by a combination of the listed essential features.

Нет информации, раскрывающей отдельные существенные признаки заявленного устройства. Проведенный анализ показал, что заявленное решение характеризуется требованиям "новизна" и "изобретательский уровень", поскольку достигнут результат, удовлетворяющий давно существующую потребность, получить который до сих пор не удавалось. There is no information disclosing certain essential features of the claimed device. The analysis showed that the claimed solution is characterized by the requirements of "novelty" and "inventive step", since a result has been achieved that satisfies a long-standing need, which has not yet been obtained.

Устройство (фиг. 3) работает следующим образом. Входной сигнал на несимметричном, относительно общей шины 5 входе 6 делится между двумя идентичными линиями. Первая из этих линий образована проводниками 1 и 3, а вторая проводниками 2 и 3. Эти линии соединены между собой последовательно. При этом (фиг. 3) на входе упомянутых линий, т.е. в месте распределения колебаний между ними, вход линии, образованной проводниками 2 и 3, шунтирован индуктивным элементом. Этот элемент образован контуром протекания тока по наружной стороне проводника 3 от его начала, т.е. со стороны несимметричного входа 6, к его концу, где он соединен с общей шиной 5. Чтобы напряжение на несимметричном входе 6 делилось поровну между двумя идентичными линиями, образованными проводниками 1-3 и 2-3, необходимо ко входу линии из проводников 1 и 3 подключить такой же по номиналу индуктивный элемент (13), что и уже имеющийся на входе линии, образованной проводниками 2 и 3. The device (Fig. 3) works as follows. The input signal on the single-ended, relative to the common bus 5 input 6 is divided between two identical lines. The first of these lines is formed by conductors 1 and 3, and the second by conductors 2 and 3. These lines are connected in series. In this case (Fig. 3) at the input of the mentioned lines, i.e. in the place of distribution of the oscillations between them, the input of the line formed by the conductors 2 and 3 is shunted by an inductive element. This element is formed by the current flow along the outer side of the conductor 3 from its beginning, i.e. from the side of the unbalanced input 6, to its end, where it is connected to a common bus 5. In order for the voltage at the unbalanced input 6 to be divided equally between two identical lines formed by conductors 1-3 and 2-3, it is necessary to enter the line from conductors 1 and 3 connect the same inductance element (13) with the same value as the one already existing at the input of the line formed by conductors 2 and 3.

При этом только в случае, когда проводники 1 и 2 идентичные и симметричные относительно проводника 3, экранирующего их от общей шины 5, напряжения относительно нее на выходных плечах 7 и 8 будут равноамплитудными и противофазными. Moreover, only in the case when the conductors 1 and 2 are identical and symmetrical with respect to the conductor 3 shielding them from the common bus 5, the voltages relative to it at the output arms 7 and 8 will be equally amplitude and antiphase.

Предлагаемое устройство может быть реализовано в различных модификациях. На фиг. 4 представлен вариант выполнения устройства, в котором проводник 3 образован соединенными по всей длине внешними проводниками коаксиальных линий, внутренние проводники которых являются первыми и вторыми проводниками устройства. The proposed device can be implemented in various versions. In FIG. 4 shows an embodiment of the device, in which the conductor 3 is formed by the external conductors of coaxial lines connected along the entire length, the internal conductors of which are the first and second conductors of the device.

На фиг. 5 представлен вариант выполнения устройства 6 в котором балансирующий индуктивный элемент 13 образован короткозамкнутой на конце коаксиальной линией, наружный проводник которой является первым проводником устройства, а начало внутреннего проводника подключено к началу третьего проводника. In FIG. 5 shows an embodiment of a device 6 in which a balancing inductive element 13 is formed by a short-circuited at the end coaxial line, the outer conductor of which is the first conductor of the device, and the beginning of the inner conductor is connected to the beginning of the third conductor.

Помимо рассмотренных вариантов выполнения устройств по предлагаемому изобретению могут быть и другие, в частности включающие разомкнутую на конце корректирующую линию 10 (фиг. 1б). При всех реализациях остается сущность изобретения, дающая желаемый эффект. Этот эффект обусловлен в частности тем, что введенный индуктивный элемент 13 в различных вариантах устройства по изобретению находится со стороны несимметричного входа, а для прототипа на симметричном выходе. Поэтому с увеличением трансформации для устройств по изобретению требуемая шунтирующая индуктивность не увеличивается, а для устройства прототипа она растет, соответственно увеличиваются габариты и стоимость. Кроме того, вне зависимости от трансформации сопротивлений, в устройствах по предлагаемому изобретению балансирующий элемент очень мало влияет на шунтирующую индуктивность, поскольку он непосредственно не связан с условием симметрии устройства. In addition to the considered embodiments of the devices according to the invention, there may be others, in particular including a correction line 10 open at the end (Fig. 1b). With all implementations, the essence of the invention remains, giving the desired effect. This effect is due in particular to the fact that the introduced inductive element 13 in various embodiments of the device according to the invention is located on the side of the asymmetric input, and for the prototype on the symmetric output. Therefore, with an increase in transformation for the devices according to the invention, the required shunt inductance does not increase, but for the prototype device it grows, respectively, the dimensions and cost increase. In addition, regardless of the transformation of resistances, in the devices of the invention, the balancing element has very little effect on the shunt inductance, since it is not directly related to the symmetry condition of the device.

