RU2791956C1 - Четырёхканальный усилитель - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к усилителям. Технический результат: снижение уровня потребления энергии постоянного тока от источников питания при одновременной работе всех четырёх каналов. Для этого предложен четырёхканальный усилитель, содержащий четырёхканальный делитель мощности и четырёхканальный сумматор мощности, реализованные в виде соединения трёх идентичных 3-децибельных направленных ответвителей, выполненного двумя идентичными отрезками соединительных линий передачи, четыре идентичных широкополосных канальных усилителя мощности и нагрузку, при этом выходы четырёхканального делителя мощности и входы четырёхканального сумматора мощности соединены через канальные усилители, а нагрузка подключена к выходу четырёхканального сумматора мощности. При этом в него дополнительно введены вторая, третья и четвёртая нагрузки, аналогичные первой, два аналогичных направленных ответвителя и четыре аналогичных отрезка соединительных линий передачи. 16 ил.

Description

Предлагаемый четырёхканальный усилитель (ЧКУ) относится к области радиотехники и инфокоммуникаций и может быть использован для усиления широкополосных радиосигналов в инфокоммуникационных системах микроволнового диапазона различного назначения, выходные каскады которых реализованы по модульному принципу наращивания мощности. Актуальность совершенствования таких ЧКУ обусловлена всё возрастающими требованиями к радиосистемам в отношении их широкополосности, габаритов и массы, уровня потребления энергии постоянного тока от источников питания, а также надёжности и времени безотказной работы. Совокупность этих показателей весьма существенна при характеристике спутниковых навигационных и инфокоммуникационных систем S- (1,5 – 2,6 ГГц), Ku- и Ka- (12 – 20 ГГц) диапазонов частот.

Известен ЧКУ, описанный 23 февраля 1984 года в патенте РФ № 1075372 под названием «Разделительно-суммирующее устройство». В этом усилителе, согласно фиг. 1 его Описания, содержатся N-канальные делитель и сумматор мощности, выполненные в виде бинарного (двоично-этажного) соединения (N-1) идентичных 3-децибельных несимметричных направленных ответвителей (НО) на электромагнитно связанных первичной и вторичной полосковых линиях передачи, где

, р – целое число, в данном случае равное 2. При этом, согласно строкам 19 – 30 столбца 4 Описания, в случае монотонного изменения степени/функции связи

[ступенчатого или непрерывного характера (см. фигуры 6, 7 и 8 Описания)] первичной и вторичной полосковых линий обеспечивается как фазирование (иными словами: суммирование) сигналов N усилителей на нагрузке, так и поддержание неизменным уровня волнового сопротивления связанных линий в любом их поперечном сечении. Величина этого уровня равна волновому сопротивлению питающего коаксиального кабеля, соединяющего выход возбудителя с входом N-канального делителя. Между тем известно (см. работу: «Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решёток»/ Под ред. Д. И. Воскресенского. Изд-е 4-е. М.: Радиотехника, 2012, глава 5.5), что несимметричные 3-децибельные НО на связанных полосковых линиях характеризуются наибольшей широкополосностью среди всех видов ответвителей, в результате чего весь в целом ЧКУ будет также весьма широкополосным.

Однако, описанный в патенте РФ № 1075372 ЧКУ, хотя и является многоканальным по числу N = 4 усилителей, фактически работает только на одну нагрузку, подключенную к выходу N-канального (по числу усилителей) сумматора. И возбуждается только от одного сверхвысокочастотного (СВЧ) возбудителя, подключенного к входу 4-канального (по числу усилителей) делителя. Иными словами, такой многоканальный по числу усилителей ЧКУ обслуживает только один усилительный тракт, начало которого совпадает с СВЧ возбудителем, а конец – с нагрузкой, подключенной к выходу 4-канального сумматора. При этом как в 4-канальном делителе, так и в 4-канальном сумматоре задействованы (N – 1 = 3) нерабочие, но, тем не менее, согласованные с волновым сопротивлением связанных полосковых линий балластные резисторы (см. фиг. 1 Описания патента РФ № 1075372). Для подключения этих резисторов к многоплечим/многовходовым (число плеч/входов равно 2N = 8) 4-канальным делителю и сумматору используются (N – 1 = 3) коаксиально-полосковых разъёма в 4-канальном делителе и столько же разъёмов в 4-канальном сумматоре. Если использовать термин «усилительный тракт», то описанный в патенте РФ № 1075372 четырёх-канальный по числу усилителей ЧКУ можно назвать «одно-трактовым».

Между тем, в качестве нагрузки такого одно-трактового ЧКУ может использоваться остронаправленная широкополосная логопериодическая антенна (ЛПА). Будучи установленными на борту искусственного спутника Земли (ИСЗ), такая ЛПА и её ЧКУ могут применяться для покрытия главным лепестком своей остронаправленной диаграммы направленности (другими словами: своим лучом) ограниченной зоны инфокоммуникационного обслуживания на поверхности Земли. Зачастую на борту ИСЗ устанавливается несколько ЛПА, одновременно обслуживающих различные зоны на поверхности Земли, непересекающиеся между собой на суше или на море. Если таких непересекающихся зон будет, например, 4, то в самом простом варианте схемно-технической и компоновочной архитектуры на борту ИСЗ будет необходимо одновременно запитать 4 спутниковые ЛПА от четырёх независимых друг от друга бортовых ЧКУ. Если далее (также в качестве примера) использовать 4-канальные одно-трактовые ЧКУ (N = 4), описанные в вышеупомянутом патенте РФ № 1075372, то потребуется 16 идентичных бортовых широкополосных усилителей. Каждый из этих 16-ти усилителей потребляет от солнечных батарей (или заряжаемых от них аккумуляторов) энергию постоянного тока, так что в случае одновременного обслуживания всех четырёх зон на поверхности Земли, нагрузка на солнечные батареи (аккумуляторы) будет максимальна и равна 16

, где

- мощность постоянного тока, потребляемая широкополосным усилителем от солнечных батарей в штатном режиме.

