RU2485641C1

RU2485641C1 - Power divider

Info

Publication number: RU2485641C1
Application number: RU2011146811A
Authority: RU
Inventors: Валерий Иванович Говорухин; Михаил Григорьевич Рубанович; Рашид Темирханович Сулайманов
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-06-20

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: device consists of input arm connected through quarter-wave sections of transmission line to output arms with ballast resistors connected in-between; the latter ones are made as star-connected sections of lossy transmission line and to the common point of these sections short-circuited and earthed at the end stub is connected with length ℓ_s1, which is lesser than a quarter of the wavelength at the centre frequency of the operation range; at that short-circuited and earthed at the end stub is connected to each output arm and length of the stub is ℓ_s2 which is also lesser than a quarter of the wavelength at the centre frequency of the operation range.

EFFECT: improvement of coupling between output arms and matching at input and output of the power divider.

1 dwg

Description

Изобретение относится к технике СВЧ и может найти широкое применение в системах активных фазированных антенных решеток, радиопередающих устройствах и системах, использующих мощность СВЧ.The invention relates to microwave technology and can be widely used in systems of active phased antenna arrays, radio transmitting devices and systems using microwave power.

Известен многоканальный синфазный делитель мощности, содержащий разветвитель, к выходам плеч которого подключены балластные развязывающие резисторы, включенные звездой (Wilkinson E.J. An N - hybrid power divider // IRE Trans. on microwave theory and techniques. 1960. V. MTT-8, N1. p.116-118). За прошедшие более чем 50 лет это устройство многократно усовершенствовалось и составило основу большого числа авторских свидетельств и патентов. Делитель с сосредоточенными балластными резисторами может быть принят в качестве базового, поскольку его технические характеристики близки к идеальным (см. К.Я.Аубакиров, В.И.Говорухин, Л.Г.Плавский, М.Г.Рубанович. Двухканальный синфазный сумматор-делитель мощности с компенсацией паразитных параметров балластного резистора. Радиотехника №6, 2011, с.59-63). Будучи линейным и взаимным, делитель Уилкинсона может равноправно использоваться и в качестве сумматора мощности.Known multi-channel common-mode power divider containing a splitter, to the outputs of the shoulders of which are connected ballast decoupling resistors connected by a star (Wilkinson EJ An N - hybrid power divider // IRE Trans. On microwave theory and techniques. 1960. V. MTT-8, N1. p. 116-118). Over the past more than 50 years, this device has been repeatedly improved and formed the basis of a large number of copyright certificates and patents. A divider with lumped ballast resistors can be taken as the base, because its technical characteristics are close to ideal (see K.Ya. Aubakirov, V.I. Govorukhin, L.G. Plavsky, M.G. Rubanovich. The two-channel common-mode adder power divider with compensation of parasitic parameters of a ballast resistor. Radio engineering No. 6, 2011, p. 59-63). Being linear and reciprocal, the Wilkinson divider can equally be used as a power adder.

Известен делитель мощности (см. Устройство сложения мощности, авт. свид. СССР №1170534, H01P 5/12, БИ №28. 30.07.85), содержащий входные плечи, каждое из которых подключено к балластному резистору и к четвертьволновому отрезку линии передачи, при этом балластные резисторы соединены в звезду, а концы четвертьволновых отрезков линии передачи подключены к выходному плечу, отличающийся тем, что к общей точке балластных резисторов подключен короткозамкнутый четвертьволновый шлейф. Подавление четных гармоник суммируемых генераторов успешно выполняется на центральной частоте диапазона, для которой входное сопротивление четвертьволнового шлейфа бесконечно велико, и, следовательно, этот шлейф не влияет на работу устройства. При этом четные гармоники суммируемых генераторов закорачиваются на землю, поскольку для них длина шлейфа не четверть, а полуволновая, либо кратная ей, а входное сопротивление такого шлейфа равно нулю.A known power divider (see. Power addition device, ed. Certificate of the USSR No. 1170534, H01P 5/12, BI No. 28. 07.30.85), comprising input arms, each of which is connected to a ballast resistor and to a quarter-wave length of a transmission line, while the ballast resistors are connected to a star, and the ends of the quarter-wave segments of the transmission line are connected to the output arm, characterized in that a short-circuited quarter-wave loop is connected to the common point of the ballast resistors. Suppression of the even harmonics of the summed generators is successfully performed at the center frequency of the range for which the input impedance of the quarter-wave loop is infinitely large, and therefore this loop does not affect the operation of the device. In this case, the even harmonics of the summed generators are shorted to ground, since for them the length of the loop is not a quarter, but a half-wave, or a multiple of it, and the input impedance of such a loop is zero.

