RU2692111C1

RU2692111C1 - Power divider

Info

Publication number: RU2692111C1
Application number: RU2018121239A
Authority: RU
Inventors: Валерий Иванович Говорухин; Николай Эдуардович Унру
Priority date: 2018-06-07
Filing date: 2018-06-07
Publication date: 2019-06-21

Abstract

FIELD: antenna equipment.SUBSTANCE: invention relates to microwave engineering and can be widely used in active phased antenna array systems, radio transmitting devices and systems using microwave power. Disclosed is a power divider comprising an input arm connected through quarter-wave transmission line segments to output arms, between which there are ballast resistors, made in the form of transmission line segments with losses and connected to a star, to common point of which connected short-circuited loop with length less than quarter wavelength of central frequency of operating range, characterized in that said sections of transmission line with losses are made non-uniform in form of circle, wherein width of coupling section of each ballast resistor to corresponding output arm of power divider is equal to width of connecting section of transmission line with wave resistance equal to output resistance of power divider, width of coupling section of each ballast resistor with short-circuited loop is equal to width of this loop, the above sections of conjugation of ballast resistors with corresponding output arms and with short-circuited loop are located symmetrically on both ends of diameter of each ballast resistor in form of a circle.EFFECT: increased isolation between output arms of power divider and expansion of device pass band by this parameter.1 cl, 6 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 делитель мощности, содержащий разветвитель из четвертьволновых отрезков линий передачи, к выходам 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, N 1. p. 116-118). За прошедшие более чем 50 лет это устройство многократно усовершенствовалось и составило основу большого числа авторских свидетельств и патентов. Будучи линейным и взаимным делитель Уилкинсона может равноправно использоваться и в качестве сумматора мощности.Known power divider containing splitter of a quarter-wave segments of transmission lines, the outputs of which are connected ballast decoupling resistors included star (Wilkinson EJ An N-hybrid power divider // IRE Trans. On microwave theory and techniques. 1960, v. MTT-8, N 1. p. 116-118). Over the past more than 50 years, this device has repeatedly improved and formed the basis of a large number of copyright certificates and patents. Being a linear and mutual Wilkinson divider can equally be used as a power adder.

Известен делитель мощности (см. Устройство сложения мощности, авт. свид. СССР №1170534, Н01Р 5/12, БИ №28. 30.07.85), содержащий входные плечи, каждое из которых подключено к балластному резистору и четвертьволновому отрезку линии передачи, при этом балластные резисторы соединены в звезду, концы четвертьволновых отрезков линий передачи подключены к выходному плечу и 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.The power divider is known (see Power addition device, ed. Mon. USSR №1170534, Н01Р 5/12, BI №28. 07.07.85) containing input arms, each of which is connected to a ballast resistor and a quarter-wave segment of the transmission line, with This ballast resistors are connected in a star, the ends of the quarter-wave segments of the transmission lines are connected to the output arm and a short-circuited quarter-wave loop is connected to the common point of the ballast resistors. The suppression of even harmonics of summable oscillators 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 summable generators are shorted to ground, since for them the length of the loop is not a quarter, but half-wave, or a multiple of it, and the input resistance of such a loop is zero.

При работе на большом уровне мощности площади балластных резисторов в пленочном исполнении и, как следствие, их паразитные параметры, увеличиваются, что приводит к резкому ухудшению технических характеристик устройства - согласования по входам, развязки между ними, снижению коэффициента прямой передачи, росту потерь в балластных резисторах, смещению по частоте минимумов КСВН и максимума развязки и др.When working at a high power level, the areas of ballast resistors in film design and, as a result, their parasitic parameters increase, which leads to a sharp deterioration in the technical characteristics of the device - matching on inputs, isolation between them, a decrease in the forward transmission coefficient, an increase in losses in the ballast resistors , the shift in the frequency of the minima of the VSWR and the maximum of the junction, etc.