Ситуация ещё больше усугубляется с точки зрения нагрузки на солнечные батареи (аккумуляторы) при возрастании числа непересекающихся зон одновременного обслуживания на поверхности Земли. Если таких зон должно быть 8, то при использовании описанного в патенте РФ № 1075372 четырёхканального (N = 4) одно-трактового ЧКУ потребуется 32 широкополосных бортовых усилителя. Если же, когда требуемая мощность для каждой бортовой ЛПА должна быть значительной (например, 600 – 800 Ватт), использовать 8-канальные (N = 8) одно-трактовые ЧКУ, то потребуется 64 одновременно работающих широкополосных усилителя, реализованных, например, на лампах бегущей волны (ЛБВ).

В результате, перед разработчиками спутниковых инфокоммуникационных систем со всей остротой встал вопрос о снижении числа одновременно работающих бортовых широкополосных усилителей, в том числе на лампах бегущей волны, при заданном числе обслуживаемых одновременно зон (числе одновременно излучающих широкополосных ЛПА на борту ИСЗ). Эта задача была успешно решена, и количество одновременно работающих на борту ИСЗ усилителей стало равно числу N каналов одного многоканального усилителя. Это было достигнуто за счёт изменения структуры входящих в такой усилитель N-канальных делителя и сумматора мощностей. Возвращаясь к вышеописанному примеру с восьмью одновременно обслуживаемыми зонами и 8-канальным (N = 8) одно-трактовым усилителем (когда требовалось 64 усилителя), видим, что после успешного решения задачи о снижении числа усилителей, потребуется всего 8 широкополосных усилителей. Следовательно, нагрузка на бортовые солнечные батареи (аккумуляторы) по постоянному току при одновременном обслуживании всех восьми непересекающихся зон уменьшится в 8 раз, что наверняка будет способствовать как увеличению времени безотказной работы солнечных батарей, так и уменьшению их габаритов и массы на борту ИСЗ.

Известен ЧКУ с числом трактов, равным числу каналов

, р – целое число, равное в данном случае 2, описанный 21 октября 1986 года в патенте США № 4681831 под названием “Power amplifying apparatus”. В этом устройстве используется N идентичных усилителей, а также многоплечий/многовходовый (число плеч/разъёмов равно 2N) N-канальный делитель и сумматор без балластных резисторов. Другими словами, этот ЧКУ может одновременно запитать N = 4 антенн от независимых друг от друга N = 4 сверхвысокочастотных возбудителей, обеспечив тем самым одновременное обслуживание N = 4 непересекающихся зон на поверхности Земли (см. фиг. 1 и строки 6 – 27 столбца 1 Описания этого патента). Согласно строкам 1 – 27 столбца 2 этого Описания, в качестве многоплечих N-канальных делителя и сумматора первоначально были использованы классические, подробно описанные в антенной технике, диаграммообразующие матрицы Батлера (Jesse L. Butler), опубликованные 7 июня 1966 года в его патенте США № 3255450 под названием: ”Multiple beam antenna system employing multiple directional couplers in the leadin”. Эти матрицы реализованы на 3-децибельных четвертьволновых НО на связанных полосковых линиях и фиксированных фазовращателях. Затем, в процессе описания этого ЧКУ в патенте США № 4618831, было обосновано, что можно обойтись без фиксированных фазовращателей (см. фигуры 2, 5, 7, 8 и 9 Описания патента США № 4618831, а также его текст). Нелишне будет отметить/добавить, что о возможности исключить упомянутые фиксированные фазовращатели из структур N-канальных делителя и сумматора в ЧКУ сказано также несколько позже в последнем абзаце «Введения» к работе тех же, что и в патенте США № 4618831, соавторов Shunichiro Egami и Makoto Kawai, опубликованной в мае 1987 года под названием: “An adaptive multiple beam system concept”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. SAC-5, no. 4, pp. 630 – 636, May 1987.

В результате «безбалластные» (т.е., без балластных резисторов) многоплечие N-канальные (в данном случае N = 4) делители и сумматоры в патенте США № 4618831 реализованы только на идентичных четвертьволновых 3-децибельных направленных ответвителях (по англоязычной терминологии: “3-dB 90-degree hybrids), которые характеризуются рабочим диапазоном частот не более октавы (относительная полоса частот порядка 60%). Об этом свидетельствуют материалы главы 7 в работе: «Устройства СВЧ и антенны». Учебник/ Под ред. Д. И. Воскресенского. Изд. 4-е, испр. и доп. – М.: Радиотехника, 2016. – 560 с.: ил.