При работе на большом уровне мощности площади балластных резисторов в пленочном исполнении, как и их паразитные параметры, увеличиваются, что приводит к резкому ухудшению основных технических характеристик устройства - согласования по входам, развязки между ними, снижению коэффициента прямой передачи, росту потерь в балластных резисторах, смещению по частоте минимумов к_cтU и максимума развязки и др.When operating at a high power level, the areas of film-coated ballast resistors, as well as their parasitic parameters, increase, which leads to a sharp deterioration of the main technical characteristics of the device - matching of inputs, decoupling between them, decreasing direct transmission coefficient, increasing losses in ballast resistors, frequency shift of the minima to _cTU and the isolation maximum, etc.

Известен многоканальный делитель мощности (см. авт. свид. СССР №849342, H01P 5/12, БИ №27. 25.07.81), содержащий разветвитель, к выходам плеч которого подключены развязывающие резисторы, включенные звездой, отличающийся тем, что к входу и к каждому из выходов плеч разветвителя подключены короткозамкнутые шлейфы, а в каждое плечо разветвителя включен конденсатор, причем емкость конденсатора и длина каждого из короткозамкнутых шлейфов определяются соответственно из соотношенийKnown multi-channel power divider (see ed. Certificate of the USSR No. 849342, H01P 5/12, BI No. 27. 07.25.81), containing a splitter, to the outputs of the shoulders of which are decoupling resistors connected by a star, characterized in that the input and short-circuited loops are connected to each of the outputs of the arm of the splitter, and a capacitor is connected to each arm of the splitter, and the capacitance of the capacitor and the length of each of the short-circuited loops are determined respectively from the relations

;

,

;

,

где N - число плеч;where N is the number of shoulders;

f₀ - центральная частота рабочего диапазона;f ₀ is the center frequency of the operating range;

R₀ - выходное сопротивление каждого плеча делителя;R ₀ is the output impedance of each arm of the divider;

λ₀ - длина волны в делителе мощности;λ ₀ is the wavelength in the power divider;

ρ - волновое сопротивление короткозамкнутого шлейфа.ρ - wave impedance of a short-circuited loop.

Уменьшение потерь и сокращение габаритов устройства достигается эквивалентной заменой четвертьволновых трансформирующих отрезков линии передачи разветвителя П-образными полураспределенными звеньями, составленными из двух короткозамкнутых шлейфов в параллельных ветвях и сосредоточенной емкости в последовательной ветви каждого П-звена. Однако выбор элементов П-звеньев по приведенным соотношениям не позволяет скомпенсировать ухудшение технических характеристик устройства большой мощности с увеличенной площадью балластных резисторов в пленочном исполнении. Как и в предыдущем случае, достижение высоких значений указанных характеристик не может быть реализовано в данном устройстве.Reducing losses and reducing the dimensions of the device is achieved by equivalent replacing the quarter-wave transforming segments of the splitter transmission line with U-shaped semi-distributed links composed of two short-circuited loops in parallel branches and a concentrated capacitance in the serial branch of each P-link. However, the choice of the elements of the P-links according to the above ratios does not allow to compensate for the deterioration of the technical characteristics of the high power device with an increased area of ballast resistors in the film version. As in the previous case, achieving high values of these characteristics cannot be implemented in this device.