Известен также делитель мощности (см. авт. свид. СССР №849342, Н01Р 5/12, БИ №27. 25.07.81), содержащий разветвитель, к выходным плечам которого подключены развязывающие резисторы, включенные звездой; ко 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 соотношенийAlso known is the power divider (see ed. Mon. USSR №849342, Н01Р 5/12, BI №27. 07.25.81), containing a splitter, whose output arms are connected decoupling resistors connected by a star; short-circuited loops are connected to the input and to each of the outputs of the splitter arms, 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 ratios

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

f₀ - центральная частота рабочего диапазона;f ₀ - the central frequency of the working range;

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

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

ρ - волновое сопротивление короткозамкнутого шлейфа.ρ is the wave resistance of the 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.Reducing losses and reducing the size of the device is achieved by equivalent replacement of quarter-wave transformer segments of the transmission line of the splitter with U-shaped semi-distributed links made up of two short-circuited loops in parallel branches and a lumped capacitance in the serial branch of each P-link.

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 выше технических характеристик не может быть реализовано в данном устройстве.However, the choice of elements of P-units on the above ratios does not allow to compensate for the deterioration of the technical characteristics of a high-power device with an increased area of ballast resistors in film design. As in the previous case, the achievement of high values of the above technical characteristics can not be implemented in this device.

Кроме того, известен делитель мощности (см. авт. свид. СССР №1798840, Н01Р 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 короткозамкнутый шлейф, 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, the well-known power divider (see ed. Mon. USSR №1798840, NR 5/12, BI No. 8. 02.28.93), which is the prototype of the present invention and contains the input shoulder connected through a quarter-wave segments of the transmission line to the output shoulders, at the same time between the output arms there are ballast resistors connected in a star and a short-circuited cable is connected to the common point of which, the ballast resistors are designed as lossy transmission line segments, the length of the cable is less than a quarter of the center frequency wavelength th band, 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 characteristic impedance and length of the transmission line segment with losses;

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

Z_ш,

- волновое сопротивление и длина шлейфа.Z _w ,

- wave resistance and the length of the loop.

В прототипе увеличение рабочей мощности достигается подключением к общей точке соединенных в звезду балластных резисторов короткозамкнутого шлейфа с длиной меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Индуктивное входное сопротивление шлейфа компенсирует паразитную емкостную составляющую всех балластных резисторов и улучшает согласование по входу и выходам, повышает развязку между выходными плечами устройства и, как следствие, его выходную мощность (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).In the prototype, an increase in operating power is achieved by connecting a short-circuited loop with a length of less than a quarter of the wavelength of the central frequency of the operating range to the common point of the ballast resistors connected to a star. Inductive input impedance of the loop compensates for the parasitic capacitive component of all ballast resistors and improves matching on the input and output, increases the isolation between the output arms of the device and, as a result, its output power (see K.Ya. Aubakirov, V.I. Govorukhin, L. G. Plavsky, MG Rubanovich Two-channel common-mode adder-power divider with compensation of parasitic parameters of a ballast resistor (Radio Engineering, No. 6, 2011, pp. 59-63).

Однако, несмотря на существенное улучшение указанных технических характеристик, их значения недостаточно высоки, что, в первую очередь, касается развязки между выходными плечами делителя мощности, то есть обеспечения их независимой работы при различных условиях нагрузки и эксплуатации.However, despite the significant improvement in these technical characteristics, their values are not high enough, which, first of all, concerns the interchange between the output arms of the power divider, that is, ensuring their independent operation under various conditions of load and operation.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является повышение развязки между выходными плечами делителя мощности и расширение полосы пропускания по этому параметру.The task (technical result) of the present invention is to increase the isolation between the output shoulders of the power divider and the expansion of the bandwidth on this parameter.