Таким образом, четырёхканальный усилитель микроволнового диапазона, описанный в патенте США № 4618831, не способен обеспечить перекрытие диапазона рабочих частот более октавы.

Известен также ЧКУ с числом трактов, равным числу каналов

, р – целое число, равное в данном случае 2, описанный 20 августа 2002 года в патенте США № 6437642 под названием “Multiport amplifier with a number of amplifier elements other than 2". В этом устройстве, «безбалластные» делитель и сумматор которого выполнены также на симметричных 3-децибельных 90-градусных направленных ответвителях (3-dB 90-degree hybrids), реализовано резервирование усилителей на случай отказа нескольких из них. Так, в кратком содержании (Abstract) этого патента отмечается, что в предложенном устройстве могут работать только 8 усилителей из 10-ти или 12-ти, так что 2 или 4 усилителя будут в резерве на случай отказа.

Однако, широкополосность симметричных 3-децибельных 90-градусных НО меньше, чем у несимметричных 3-дБ ответвителей, о чём свидетельствует «Справочник по элементам полосковой техники»/ Под ред. А. Л. Фельдштейна. – М.: Связь, 1979. – 336 с.: ил., глава 4 . Поэтому и это устройство характеризуется недостаточной широкополосностью с точки зрения современных требований и тенденций по применению широкополосных бортовых, в том числе логопериодических, антенн и питающих их ЧКУ.

Известен также ЧКУ с числом трактов, равным числу каналов

, р – целое число, равное в данном случае 2, описанный в японском патенте № 2004-336448, H03F 3/68, H04L 27/20, H04L 27/36. Несмотря на определённые трудности с переводом текста Описания этого патента, Заявитель полагает, что и в этом устройстве речь идёт об усовершенствованиях, не затрагивающих ключевую особенность этого класса усилителей: элементную базу N-канальных делителя и сумматора, которой по-прежнему являются симметричные 3-децибельные 90-градусные направленные ответвители. Об этом свидетельствует ссылка на стр. (4) Описания этого патента на вышеупомянутую работу японских специалистов Shunichiro Egami и Makoto Kawai в журнале “IEEE Journal on Selected Areas in Communications”, May 1987. Кроме того, об этом свидетельствуют блок-схемы усилителей и аналитические выражения в общепринятых терминах матриц классической теории линейных электрических цепей, визуально и понятийно однозначно воспринимаемых специалистами в области микроволновой и антенной техники любых стран [см. страницы (13) – (16) Описания]. Особенно впечатляет заключительная блок-схема на стр. (16) Описания, где изображена ставшая уже классической структура 8-канального усилителя с восьмью трактами усиления.

Таким образом, и этот ЧКУ, содержащий симметричные 3-дБ 90-градусные направленные ответвители, характеризуется недостаточной широкополосностью его трактов, чтобы питать широкополосные спутниковые бортовые антенны, включая логопериодические.

Известен также ЧКУ с числом трактов, равным числу каналов

, р – целое число, в данном случае равное 2, описанный 23 августа 2011 года в патенте США № 8004356 под названием “Tuning multiport amplifiers”. В этом устройстве реализована перестройка (tuning) каналов усиления за счёт изменения путей прохождения СВЧ сигналов в N-канальных делителе и сумматоре [см. строки 41 – 54 столбца 2 его Описания]. Изменение/перестройка путей прохождения сигналов иллюстрируется на фигурах 3 – 6 этого Описания, где жирными линиями показаны каналы прохождения сигналов для различных режимов в случае подключения СВЧ возбудителя к входу «р1» делителя.

Оставляя в стороне детальный анализ особенностей этих режимов, отметим, что в вышеупомянутых строках 41 – 54 столбца 2 Описания патента США № 8004356 записано: «В сущности, усилитель содержит входную матрицу Батлера, другими словами, цепь, образованную 3-децибельными 90-градусными направленными ответвителями, имеющую N входов для подключения СВЧ возбудителей и N выходов для соединения с входами N усилителей. Выходы этих усилителей запитывают N входов другой матрицы Батлера, которая является зеркальным изображением входной матрицы». Выходы этой второй матрицы и соединяются с полезными нагрузками, в том числе антеннами, установленными на борту ИСЗ.

Таким образом, и этот ЧКУ, содержащий матрицы Батлера и описанный в патенте США № 8004356, не способен обеспечить перекрытие диапазона рабочих частот более одной октавы.

Известен также ЧКУ с числом трактов, равным числу каналов

, р – целое число, в данном случае равное 2, описанный 14 апреля 2020 года в патенте США № 10624051 под названием “System for measuring multi-port amplifier errors”. Предлагаемая здесь измерительная система предназначена для контроля/измерения разброса электрических характеристик отдельных усилителей в процессе их эксплуатации на борту ИСЗ. По результатам мониторинга возможна компенсация этих разбросов с течением времени на борту ИСЗ в автоматическом режиме.

При этом сами усилители, согласно фиг. 3 и строкам 37 – 52 столбца 2 Описания, содержат N-канальные, в том числе N = 4, делитель и сумматор мощности, обеспечивающие возбуждение усилителей и последующее суммирование их выходных мощностей, соответственно. Вместе с тем, в строках 6 – 10 столбца 3 Описания указывается, что как делитель, так и сумматор реализованы на основе уже упоминавшихся ранее матриц Батлера.