В устройстве прототипе балансирующий элемент привязан к условию симметрии устройства, что ограничивает получение относительно больших значений шунтирующей индуктивности. In the prototype device, the balancing element is tied to the symmetry condition of the device, which limits the obtaining of relatively large values of the shunt inductance.

Для оценки эффективности устройств по предлагаемому изобретению рассмотрим конкретный пример реализации (фиг.)5. To assess the effectiveness of the devices according to the invention, we consider a specific implementation example (Fig.) 5.

Пример. В устройстве (фиг. 5) в качестве проводников 1 и 2 были приняты медные трубы с наружным диаметром 20 мм каждая и длиной 600 мм. В качестве проводника 3 была также использована медная труба длиной равной 600 мм, с внутренним диаметром 72 мм и толщиной стенки 1,5 мм. При этом трубчатые проводники 1 и 2 располагались симметрично относительно проводника 3 в его полости, а расстояние между центрами проводников 1 и 2 составляло 40 мм. Указанные поперечные размеры проводников 1, 2 и 3 и их взаимное расположение дают стандартное волновое сопротивление, равное 75 Ом для рабочего режима распространения колебаний в симметричной двухпроводной экранированной линии. Рабочий режим характеризуется разнополярными равноамплитудными колебаниями на проводниках 1 и 2 по отношению к проводнику 3. В свою очередь трубчатый проводник 3 помещен в экранирующий корпус 12 квадратного сечения со стороной, равной 360 мм. Это дает волновое сопротивление 100 Ом. Этим и определяется ширина рабочего диапазона частот устройства относительно средней частоты f_o=125 МГц (при длине 600 мм).Example. In the device (Fig. 5), copper pipes with an outer diameter of 20 mm each and a length of 600 mm were adopted as conductors 1 and 2. As the conductor 3 was also used a copper pipe with a length of 600 mm, with an inner diameter of 72 mm and a wall thickness of 1.5 mm. In this case, the tubular conductors 1 and 2 were located symmetrically relative to the conductor 3 in its cavity, and the distance between the centers of the conductors 1 and 2 was 40 mm. The indicated transverse dimensions of conductors 1, 2, and 3 and their mutual arrangement give a standard wave resistance of 75 Ohms for the operating mode of propagation of oscillations in a symmetrical two-wire shielded line. The operating mode is characterized by bipolar equal-amplitude oscillations on the conductors 1 and 2 with respect to the conductor 3. In turn, the tubular conductor 3 is placed in a shielding housing 12 of square cross section with a side equal to 360 mm. This gives a wave impedance of 100 ohms. This determines the width of the operating frequency range of the device relative to the average frequency f _o = 125 MHz (with a length of 600 mm).

Если теперь сохранить номинальное волновое сопротивление (75 Ом) и габариты экрана, а также определить соответствующее значение диаметра каждого из проводников 2 и 3 прототипа (фиг. 2а), то получим другое, меньшее значение шунтирующей индуктивности, точнее, другое волновое сопротивление линии, шунтирующее выход устройства. Определим его значение. If now we preserve the nominal wave impedance (75 Ohms) and the dimensions of the screen, and also determine the corresponding diameter value of each of the conductors 2 and 3 of the prototype (Fig. 2a), then we obtain another, lower value of the shunt inductance, more precisely, another wave impedance of the line, shunt device output. Define its value.

Проводникам 1 и 2 предлагаемого устройства, в данном случае, будет соответствовать коаксиальная линия 4 устройства-прототипа, имеющая диаметр наружного проводника 55-60 мм. В этом случае, при том же квадратном сечении экранирующего проводника 12 получим волновое сопротивление шунтирующей линии (на одно плечо) 75 Ом. Это означает, что в предлагаемом устройстве достигается эффект расширения полосы на 25-30% С другой стороны, при той же ширине полосы что и для устройства-прототипа, можно уменьшить экранирующий проводник. Размер стороны его "квадратного сечения" составит 240 мм вместо 360 мм. Это приводит к снижению габаритов и стоимости устройства. Conductors 1 and 2 of the proposed device, in this case, will correspond to a coaxial line 4 of the prototype device having an outer conductor diameter of 55-60 mm. In this case, with the same square section of the shielding conductor 12, we obtain a wave resistance of the shunt line (one arm) of 75 Ohms. This means that in the proposed device, the effect of expanding the strip by 25-30% is achieved. On the other hand, with the same strip width as for the prototype device, the shielding conductor can be reduced. The size of the side of its "square section" will be 240 mm instead of 360 mm. This leads to a decrease in the size and cost of the device.

Таким образом, даже при единичной трансформации, эффект оказывается весьма существенным, а по мере увеличения коэффициента трансформации он будет возрастать. Thus, even with a single transformation, the effect is very significant, and as the transformation coefficient increases, it will increase.

Claims

1. A high-frequency balancing device containing three conductors, the beginning of the first of which forms an input asymmetric with respect to the common bus, the beginning of the second conductor is connected to the common bus, and their ends form a symmetrical output, characterized in that the first and second conductors are identical in design and are located symmetrically relative to the axis of the third conductor, which shields them from the common bus and the end of which is connected to the common bus, while the introduced inductance is connected between the beginnings of the first and third conductors th element.

2. The device according to claim 1, characterized in that the third conductor is formed by external conductors of two coaxial lines connected along the entire length, the internal conductors of which are the first and second conductors.

3. The device according to claim 1, characterized in that the inductive element is formed by a shorted coaxial line at the end, the outer conductor of which is the first conductor, and the beginning of the inner conductor is connected to the beginning of the third conductor.