RU2822858C1 - Сумматор высокочастотных сигналов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области высокочастотной техники и может быть использовано для сложения или деления синфазных высокочастотных сигналов высокого уровня мощности при построении антенных решеток, многоканальных усилителей мощности, а также в медицинской хирургической аппаратуре и физиотерапевтических приборах. Сумматор высокочастотных сигналов содержит один выход и два входа, при этом к каждому из входов подключены начала соответствующих одноступенчатых трансформирующих переходов, выполненных в виде отрезка линии передачи с волновым сопротивление 50-60 Ом, концы которых соединены вместе и подключены к началу четвертьволнового отрезка линии передачи, конец которого соединен с выходом. Между входами включен балластный резистор большой мощности, а к соединенным вместе концам одноступенчатых трансформирующих переходов подключен конденсатор, емкость которого равна половине паразитной емкости балластного резистора. Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение уровня входной мощности и уменьшение габаритных размеров при сохранении полосы рабочих частот. 3 ил.

Description

Изобретение относится к области высокочастотной техники и может быть использовано для сложения или деления синфазных сигналов при построении антенных решеток, многоканальных усилителей мощности, а также в медицинской хирургической аппаратуре и физиотерапевтических приборах.

Известен сумматор высокочастотных сигналов с двумя входами и одним выходом, выполненный в виде замкнутого кольца из отрезка линии передачи длиной 1,5 длины волны (Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний / В.В. Заенцев, В.М. Катушкина, С.Е. Лондон, З.И. Модель; под ред. З.И. Моделя. - М.: Сов. Радио, 1980. - 296 с. См. рис. 1.9 на стр. 12). При этом волновое сопротивление отрезка линии передачи раз больше входного сопротивления. Кроме того, данный сумматор мощности высокочастотных сигналов содержит балластный резистор, величина которого равна входному сопротивлению. Один вывод балластного резистора соединен с общим корпусом, а другой вывод подключен к кольцу соответственно на расстоянии четверти длины волны и три четверти длины волны от соответствующего входа сумматора. Выход сумматора расположен на расстоянии четверти длины волны от каждого из входов Описанный сумматор имеет высокое качество согласования по каждому входу и выходу за счет того, что высокочастотные сигналы с обоих входов поступают на балластный резистор в противофазе. В этом случае входы на центральной частоте полосы пропускания оказываются электрически развязанными, то есть независимыми. Основным недостатком этого устройства является узкая полоса рабочих частот, порядка 5%. Это обусловлено большим изменением фазы в самом длинном отрезке линии передачи.

Более широкой полосой рабочих частот обладает сумматор высокочастотных сигналов, содержащий балластный резистор и два четвертьволновых отрезка линии передачи, начала которых соединены вместе и подключены к выходу устройства. Концы каждого из четвертьволновых отрезков линии передачи соединены с выводами балластного резистора, которые подключены соответственно к первому и второму входу сумматора высокочастотных сигналов. Сопротивление балластного резистора в два раза больше входного сопротивления сумматора высокочастотных сигналов, а волновое сопротивление обоих четвертьволновых отрезков линии передачи в раз больше входного сопротивления. Данное устройство обладает электрической симметрией относительно входов и содержит только два четвертьволновых отрезка линии передачи, поэтому полоса рабочих частот равна 20%. Существенным недостатком описываемого сумматора высокочастотных сигналов является работа на малом уровне мощности входного сигнала. Это обусловлено тем, что мощность балластного резистора должна быть не меньше мощности сигнала, подводимого к одному из входов. Поэтому в данном устройстве при работе на высоком уровне мощности требуется мощный балластный резистор, который имеет паразитную индуктивность и паразитную межэлектродную емкость. Отметим, что на частотах менее 500 МГц паразитной индуктивностью балластных резисторов на уровень мощности до 100-200 Вт, как правило, можно пренебречь, поскольку она не превышает 1-2 нГ. При этом величина паразитной емкости равна нескольким пФ. В описываемом устройстве при работе на высоком уровне мощности влияние паразитной емкости проявляется на обоих входах сумматора высокочастотных сигналов, что приводит к существенному рассогласованию и уменьшению развязки между входами. Анализ показывает, что в этом случае выход сумматора высокочастотных сигналов во всей полосе рабочих частот и на центральной частоте также оказывается рассогласованным.