Поэтому, оставляя в стороне анализ особенностей процедур контроля/измерения разбросов параметров этих усилителей, можно сделать вывод, что сами ЧКУ способны обеспечить усиление сигналов лишь в полосе частот, не превышающей октаву, что не удовлетворяет современным требованиям по широкополосности к бортовым спутниковым системам телекоммуникаций.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание четырёхканального усилителя с числом развязанных между собой усилительных трактов, равном количеству канальных усилителей, и широкополосностью порядка двух октав.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в четырёхканальный усилитель, содержащий четырёхканальный делитель мощности и четырёхканальный сумматор мощности, реализованные в виде соединения трёх идентичных 3-децибельных направленных ответвителей, выполненного двумя идентичными отрезками соединительных линий передачи, четыре идентичных широкополосных канальных усилителя мощности и нагрузку, при этом выходы четырёхканального делителя мощности и входы четырёхканального сумматора мощности соединены через канальные усилители, а нагрузка подключена к выходу четырёхканального сумматора мощности, при этом каждый направленный ответвитель выполнен несимметричным на электромагнитно связанных первичной и вторичной линиях с сильносвязанным и слабосвязанным участками на концах и имеет две пары диагональных выходов, образованных входным, развязанным, гальваническим и связанным плечами, дополнительно введены вторая, третья и четвёртая нагрузки, аналогичные первой, два аналогичных направленных ответвителя и четыре аналогичных отрезка соединительных линий передачи, при этом один дополнительно введённый ответвитель и одна пара дополнительно введённых отрезков соединительных линий входят в состав делителя мощности, а второй дополнительно введённый ответвитель и вторая пара дополнительно введённых отрезков соединительных линий входят в состав сумматора мощности, причём направленные ответвители делителя попарно одинаково ориентированы в его компоновочном пространстве и сгруппированы в ортогональных горизонтальном и вертикальном рядах, пересекающихся между собой в их центрах, при этом первая пара диагональных плеч направленных ответвителей горизонтального ряда образует первый, второй, третий и четвёртый входы делителя мощности, первая пара диагональных плеч направленных ответвителей вертикального ряда образует первый, второй, третий и четвёртый выходы делителя мощности, а расположенные вблизи смежные выходы вторых диагональных пар всех четырёх ответвителей соединены между собой отрезками соединительных линий передачи, причем конструктивное расположение внутренних элементов сумматора является зеркальным, повернутым на 180 градусов, расположением внутренних элементов структуры делителя, при этом дополнительно введённые вторая, третья и четвёртая нагрузки подключены соответственно ко второму, третьему и четвёртому выходам сумматора мощности, а первый, второй, третий и четвёртый входы делителя мощности являются соответствующими входами четырёхканального усилителя и служат для подключения четырёх независимых друг от друга одновременно работающих возбудителей микроволнового диапазона.

На фиг. 1 изображена структурно-компоновочная схема четырёхканального усилителя (ЧКУ), на фиг. 2 приведена структурная схема несимметричного 3-децибельного направленного ответвителя, на фиг. 3 показана зависимость коэффициента связи 2-секционного ответвителя от продольной координаты, на фиг. 4 изображена зависимость коэффициента связи от продольной координаты 3-секционного несимметричного ответвителя, на фиг. 5 приведена зависимость коэффициента связи многосекционного несимметричного ответвителя с весьма большим числом секций, стремящемся к бесконечности, от продольной координаты, на фиг. 6 показана структурно-компоновочная схема ЧКУ с указанием нумерации выходов/плеч всех четырёх направленных ответвителей, образующих делитель мощности, а также с указанием четырёх входов и четырёх выходов всего ЧКУ в целом, на фиг. 7 выделен тракт прохождения сигнала с 1-го входа ЧКУ в нагрузку 1-го его выхода через 1-ый канальный усилитель, на фиг. 8 изображён тракт прохождения сигнала с 1-го входа ЧКУ в нагрузку 1-го его выхода через 2-ой канальный усилитель, на фиг. 9 показан тракт прохождения сигнала с 1-го входа ЧКУ в нагрузку 1-го его выхода через 3-ий канальный усилитель, на фиг. 10 отмечен тракт прохождения сигнала с 1-го входа ЧКУ в нагрузку 1-го его выхода через 4-ый канальный усилитель, на фиг. 11 выделен тракт прохождения сигнала со 2-го входа ЧКУ в нагрузку 2-го его выхода через 1-ый канальный усилитель, на фиг. 12 изображён тракт прохождения сигнала со 2-го входа ЧКУ в нагрузку 2-го его выхода через 2-ой канальный усилитель, на фиг. 13 отмечен тракт прохождения сигнала со 2-го входа ЧКУ в нагрузку 2-го его выхода через 3-ий канальный усилитель, на фиг. 14 показан тракт прохождения сигнала со 2-го входа ЧКУ в нагрузку 2-го его выхода через 4-ый канальный усилитель, на фиг. 15 представлены экспериментальная и теоретическая частотные характеристики ЧКУ, на фиг. 16 изображен фрагмент топологии двухсторонней печатной платы делителя на материале Ф4ВМ-2 с соответствующими размерами, относящийся к одному из четырёх идентичных направленных ответвителей, образующих делитель и сумматор мощности четырёхканального усилителя.