Кроме того, известен делитель мощности (см. авт. свид. СССР №1798840, H01P 5/12, БИ №8. 28.02.93), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий входное плечо, подключенное через четвертьволновые отрезки линии передачи к выходным плечам, при этом между выходными плечами включены балластные резисторы, соединенные в звезду и к общей точке которых подключен шлейф, короткозамкнутый и заземленный на конце, при этом балластные резисторы выполнены в виде отрезков линии передачи с потерями, длина шлейфа выбрана меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, а его входное сопротивление выбрано из соотношений:In addition, a power divider is known (see ed. Certificate of the USSR No. 1798840, H01P 5/12, BI No. 8. 02/28/93), which is the prototype of the invention and contains an input arm connected via quarter-wave segments of the transmission line to the output arms, at the same time, ballast resistors are connected between the output arms, connected to a star and connected to a common point with a loop, short-circuited and grounded at the end, while the ballast resistors are made in the form of segments of a transmission line with losses, the loop length is selected less than a quarter of the wavelength of cent the actual frequency of the working range, and its input impedance is selected from the relations:

;

,

где Z_c, L - волновое сопротивление и длина отрезка линии передачи с потерями;where Z _c , L is the impedance and the length of the length of the transmission line with losses;

γ - постоянная распространения в линии с потерями;γ is the propagation constant in the lossy line;

Z_m, ℓ_ш - волновое сопротивление и длина шлейфа.Z _m , ℓ _w - wave impedance and length of the loop.

В прототипе увеличение рабочей мощности устройства достигается подключением к общей точке соединенных в звезду балластных резисторов короткозамкнутого и заземленного на конце шлейфа с длиной меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Этот шлейф компенсирует паразитные параметры балластных резисторов и улучшает основные технические характеристики делителя мощности: согласование по входу и выходам, развязку между ними, увеличивает коэффициент прямой передачи и, как следствие, рабочую мощность на выходах. Однако, несмотря на существенное улучшение указанных технических характеристик, их значения недостаточно высоки, что, в первую очередь, касается развязки между выходами делителя, то есть обеспечения их независимой работы при различных условиях нагрузки и эксплуатации, и параметров согласования по входу и выходам устройства.In the prototype, an increase in the operating power of the device is achieved by connecting short-circuited and grounded at the end of a loop with a length of less than a quarter of the wavelength of the central frequency of the operating range connected to the common point of the ballast resistors connected to the star. This loop compensates for the parasitic parameters of ballast resistors and improves the main technical characteristics of the power divider: matching the inputs and outputs, isolation between them, increases the direct transmission coefficient and, as a result, the operating power at the outputs. However, despite a significant improvement in these technical characteristics, their values are not high enough, which, first of all, concerns the isolation between the outputs of the divider, that is, ensuring their independent operation under various loading and operating conditions, and the matching parameters for the input and output of the device.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение развязки между выходными плечами и согласования по входу и выходам делителя мощности.The objective of the invention is to improve the decoupling between the output arms and the coordination of the input and outputs of the power divider.

Поставленная задача достигается тем, что в делитель мощности, содержащий входное плечо, подключенное через четвертьволновые отрезки линии передачи к выходным плечам, между которыми включены соединенные в звезду балластные резисторы, выполненные в виде отрезков линии передачи с потерями, и к общей точке которых подключен короткозамкнутый и заземленный на конце шлейф, длина которого ℓ_ш1 меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, к каждому выходному плечу подключен короткозамкнутый и заземленный на конце шлейф с длиной ℓ_ш2, также меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона.This object is achieved by the fact that in the power divider containing the input arm connected through quarter-wave segments of the transmission line to the output arms, between which are included ballast resistors connected in the star, made in the form of segments of the transmission line with losses, and to the common point of which is short-circuited and grounded at an end stub, which length ℓ _w1 less than a quarter wavelength of the center frequency of the operating range for each output port connected to a short-circuited and grounded at an end stub length ℓ _w2, also at a quarter wavelength of the central frequency of the working range.