Известен также сумматор высокочастотных сигналов, являющийся прототипом предлагаемого изобретения (патент на изобретение № 2733483, кл. МПК Н01Р 5/18, опубликовано 10.01.2020, Бюл. № 28) и выполненный в виде симметричного тройника, имеющего выход и два входа, расположенные по разные стороны от выхода. К каждому из входов подключены двухступенчатые трансформирующие переходы, между которыми включен балластный резистор. Кроме того, прототип содержит отрезок линии передачи, который соединяет выходы двухступенчатых переходов с выходом сумматора высокочастотных сигналов. Положительным качеством прототипа является широкая полоса рабочих частот с высоким качеством согласования. Основным недостатком данного устройства является малый уровень мощности входных сигналов. Это обусловлено большой величиной волнового сопротивления второй ступени двухступенчатых трансформирующих переходов, которая составляет порядка 82 Ом (см. книгу: Малорацкий Л.Г. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях / Л.Г. Малорацкий, Л.Р. Явич // М.: изд-во «Советское радио», 1972. С. 136-146.) Расчеты показывают, что для значения волнового сопротивления 82 Ом ширина микрополосковой линии передачи, выполненной на диэлектрической подложке из поликора толщиной 1,0 мм, составляет 0,22 мм. Линия передачи с такой шириной микрополоска не может пропустить СВЧ мощность более 50 Вт, что существенно ограничивает возможности работы прототипа на высоком уровне мощности. Кроме того, двухступенчатые трансформирующие переходы прототипа, каждый из которых содержит два четвертьволновых отрезка линии передачи, имеют значительную длину и, соответственно, большие габаритные размеры.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является увеличение уровня входной мощности и уменьшение габаритных размеров при сохранении полосы рабочих частот.

Поставленная задача достигается тем, что в сумматоре высокочастотных сигналов, выполненном в виде симметричного тройника с одним выходом и двумя входами, расположенными по разные стороны от выхода, к каждому из входов подключены начала соответствующих трансформирующих переходов, концы которых соединены вместе и подключены к началу отрезка линии передачи, конец которого соединен с выходом, а между началами трансформирующими переходами включен балластный резистор, кроме того, к соединенным вместе концам трансформирующих переходов подключен конденсатор, емкость которого равна половине паразитной емкости балластного резистора, при этом трансформирующие переходы выполнены в виде одноступенчатой структуры с волновым сопротивлением 50-60 Ом, длина отрезка линии передачи, соединяющей выход сумматора высокочастотных сигналов с соединенными вместе концами трансформирующих переходов выбрана равной четверти длины волны входного сигнала, а его волновое сопротивление определяется следующим соотношением

,

где: - волновое сопротивление одноступенчатых трансформирующих переходов (50-60 Ом) ;

- максимально допустимое значение коэффициента стоячей волны на выходе сумматора высокочастотных сигналов.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого сумматора высокочастотных сигналов. На фиг. 2 приведены частотные зависимости коэффициента стоячей волны (КСВ) по выходу (сплошная линия) и входам (пунктирная линия) сумматора высокочастотных сигналов. На фиг. 3 приведена амплитудно-частотная характеристика сумматора высокочастотных сигналов.

Сумматор высокочастотных сигналов содержит выход 1 и два входа 2 и 3, расположенные по разные стороны от выхода 1. Трансформирующие переходы 4 и 5, начала которых подключены соответственно ко входам 2 и 3, а концы соединены вместе. Балластный резистор 6 включен между началами одноступенчатых трансформирующих переходов 4 и 5. К соединенным вместе концам трансформирующих одноступенчатых переходов 4 и 5 подключен конденсатор 7. Четвертьволновой отрезок линии передачи 8 включен между соединенными вместе концами одноступенчатых трансформирующих переходов 4, 5 и выходом 1.

Предлагаемый сумматор высокочастотных сигналов работает следующим образом. При подаче на входы 2 и 3 синфазных высокочастотных сигналов происходит суммирование их мощностей на выходе 1. При этом в балластном резисторе 6 мощность не выделяется, поскольку в данном режиме к его выводам подводятся одинаковые напряжения. При отключении одного из источника высокочастотного сигнала мощность другого источника высокочастотного сигнала поступает поровну как на выход 1, так и в балластный резистор 6. Из этого следует, что симметрия предлагаемого устройства и наличие балластного резистора 6 обеспечивает развязку (независимость) между входами 2 и 3.