Предлагаемый четырёхканальный усилитель (фиг. 1) содержит четырёхканальный делитель мощности 1 и четырёхканальный сумматор мощности 2, реализованные в виде соединения четырёх идентичных несимметричных 3-децибельных направленных ответвителей (НО) 3, выполненного четырьмя идентичными отрезками соединительных линий передачи 4. ЧКУ содержит также четыре идентичных широкополосных канальных усилителя мощности 5 и идентичные первую 6, вторую 7, третью 8 и четвёртую 9 нагрузки. При этом каждый НО (фиг. 2) выполнен с монотонным изменением степени/функции связи

ступенчатого или непрерывного характера между электромагнитно связанными первичной 10 и вторичной 11 линиями с сильносвязанным 12 и слабосвязанным 13 участками на концах, и имеет две пары диагональных выходов/портов 14, 15 и 16, 17, образованных входным, развязанным, гальваническим и связанным плечами. В качестве иллюстрации этого обстоятельства на фиг. 3 изображена зависимость функции связи 2-секционного/2-ступенчатого НО с двумя различными по величине уровнями связи в каждой секции/ступени, на фиг. 4 – 3-секционного НО с тремя уровнями связи в каждой ступени, а на фиг. 5 – предельный случай М-секционного НО с весьма большим (с математической точки зрения

) числом М ступеней,

где

общая геометрическая длина несимметричного НО (фиг. 2), состоящего из соответствующего числа М секций с геометрической длиной

каждая.

При этом входным плечом может быть любой из выходов/портов 14, 15, 16 или 17 каждого НО в зависимости от того, направлен ли поток сверхвысокочастотной (СВЧ) электромагнитной энергии внутрь НО через это плечо или нет. Так, например, при подаче СВЧ сигнала на порт 14 (фиг. 2) – он становится входным, порт 15 – развязанным, порт 16 – связанным, а выход 17 – гальваническим плечами. Термин «гальванический» означает наличие связи по первичной линии 10 между портами 14 и 17 как по постоянному току, так и по СВЧ току, термин «связанный» означает наличие только электромагнитной связи между портами 14 и 16 через электромагнитное взаимодействие первичной 10 и вторичной 11 линий, а термин «развязанный» означает отсутствие прохождения СВЧ сигнала между входом 14 и выходом15 ответвителя как по постоянному току, так и через электромагнитное взаимодействие первичной 10 и вторичной 11 линий, которое приводит в данном случае к делению входного сигнала поровну между «связанным» плечом 16 и гальваническим выходом 17. Если же СВЧ сигнал подаётся на порт 15 (фиг. 2), то входным плечом именуется этот порт 15, а порт 16 становится гальваническим, порт 17 – связанным, а плечо 14 – развязанным.

Входящие в делитель 1 ответвители 3 попарно одинаково ориентированы в его компоновочном пространстве и сгруппированы в ортогональных горизонтальном и вертикальном рядах, пересекающихся между собой в их центрах (фиг. 1). При этом первая пара диагональных плеч направленных ответвителей горизонтального ряда образует первый, второй, третий и четвёртый входы делителя мощности, первая пара диагональных плеч направленных ответвителей вертикального ряда образует первый, второй, третий и четвёртый выходы делителя мощности.

Отмеченное обстоятельство конкретизируется на фиг. 6, которая является производной от фиг. 1. При этом вторая пара выходов 16, 17 левого НО горизонтального ряда образует первый (

= 1) и второй (

= 2) входы делителя 1 соответственно, а первая пара выходов 14, 15 правого НО горизонтального ряда образует соответственно третий (

= 3) и четвёртый (

= 4) его входы. Эти входы, пронумерованные на фиг. 6 сверху вниз и слева направо, являются соответствующими входами всего ЧКУ в целом. К ним подключаются четыре независимых, но работающих одновременно, микроволновых возбудителя, которые на фиг. 6 условно не показаны.

В свою очередь, пара выходов 16, 17 верхнего (на фиг. 6) НО вертикального ряда и пара выходов 14, 15 нижнего (на фиг. 6) НО вертикального ряда образует первый (

= 1), второй (

= 2), третий (

= 3) и четвёртый (

= 4) пронумерованные сверху вниз и слева направо выходы делителя 1. При этом расположенные вблизи смежные выходы диагональных пар всех четырёх ответвителей 3 соединены между собой четырьмя идентичными отрезками соединительных линий 4.

Несмотря на то, что делитель 1 и сумматор 2 идентичны, конструктивное расположение внутренних элементов сумматора является зеркальным, повернутым на 180 градусов, расположением внутренних элементов структуры делителя (фиг. 1, фиг. 6). Поскольку пространственная компоновочная схема всего ЧКУ в целом, состоящего из делителя 1, сумматора 2 и четырёх идентичных канальных усилителей 5, оформленных конструктивно-технологически как автономные функциональные субблоки с соответствующим числом коаксиально-полосковых переходов/разъёмов (на фигурах 1 и 6 разъёмы условно не показаны), то факт поворота конструктивного расположения внутренних элементов делителя 1 на 180 градусов после его зеркального изображения играет существенную роль. Это объясняется тем, что входящие в делитель 1 и сумматор 2 направленные ответвители 3 являются несимметричными, хотя и идентичными.