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 шлейф, длина которого меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, указанные отрезки линии передачи с потерями выполнены неоднородными в форме круга, при этом ширина участка сопряжения каждого балластного резистора с соответствующим выходным плечом делителя мощности равна ширине соединительного отрезка линии передачи с волновым сопротивлением равным выходному сопротивлению делителя мощности, ширина участка сопряжения каждого балластного резистора с короткозамкнутым шлейфом равна ширине этого шлейфа, упомянутые участки сопряжения балластных резисторов с соответствующими выходными плечами и с короткозамкнутым шлейфом расположены симметрично с обоих концов диаметра каждого балластного резистора в форме круга.The task is achieved by the fact that the power divider containing the input arm connected through the quarter-wave segments of the transmission line to the output shoulders, between which are connected star-connected ballast resistors, made in the form of segments of the transmission line with losses, and a short-circuited loop is connected to the common point whose length is less than a quarter of the wavelength of the center frequency of the working range, the said segments of the transmission line with losses are made non-uniform in the shape of a circle, while the width of the section sop The lengths of each ballast resistor with a corresponding output shoulder of the power divider are equal to the width of the connecting section of the transmission line with a characteristic impedance equal to the output resistance of the power divider, the width of the junction section of each ballast resistor with a short-circuited cable is short-circuited stranded symmetrically at both ends of the diameter of each ballast resistor in the form the circle.

На фиг. 1 приведена схема электрическая принципиальная предлагаемого n-канального делителя мощности, на фиг. 2 - предлагаемый балластный развязывающий резистор в виде отрезка неоднородной линии передачи с потерями в форме круга, на фиг. 3 - балластный развязывающий резистор в виде отрезка однородной линии передачи с потерями в форме квадрата в делителе мощности-прототипе, на фиг. 4 - схема электрическая принципиальная предлагаемого трехканального делителя мощности, на фиг. 5 - частотные зависимости технических характеристик предлагаемого трехканального делителя мощности с балластными резисторами в форме круга, на фиг. 6 - частотные зависимости технических характеристик трехканального делителя мощности-прототипа с балластными резисторами в форме квадрата.FIG. 1 is a schematic electrical diagram of the proposed n-channel power divider; FIG. 2 - the proposed ballast decoupling resistor in the form of a segment of a non-uniform transmission line with losses in the form of a circle; FIG. 3 is a ballast decoupling resistor in the form of a segment of a uniform transmission line with losses in the form of a square in the prototype power divider; FIG. 4 is a schematic electrical diagram of the proposed three-channel power divider; in FIG. 5 - frequency dependencies of the technical characteristics of the proposed three-channel power divider with ballast resistors in the shape of a circle, in FIG. 6 - frequency dependencies of the technical characteristics of a three-channel prototype power divider with square-shaped ballast resistors.

Делитель мощности (фиг. 1) содержит входное плечо 1, подключенное через четвертьволновые отрезки линии передачи 2 к выходным плечам 3, к каждому из которых подключен балластный резистор 4, выполненный в виде неоднородного отрезка линии передачи с потерями в форме круга (фиг. 2), все балластные резисторы соединены в звезду и к их общей точке подключен короткозамкнутый шлейф 5 с длиной меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Выходные плечи 3 делителя мощности нагружены на сопротивления нагрузки 6.The power divider (Fig. 1) contains an input arm 1 connected via quarter-wave sections of transmission line 2 to output arms 3, to each of which a ballast resistor 4 is connected, made in the form of a non-uniform segment of a transmission line with losses in the shape of a circle (Fig. 2) , all the ballast resistors are connected in a star and a short-circuited loop 5 with a length shorter than a quarter of the wavelength of the center frequency of the operating range is connected to their common point. Output shoulders 3 power divider loaded on the load resistance 6.