На фиг.1 приведена схема электрическая принципиальная предлагаемого делителя мощности на n каналов, на фиг.2 - схема электрическая принципиальная предлагаемого делителя мощности на 2 канала, на фиг.3 - частотные зависимости параметров предлагаемого делителя мощности на 2 канала.Figure 1 shows the electrical circuit diagram of the proposed power divider into n channels, figure 2 is a circuit electrical diagram of the proposed power divider into 2 channels, figure 3 - frequency dependences of the parameters of the proposed power divider into 2 channels.

Делитель мощности (фиг.1) содержит входное плечо 1, подсоединенное через четвертьволновые отрезки линии передачи 2 к выходным плечам 3, к каждому из которых подключен корректирующий шлейф 4, короткозамкнутый и заземленный на конце с длиной, меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, и балластный резистор 5, выполненный в виде отрезка линии передачи с потерями, все балластные резисторы соединены в звезду, и к их общей точке подключен короткозамкнутый и заземленный на конце шлейф 6 с длиной, также меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Выходные плечи 3 делителя нагружены на сопротивления нагрузки 7.The power divider (figure 1) contains an input arm 1 connected through quarter-wave segments of the transmission line 2 to the output arms 3, each of which is connected to the correction loop 4, short-circuited and grounded at the end with a length less than a quarter of the wavelength of the central frequency of the operating range, and a ballast resistor 5, made in the form of a segment of a transmission line with losses, all ballast resistors are connected to a star, and a short-circuited and grounded at the end of the loop 6 is connected to their common point with a length also less than a quarter of the lengths s waves of the central frequency of the operating range. The output arms 3 of the divider are loaded on the load resistance 7.

Делитель мощности (фиг.1) работает следующим образом. При поступлении входного СВЧ сигнала на входное плечо 1 его мощность равномерно распределяется через одинаковые четвертьволновые отрезки линии передачи 2 по всем выходным плечам 3, так что при одинаковых и согласованных сопротивлениях нагрузки 7 эти мощности на всех выходных плечах 3 равны по величине и синфазны. Для случая минимальной площади балластных резисторов делитель мощности представляет собой симметричный многополюсник и на центральной частоте является полностью согласованным, а его выходы развязаны практически идеально. В устройствах большой мощности оказывается необходимым использовать балластные резисторы с большой площадью для рассеяния значительной мощности в случае рассогласования или выхода из строя одной из нагрузок. Технические характеристики таких делителей мощности значительно ухудшаются, а, следовательно, для обеспечения их работоспособности необходимо скорректировать влияние эффекта, связанного с использованием балластных резисторов с большой площадью. Это частично реализовано в устройстве-прототипе за счет подключения к общей точке включенных в звезду балластных резисторов короткозамкнутого и заземленного на конце шлейфа 6. В предлагаемом устройстве введены дополнительные шлейфы 4, подключенные к выходным плечам параллельно сопротивлениям нагрузки 7, а это обеспечивает не только существенное улучшение развязки между выходными плечами и согласование по входу и выходам делителя мощности, но и приближение их к базовому, то есть идеализированному варианту устройства.The power divider (figure 1) works as follows. When the input microwave signal arrives at the input arm 1, its power is evenly distributed through the same quarter-wave segments of the transmission line 2 over all output arms 3, so that with the same and coordinated load resistances 7, these powers on all output arms 3 are equal in phase and in phase. For the case of a minimum area of ballast resistors, the power divider is a symmetrical multipole and at the center frequency it is completely matched, and its outputs are almost perfectly decoupled. In high power devices, it is necessary to use ballast resistors with a large area to dissipate significant power in the event of a mismatch or failure of one of the loads. The technical characteristics of such power dividers are significantly degraded, and therefore, to ensure their operability, it is necessary to adjust the effect of the effect associated with the use of ballast resistors with a large area. This is partially implemented in the prototype device by connecting to the common point of the ballast resistors short-circuited and grounded at the end of the loop 6. In the proposed device, additional loops 4 are connected, connected to the output arms parallel to the load resistors 7, and this provides not only a significant improvement decoupling between the output arms and matching the inputs and outputs of the power divider, but also their approximation to the basic, that is, idealized version of the device.