После формирования структур делителя мощности 1 и сумматора мощности 2 производится подключение к выходам делителя входов канальных усилителей 5, выходы которых соединяются с входами сумматора 2 (фигуры 1 и 6), к соответственно пронумерованным выходам

= 1, 2, 3 и 4 которого подключаются четыре идентичные нагрузки 6, 7, 8 и 9.

Четырёхканальный усилитель работает следующим образом.

Пусть первый вход (

= 1) делителя 1 возбуждается гармоническим напряжением первого микроволнового возбудителя с комплексной амплитудой

(фигуры 1 и 6, где первый возбудитель условно не показан),

где

- амплитуда гармонического напряжения сигнала,

- начальная фаза гармонического напряжения сигнала.

Если волновые сопротивления в любом поперечном сечении электромагнитно связанных первичной 10 и вторичной 11 линий (фиг. 2) каждого ответвителя 3 равны волновому сопротивлению отрезков соединительных линий 4, то в фидерных трактах делителя 1 и сумматора 2 будет поддерживаться режим бегущих поперечных ТЕМ-волн при отсутствии каких-либо отражений. Поэтому комплексные амплитуды

(j = 1, 2, 3, 4) выходных напряжений j – ых выходов делителя 1 при возбуждении его первого (i = 1) входа запишутся как:

;

;

;

. (1)

В то же время, при возбуждении второго входа (i = 2) от одновременно работающего с первым возбудителем второго микроволнового возбудителя гармоническим напряжением с комплексной амплитудой

(фиг. 6, где второй возбудитель условно не показан) на j – ых выходах делителя 1 формируются выходные напряжения с комплексными амплитудами

(j = 1, 2, 3, 4):

;

;

;

, (2)

где в формулах (1) и (2) обозначено:

- амплитуда гармонического напряжения на 1-ом входе делителя 1;

- амплитуда гармонического напряжения на 2-ом входе делителя 1;

- начальная фаза напряжения 1-го входа делителя 1;

- начальная фаза напряжения 2-го входа делителя 1;

,

,

- комплексные элементы матриц рассеяния

идентичных 3-децибельных несимметричных направленных ответвителей 3:

. (3)

В свою очередь, элементы

,

,

определяются по волновым сопротивлениям

(m = 1, 2, …, M) синфазного вида возбуждения первичной 10 и вторичной 11 электромагнитно связанных линий М -секционных идентичных направленных ответвителей 3 (фиг. 2). Так, например, для 2-секционного ответвителя с двумя ступенями связи (фиг. 3, где М = 2) элементы

,

,

запишутся:

(4)

где

- электрическая длина каждой секции ответвителей 3, имеющей геометрическую длину

(фиг. 2);

- текущая частота;

- центральная частота, на которой длина

равна четверти длины центральной волны

в диэлектрике, заполняющем полосковую структуру делителя 1 и сумматора 2:

; (5)

- скорость света в вакууме;

- относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего делитель 1 и сумматор 2 (фигуры 1 и 6).

Обозначим далее через

комплексный коэффициент усиления канальных усилителей 5. Выходные напряжения/сигналы этих усилителей, проходя в фидерных трактах сумматора 2, на основании принципа суперпозиции суммируются в соответствующей нагрузке. Так, например, при возбуждении первого (i = 1) входа делителя 1 в соответствующей нагрузке 6 первого выхода (k = 1) сумматора 2 комплексная амплитуда

(здесь i = 1, k = 1) выходного напряжения складывается из четырёх составляющих:

, (6)

где

- амплитуда гармонического выходного напряжения на нагрузке 6,

- начальная фаза этого напряжения,

- модуль комплексного коэффициента усиления по напряжению идентичных усилителей 5,

- аргумент комплексного коэффициента усиления по напряжению идентичных усилителей 5,

, фидерный тракт i = 1, j = 1, k = 1 показан на фиг. 7 набором жирных линий,

, фидерный тракт i = 1, j = 2, k = 1 показан на фиг. 8 набором жирных линий,

, фидерный тракт i = 1, j = 3, k = 1 показан на фиг. 9 набором жирных линий,

, фидерный тракт i = 1, j = 4, k = 1 показан на фиг. 10 набором жирных линий.

В результате комплексная амплитуда

суммарного напряжения на первом выходе (k = 1) сумматора мощности 2 с подключенной нагрузкой 6 запишется:

. (7)

При этом для более наглядного представления процесса получения уравнения (7) [другими словами: иллюстрации процесса суммирования четырёх синфазных составляющих суммарного напряжения на нагрузке 6 первого выхода (k = 1) сумматора 2 и, следовательно, всего заявляемого четырёхканального усилителя (фиг. 1)] на фигурах 7 – 10 набором жирных линий показаны фидерные тракты прохождения сигналов соответствующих идентичных канальных усилителей 5 в нагрузку 6.