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 6 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 шлейфа 5, длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона.The power divider (Fig. 1) works as follows. When the input microwave signal arrives at the input arm 1, its power is evenly distributed through identical quarter-wave segments of transmission line 2 over all output shoulders 3, so that with identical and consistent load impedance 6, these powers on all output shoulders 3 are equal in magnitude and in phase. For the case of the minimum area of ballast resistors, the power divider is a symmetric multi-terminal and is completely consistent at the center frequency, and its outputs are almost completely isolated. In high power devices, it appears necessary to use ballast resistors with a large area for dissipating significant power in the event of a mismatch or failure of one of the loads. The technical characteristics of such power dividers deteriorate significantly, and, therefore, to ensure their performance, it is necessary to correct 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 a common point, the ballast resistors included in the star, a short-circuited loop 5, less than a quarter of the wavelength of the center frequency of the operating range.

В известных схемах многоканальных делителей мощности, реализованных на керамических подложках из поликора толщиной 1 мм с диэлектрической проницаемостью ε=9.6, в качестве балластных резисторов используют отрезки однородной линии передачи с потерями квадратной формы (фиг. 3) с размерами 4*4 мм и площадью 16 мм² (см. вышеуказанную статью К.Я. Аубакиров, В.И. Говорухин, Л.Г. Плавский и др. Двухканальный синфазный сумматор-делитель мощности… - Радиотехника, №6, 2011, с. 59-63 и В.И. Говорухин, М.Г. Рубанович, Н.Э. Унру Многоканальные синфазные сумматоры-делители мощности Уилкинсона с компенсацией паразитных параметров балластных резисторов. - Вопросы радиоэлектроники, серия Общетехническая, 2015, вып. 3, с. 102-114).In the well-known schemes of multichannel power dividers, implemented on ceramic substrates of polycor 1 mm thick with a dielectric constant ε = 9.6, segments of a uniform transmission line with square losses (Fig. 3) with dimensions of 4 * 4 mm and an area of 16 are used as ballast resistors. mm ² (see the above article by K.Ya. Aubakirov, V.I. Govorukhin, L.G. Plavsky, and others. Two-channel common-mode adder-power divider ... - Radio Engineering, №6, 2011, p. 59-63 and V. I. Govorukhin, MG Rubanovich, NE Unruh Multichannel common-mode adders-divides Wilkinson power aids with compensation for parasitic parameters of ballast resistors - Radio Electronics Issues, General Technical Series, 2015, Issue 3, pp. 102-114).

В предлагаемом делителе мощности балластные развязывающие резисторы выполнены в виде отрезков неоднородной линии передачи с потерями в форме круга (фиг. 2) с диаметром 4.52 мм и той же площадью 16 мм². Одинаковые площади балластных резисторов в предлагаемом и известном делителях мощности обеспечивают одинаковые значения емкостей плоского конденсатора, но краевая составляющая общей паразитной емкости в предлагаемой схеме делителя мощности с балластными резисторами в форме круга меньше, чем в известной, вследствие меньшей длины его периметра (примерно на 11.3%), что и определяет выигрыш в частотных свойствах предлагаемой схемы.In the proposed power divider, the ballast decoupling resistors are made in the form of segments of a non-uniform transmission line with losses in the shape of a circle (Fig. 2) with a diameter of 4.52 mm and the same area of 16 mm ² . The same areas of ballast resistors in the proposed and known power dividers provide the same values of capacitances of a flat capacitor, but the marginal component of the total parasitic capacitance in the proposed circuit of a power divider with ballast resistors in the shape of a circle is less than in the known, due to the smaller length of its perimeter (approximately 11.3% ), which determines the gain in the frequency properties of the proposed scheme.

Расчетные частотные зависимости технических характеристик предлагаемого делителя мощности и устройства-прототипа в трехканальном варианте (фиг. 4) в диапазоне частот 0.6-1.4 ГГц с центральной частотой f₀=1.0 ГГц представлены на фиг. 5 и 6, при этом фиг. 5 соответствует предлагаемому, а фиг. 6 - делителю мощности-прототипу.The calculated frequency dependencies of the technical characteristics of the proposed power divider and prototype device in the three-channel version (Fig. 4) in the frequency range 0.6-1.4 GHz with the center frequency f ₀ = 1.0 GHz are shown in FIG. 5 and 6, with FIG. 5 corresponds to the proposed, and FIG. 6 - power divider prototype.