В компьютерной САПР для частоты входного сигнала 270 МГц был проведен анализ частотных свойств предлагаемого сумматора высокочастотных сигналов. При этом волновое сопротивление одноступенчатых трансформирующих переходов 4 и 5 в соответствии с формулой изобретения было принято равным 60 Ом. Волновое сопротивление четвертьволнового отрезка линии передачи 8 было рассчитано по выражению, приведенному в формуле изобретения, и составило 40 ом. Паразитная емкость балластного резистора 6 была принята равной 2 пФ. Именно такую паразитную емкость имеет планарный пленочный резистор с размерами 6*10 мм², расположенный на диэлектрической подложке из бериллиевой керамики толщиной 4 мм, установленной на радиатор с принудительным воздушным охлаждением. Допустимая мощность такого резистора составляет 200 Вт. Результаты расчета частотной зависимости коэффициента стоячей волны по выходу 1 (сплошная линия) и входам 2 и 3 (пунктирная линия) представлены на фиг. 2.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) по одному из входов 2 или 3 представлена на фиг. 3. Как видно из рассмотрения графиков фиг. 2 и фиг. 3 предложенное устройство при указанной в формуле изобретения величине емкости конденсатора 7, который компенсирует влияние паразитной емкости балластного резистора большой мощности, и значении волнового сопротивления одноступенчатых трансформирующих переходов 50-60 Ом имеет пульсирующую частотную зависимость КСВ и пульсирующую АЧХ с малой неравномерностью в рабочей полосе частот. Как известно, пульсирующая частотная характеристика обеспечивает широкую полосу рабочих частот. В предлагаемом устройстве перекрытие по частоте равно 2 (относительная полоса рабочих частот 67%). Расчеты в компьютерной САПР показали, что такую же полосу рабочих частот имеет и прототип. В предлагаемом устройстве в одноступенчатых трансформирующих переходах 4 и 5 используются отрезки линии передачи с волновым сопротивлением 60 Ом, у которых ширина микрополоска равна 0,62 мм. Это в 2,5 раза больше, чем в прототипе (0,22 мм). Соответственно во столько же раз увеличивается мощность высокочастотного сигнала, подводимого ко входам 2 и 3. Для балластного резистора мощностью 200 Вт на выходе 1 сумматора высокочастотных сигналов мощность равна 400 Вт. В прототипе, как было отмечено выше, мощность на выходе 1 равна 100 Вт, что кратно меньше по сравнению с предлагаемым устройством. Кроме того, за счет применения одноступенчатых трансформирующих переходов 4 и 5, имеющих в 2 раза меньшие размеры, чем двухступенчатые трансформирующие переходы прототипа, в предлагаемом устройстве существенно уменьшаются габаритные размеры. При этом сохраняется широкая полоса рабочих частот за счет обеспечения пульсирующей формы АЧХ.

При выборе максимально допустимого значения =1 на выходе 1 для одноступенчатых трансформирующих переходов 4 и 5 значение волнового сопротивления следует взять равным 50 Ом, что соответствует стандартному значению для линий передачи любого типа. В этом случае в предлагаемом устройстве вместо отрезков микрополосковых линий передачи целесообразно использовать отрезки коаксиальных линий передачи, способных работать на повышенном уровне мощности. При этом значение волнового сопротивления отрезка линии передачи 8 в соответствии с выражением, приведенным в формуле изобретения, равно 35,6 Ом. С достаточно хорошей точностью такое волновое сопротивление можно получить с помощью параллельного соединения двух стандартных 75-омных коаксиальных кабелей. Отметим, что при параллельном соединении двух кабелей, например, РК 75-9-12 (75 Ом, 500 Вт) их допустимая максимальная мощность удваивается и составляет 1000 Вт. При реализации одноступенчатых трансформаторов на четвертьволновом отрезке кабеля РК 50-3-21 (50 Ом, 500 Вт) на каждый вход 2 и 3 может быть подведена мощность 500 Вт.

Таким образом, в предлагаемом устройстве обеспечивается десятикратное повышение мощности суммируемых сигналов и достигнуто существенное уменьшение габаритных размеров при сохранении широкой полосы рабочих частот.

Предложенное устройство характеризуется высокой технологичностью, поскольку содержит только конденсаторы, отрезки линий передачи и планарный пленочный резистор большой мощности, установленный на радиатор. В диапазоне частот 20-200 МГц в качестве отрезков линий передачи могут быть использованы не только микрополосковые, но и коаксиальные отрезки линий передачи со стандартным волновым сопротивлением 50 и 75 Ом, обладающие хорошими экранирующими свойствами. Изменение в небольших пределах емкости конденсатора 7 позволяет обеспечить режим точного согласования по выходу 1. Отсутствие катушек индуктивности уменьшает потери на излучение, что актуально при работе на высоком уровне мощности.

Claims (4)

1. Сумматор высокочастотных сигналов, выполненный в виде симметричного тройника с одним выходом и двумя входами, расположенными по разные стороны от выхода, при этом к каждому из входов подключены начала соответствующих трансформирующих переходов, концы которых соединены вместе и подключены к началу отрезка линии передачи, конец которого соединен с выходом, а между началами трансформирующих переходов включен балластный резистор, отличающийся тем, что к соединенным вместе концам трансформирующих переходов подключен конденсатор, емкость которого равна половине паразитной емкости балластного резистора, при этом трансформирующие переходы выполнены в виде одноступенчатой структуры с волновым сопротивлением 50-60 Ом, длина отрезка линии передачи, соединяющего выход сумматора высокочастотных сигналов с соединенными вместе концами трансформирующих переходов выбрана равной четверти длины волны входного сигнала, а его волновое сопротивление определяется соотношением
2. ,
3. где: - волновое сопротивление одноступенчатых трансформирующих переходов (50-60 Ом),
4. - максимально допустимое значение коэффициента стоячей волны на выходе сумматора высокочастотных сигналов.