Аналогично отслеживаются пути прохождения сигналов/составляющих

,

,

,

второго возбудителя со 2-го входа (i = 2) делителя 1 в нагрузку 7 второго (k = 2) выхода сумматора 2 (жирные линии на фигурах 11 – 14, где второй возбудитель условно не показан), являющегося одновременно вторым выходом всего четырёхканального усилителя в целом (фиг. 1). С учётом соотношений (2) – (4) последовательно получаем (i = 2, j = 1….4, k = 2):

(8)

Для третьего (i = 3) входа делителя 1 и его возбудителя при нагрузке 8 третьего (k = 3) выхода сумматора 2 комплексная амплитуда

гармонического напряжения на этой нагрузке определяется:

, (9)

а для i = 4 (четвёртый вход делителя 1) и k = 4 (четвёртый выход сумматора 2 с нагрузкой 9 (фиг. 1)) комплексная амплитуда

находится:

. (10)

В качестве примера рассмотрим частный случай применения 2-секционного (М = 2) несимметричного 3-децибельного НО со средним значением

переходного затухания и его неравномерностью

в полосе частот с коэффициентом перекрытия

= 3,73 (почти две октавы, когда

= 4):

= 3,0172 дБ,

0,2445 дБ. (11)

Согласно приложению 1 работы: А. П. Горбачев «Синтез микроволновых устройств на связанных линиях передачи», Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010, стр. 397 – 400, выбранные величины затухания (11) приводят к следующим значениям

и

, фигурирующим в соотношениях (4) и представляющим собой волновые сопротивления первичной 10 и вторичной 11 связанных линий (фиг. 2), нормированные к волновому сопротивлению

фидерного тракта, равного чаще всего 50 Ом:

= 3,2349;

= 1,3937. (12)

Полагая, что модули комплексных коэффициентов усиления идентичных канальных усилителей 5 (фигуры 1 и 6) равны единице (

= 1), найдём, что с учётом (7) – (10):

. (13)

В результате амплитудно-частотные характеристики коэффициентов передачи всех четырёх каналов

(где

1, 2, 3 и 4) всего заявляемого четырёхканального усилителя идентичны, что отражено на фиг. 15, позиция 18. Иными словами: сигналы всех четырёх одновременно работающих возбудителей усиливаются каждым из четырёх широкополосных усилителей с последующим их суммированием в соответствующей нагрузке при обеспечении их идеальной развязки в полосе частот порядка двух октав.

Ниже следует пример исполнения, подтверждающий достижение технического результата в экспериментальном образце четырёхканального усилителя, делитель мощности 1 и сумматор мощности 2 которого (фиг. 1) выполнены в печатном исполнении на связанных первичной 10 и вторичной 11 (фиг. 2, линия 10: тёмно-серый цвет, линия 11: светло-серый цвет) полосковых линиях каждого несимметричного направленного ответвителя 3 (фиг. 1). Обе эти линии, также как и идентичные отрезки соединительных линий 4, реализованы на обеих сторонах тонкой, изначально фольгированной с двух сторон медной фольгой, диэлектрической заготовки из материала Ф4ВМ-2 толщиной

= 0,27 мм, причём толщина фольги

составляет 0,035 мм. Это позволяет выполнить как печатный делитель мощности 1, так и печатный сумматор мощности 2 всего ЧКУ без каких-либо переходных сквозных металлизированных отверстий в диэлектрической заготовке, обеспечивающих в требуемых случаях гальваническую связь соответствующих выходов/плеч направленных ответвителей 3.

Тонкая заготовка, фактически плёнка, со сформированными линиями размещалась при сборке между двумя листами односторонне фольгированного диэлектрика из материала ФАФ-4Д толщиной

= 1,5 мм. Нефольгированная сторона каждого листа ФАФ-4Д плотно прилегала к печатному рисунку на плёнке Ф4ВМ-2. Каких-либо специальных мер юстировки при совмещении вышеупомянутых трёх слоёв диэлектрика не требуется, так как все три заготовки – квадратные, а печатный рисунок выполнен только на плёнке Ф4ВМ-2, что автоматически обеспечивает требуемое совмещение после фотолитографии и селективного травления фольги с пробельных мест обеих сторон плёнки.

Собранный из трёх слоёв сэндвич размещался затем в квадратном металлическом корпусе, где для подключения четырёх возбудителей и нагрузок 6, 7, 8 и 9 (фиг. 1) предусматривались восемь идентичных коаксиально-полосковых разъёмов типа «СР-50-112 ФВ», по одной паре с каждой стороны корпуса. При этом относительная диэлектрическая проницаемость

обоих диэлектриков составляла 2,5 (

= 2,5).

Расчет геометрических размеров печатных полосковых линий каждого несимметричного 2-секционного (М = 2) направленного ответвителя (фигуры 2 и 3) проводился по материалам работы «Справочник по элементам полосковой техники»/ Под ред. А. Л. Фельдштейна, М.: Связь, 1979. – 336 с.: ил., исходя из выбранных согласно (12) значений

и

, что привело к следующим результатам (фиг. 16):

- сильносвязанный участок 12 ответвителя 3 (фиг. 1):

= 3,2349,

= 1,3 мм, полное наложение линий 10 и 11 на этом участке;

- слабосвязанный участок 13 ответвителя 3:

= 1,3937,

= 2 мм,

= 0,2 мм, связь линий 10 и 11 на этом втором участке через зазор

между ними;

- ширина

50-омных полосковых линий, соединяющих разъёмы «СР-50-112 ФВ» и соответствующие плечи каждого ответвителя 3 составила 2,7 мм; такую же ширину имеют идентичные отрезки соединительных линий 4 (фиг. 1):

= 2,7 мм.

На центральной частоте

= 2,2 ГГц (S – диапазон) длина

каждой секции (фиг. 2) согласно (5) составила:

= 22 мм.