Четвертьволновые отрезки линии передачи представлены идеализированными линиями с воздушным диэлектриком ε_r=1 длиной 75 мм и волновым сопротивлением

Ом, где R₀=50 Ом. Короткозамкнутые корректирующие шлейфы в обеих схемах с шириной полоска w = 0.2 мм (ρ_ш=90 Ом), как и балластные резисторы, выполнены на подложке из поликора с h=1 мм и толщиной полоска t=0.0083 мм, расчетные значения длин шлейфов

для известного и

мм для предлагаемого вариантов исполнения балластных резисторов. Более чем двухкратное уменьшение длины корректирующих шлейфов характеризует существенное повышение эффективности коррекции паразитной емкости балластных резисторов в предлагаемой схеме по сравнению с известной.The quarter-wave transmission line segments are represented by idealized lines with an air dielectric ε _r = 1 with a length of 75 mm and a characteristic impedance

Ohm, where R ₀ = 50 Ohm. Short-circuited correction loops in both schemes with a strip width w = 0.2 mm (ρ _W = 90 Ω), as well as ballast resistors, are made on a substrate of polycor with h = 1 mm and a strip t thickness = 0.0083 mm, the calculated values of the lengths of loops

for famous and

mm for the proposed variants of ballast resistors. A more than twofold decrease in the length of the corrective stubs characterizes a significant increase in the efficiency of the correction of the parasitic capacitance of the ballast resistors in the proposed scheme compared to the known one.

Сравнение зависимостей на фиг. 5 и 6 показывает значительное повышение развязки между выходными плечами |S_ik|, i, k=2, …,4, i≠k предлагаемого трехканального делителя мощности на 25.91 дБ (в 19.75 раза) по сравнению с устройством-прототипом при расширении его полосы пропускания по развязке по уровню -25 дБ на 350 МГц, или на 86%. Для четырех- и пятиканального делителей мощности выигрыш в развязке повысился, соответственно, на 32.03 дБ (в 39.9 раз) и 31.98 дБ (в 39.7 раз) при расширении полосы пропускания по развязке для обеих схем на 430 МГц или на 90%.The dependency comparison in FIG. 5 and 6 shows a significant increase in decoupling between the output shoulders | S _ik |, i, k = 2, ..., 4, i ≠ k of the proposed three-channel power divider by 25.91 dB (19.75 times) compared to the prototype device when its bandwidth is expanded -25 dB isolation at 350 MHz, or 86%. For the four- and five-channel power dividers, the gain in the junction increased, respectively, by 32.03 dB (39.9 times) and 31.98 dB (by 39.7 times) while expanding the junction bandwidth for both schemes by 430 MHz or 90%.

Таким образом, использование в качестве балластных развязывающих резисторов отрезков неоднородной линии передачи с потерями в форме круга позволяет повысить развязку между выходными плечами делителя мощности и расширить полосу пропускания устройства по этому параметру.Thus, the use as segments of a non-uniform transmission line with losses in the form of a circle as ballast decoupling allows to increase the isolation between the output shoulders of the power divider and expand the device bandwidth by this parameter.

Claims

A power divider containing an input arm connected via quarter-wave sections of the transmission line to the output arms, between which are included ballast resistors made in the form of a transmission line with loss and connected in a star, to a common point of which is connected a short-circuited cable with a length less than a quarter of the center frequency wavelength operating range, characterized in that the said segments of the transmission line with losses are made non-uniform in the shape of a circle, while the width of the interface section of each ballast p A resistor with a corresponding output arm of the power divider is equal to the width of the connecting segment of the transmission line with a characteristic impedance equal to the output impedance of the power divider, the width of the junction section of each ballast resistor with a short-circuited loop is equal to the width of this loop, with the corresponding output slots and short-circuited loop arranged symmetrically at both ends of the diameter of each ballast in the form of a circle.