Результаты моделирования двухканального делителя мощности для базового делителя и делителя мощности - прототипа приведены в указанной выше работе (К.Я.Аубакиров, В.И.Говорухин, Л.Г.Плавский, М.Г.Рубанович. Двухканальный синфазный сумматор-делитель мощности с компенсацией паразитных параметров балластного резистора. Радиотехника №6, 2011, с.59-63). Частотные зависимости характеристик предлагаемого делителя мощности в двухканальном исполнении (фиг.2) представлены на фиг.3. Сравнение их с соответствующими зависимостями для базового делителя и делителя мощности - прототипа показывает, что подключение к каждому выходному плечу делителя мощности (фиг.2) короткозамкнутого и заземленного на конце шлейфа длиной ℓ_ш2, меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, обеспечивает то, что:The simulation results of a two-channel power divider for the base divider and a power divider-prototype are given in the above work (K.Ya. Aubakirov, V.I. Govorukhin, L.G. Plavsky, M.G. Rubanovich. Two-channel common-mode adder-power divider with compensation of parasitic parameters of the ballast resistor. Radio engineering No. 6, 2011, p. 59-63). Frequency dependences of the characteristics of the proposed power divider in a two-channel design (figure 2) are presented in figure 3. A comparison of them with the corresponding dependencies for the base power divider and power divider — the prototype shows that connecting to each output arm of the power divider (Fig. 2) a short-circuit and grounded at the end of the loop with a length of ℓ _w2 less than a quarter of the wavelength of the center frequency of the operating range what:

- симметрия зависимостей для предлагаемого делителя мощности улучшилась по сравнению с делителем мощности - прототипом и практически близка к таковой для базового делителя;- the symmetry of the dependencies for the proposed power divider has improved compared to the power divider - the prototype and is almost close to that for the base divider;

- параметр S₁₂=-61.4 дБ, характеризующий развязку между выходами устройства, увеличился на 26.67 дБ по сравнению с делителем мощности - прототипом и всего лишь на 0.14 дБ уступает базовому делителю;- the parameter S ₁₂ = -61.4 dB, characterizing the isolation between the outputs of the device, increased by 26.67 dB compared with the power divider - the prototype and is only 0.14 dB inferior to the basic divider;

- коэффициенты стоячей волны напряжения: по входу K_стU0=1.05 на частоте 965 мГц, по выходу K_стU1,2=1.004 близки к соответствующим значениям для базового делителя;- coefficients of a standing voltage wave: at the input K _stU0 = 1.05 at a frequency of 965 MHz, at the output K _stU1,2 = 1.004 are close to the corresponding values for the base divider;

- коэффициент прямой передачи S₁₀=S₂₀=-3.194, то есть повысился на 4.2% по сравнению с делителем мощности - прототипом;- direct transmission coefficient S ₁₀ = S ₂₀ = -3.194, that is, increased by 4.2% compared with the power divider prototype;

Таким образом, подключение к каждому выходному плечу делителя мощности короткозамкнутого и заземленного на конце шлейфа длиной ℓ_ш2, меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, существенно улучшило развязку между выходными плечами и согласование по входу и его выходам.Thus, the connection to each output arm of a power divider short-circuited and grounded at the end of the loop with a length of ℓ _Ш2 , less than a quarter of the wavelength of the center frequency of the operating range, significantly improved the isolation between the output arms and the matching of the input and its outputs.

Claims

A power divider comprising an input arm connected through quarter-wave segments of the transmission line to output arms, between which are included ballast resistors made in the form of segments of the transmission line with losses and connected to a star, to the common point of which there is a short-circuited and grounded end cable ℓ _w1 smaller than a quarter wavelength of the center frequency of the operating range, characterized in that each output port connected to a short-circuited and grounded at the end of stub length ℓ _w2, and h at tverti wavelength of the center frequency of the operating range.