После сборки функциональных субблоков делителя 1 и сумматора 2 выходы делителя и соответствующие входы сумматора соединялись между собой идентичными отрезками 50-омного (

= 50 Ом) полужёсткого коаксиального кабеля «РК-50-2-25А» в сплошной экранирующей оболочке – медной трубке. Тем самым реализованы условия, когда в соотношениях (7 – 10) модули

коэффициентов усиления канальных усилителей 5 равны единице, и соотношение (13) может быть проверено экспериментально.

Коэффициенты стоячей волны напряжения (КСВН) на входах i = 1, 2, 3 и 4 четырёхканального усилителя измерены с использованием анализатора цепей “Agilent N5241A (PNA-X)” в полосе частот 1 – 4,5 ГГц. Они оказались меньше 1,52 (то есть,

1,52), что вполне приемлемо. Этим же анализатором измерялись коэффициенты передачи в трактах

(i = k = 1, 2, 3, 4) ЧКУ в целом. После усреднения по четырём каналам на каждой частоте, построена экспериментальная усреднённая частотная характеристика коэффициента передачи (фиг. 15, позиция 19). Усреднения выполнены по той причине, что отличия величин на конкретной частоте незначительны и четыре частотные характеристики практически сливаются в одну весьма жирную кривую линию. Некоторое отличие между теоретической (фиг. 15, позиция 18) и усреднённой экспериментальной частотной характеристикой (фиг. 15, позиция 19) объясняется наличием диссипативных потерь в проводниках и диэлектрике печатных полосковых конструкций делителя и сумматора, а также в соединительных коаксиальных кабелях; неоднородностями в зонах пайки полосковых линий и разъёмов «СР-50-112 ФВ»; разбросом значений

в партиях листов фольгированного диэлектрика, поставляемых разными фирмами-производителями; конечной разрешающей способностью оборудования фотолитографии и селективного травления медной фольги с пробельных мест заготовок, а также рядом других погрешностей конструкторско-технологического характера, которые невозможно учесть при анализе ЧКУ в рамках существования в его фидерных трактах поперечной ТЕМ-волны.

Таким образом, представленные результаты свидетельствуют о решении поставленной задачи: создание четырёхканального усилителя с числом развязанных между собой усилительных трактов, равном количеству канальных усилителей, и широкополосностью порядка двух октав. При этом необходимые для реализации геометрические размеры фрагментов печатных топологий слоёв ЧКУ не требуют повышенной точности и могут быть реализованы на стандартном технологическом оборудовании предприятий радиопромышленности без разработки дополнительной нестандартной оснастки. Номенклатура используемых отечественных фольгированных листовых диэлектриков может быть расширена (то есть, не только ФАФ-4Д и Ф4ВМ-2), что создаёт дополнительные степени свободы при проектировании спутниковых телекоммуникационных систем с экономным использованием ресурса солнечных батарей или аккумуляторов, заряжаемых от них.

Claims (1)

1. Четырёхканальный усилитель, содержащий четырёхканальный делитель мощности и четырёхканальный сумматор мощности, реализованные в виде соединения трёх идентичных 3-децибельных направленных ответвителей, выполненного двумя идентичными отрезками соединительных линий передачи, четыре идентичных широкополосных канальных усилителя мощности и нагрузку, при этом выходы четырёхканального делителя мощности и входы четырёхканального сумматора мощности соединены через канальные усилители, а нагрузка подключена к выходу четырёхканального сумматора мощности, при этом каждый направленный ответвитель выполнен несимметричным на электромагнитно связанных первичной и вторичной линиях с сильносвязанным и слабосвязанным участками на концах и имеет две пары диагональных выходов, образованных входным, развязанным, гальваническим и связанным плечами, отличающийся тем, что в него дополнительно введены вторая, третья и четвёртая нагрузки, аналогичные первой, два аналогичных направленных ответвителя и четыре аналогичных отрезка соединительных линий передачи, при этом один дополнительно введённый ответвитель и одна пара дополнительно введённых отрезков соединительных линий входят в состав делителя мощности, а второй дополнительно введённый ответвитель и вторая пара дополнительно введённых отрезков соединительных линий входят в состав сумматора мощности, причём направленные ответвители делителя попарно одинаково ориентированы в его компоновочном пространстве и сгруппированы в ортогональных горизонтальном и вертикальном рядах, пересекающихся между собой в их центрах, при этом первая пара диагональных плеч направленных ответвителей горизонтального ряда образует первый, второй, третий и четвёртый входы делителя мощности, первая пара диагональных плеч направленных ответвителей вертикального ряда образует первый, второй, третий и четвёртый выходы делителя мощности, а расположенные вблизи смежные выходы вторых диагональных пар всех четырёх ответвителей соединены между собой отрезками соединительных линий передачи, причем конструктивное расположение внутренних элементов сумматора является зеркальным, повернутым на 180 градусов, расположением внутренних элементов структуры делителя, при этом дополнительно введённые вторая, третья и четвёртая нагрузки подключены соответственно ко второму, третьему и четвёртому выходам сумматора мощности, а первый, второй, третий и четвёртый входы делителя мощности являются соответствующими входами четырёхканального усилителя и служат для подключения четырёх независимых друг от друга одновременно работающих возбудителей микроволнового диапазона.

Images