Делители и сумматоры мощности на коаксиальных волноводах

 

Коаксиальный тройник (рис. 1.82)

Так как ответвления с Z_В1 и Z_В2 соединены параллельно, то их волновые сопротивления связаны соотношением 1 1 1

¾¾ = ¾¾ + ¾¾

Z_В Z_В1 Z_В2

Если плечи тройника согласованы, то деление мощности между плечами зависит от их волновых сопротивлений.

Коэффициент деления m равен:

Р₁ Z_В2 um²_i

m = ¾¾¾ = ¾¾¾, где Р_і = ¾¾¾¾, (і = 1,2). Рис. 1.82

Р₂ Z_В1 2Z_Вi

Если волновое сопротивление Z_в плеча, подводящего ЭВМ к тройнику, и m заданы, то

Z_В1 = (1 + ¹/_m)Z_в; Z_В2 = (1 + m)Z_В. В частности, при m = І Z_В1 = Z_В2 = 2Z_В2.

Это может быть обеспечено за счет разных размеров поперечных сечений линии. Если это условие не выполняется то в подводящей линии установится режим смешанных волн.

Кроме нерегулируемых делителей мощности в практике используются регулируемые,

одним из вариантов которых является Y – трансформатор (рис. 1.83).

Конструктивно Y – трансформатор выполняется таким образом, что расстояние от точки разделения 3 до точек І и 2 равны lв/₄.

Для обеспечения возможности регулировки мощности в плечах І и 2 длина короткозамкнутых отрезков выбирается равной . Рис. 1.83

В этом случае коэффициенты деления мощности

; : .

Т.е.,если l₁ = 0, то m₁ = 0, m₂ = І, m = 0;

при l₁ = lв/₄, m₁= І, m₂ = 0, m = u;

при l₁ = lв/₈, m₁ = m₂ = 0,5, m =І

Рассматриваемое устройство, кроме того, обеспечивает сдвиг по фазе

сигналов в нагрузке І и 2 на 90⁰. Рис. 1.87

На рис. 1.87 показан принцип построения многоканальных коаксиальных делителей и сумматоров мощности. Сигнал, поступаемый по основному волноводу (центр рисунка), делится между шестью выходами устройства.

Полосковые делители и сумматоры мощности

Полосковые делители и сумматоры мощности находят широкое применение в фазированных антенных решетках, в схемах сложения мощностей генераторов, в усилителях, в многоканальных схемах и т.д.

Кольцевой делитель мощности (КДМ) состоит (рис. 1.84-1.86) из двух четвертьволновых отрезков линии передачи, которые, с одной стороны, соединены между собой параллельно и подключены ко входной линии, а с другой - связаны через активное сопротивление и подключены каждый к своей проводящей линии.

Принцип действия КДМ заключается в следующем. Если возбудить плечо 3, то энергия поделится поровну между плечами 1 и 2. При этом на резисторе R энергия не рассеивается, поскольку в силу симметрии точки подключения резистора R

Рис. 1.84 эквипотенциальны. Если, например, сигнал подводится к плечу 1, то при прохождении к плечу 2 длина пути становится больше на lв/₂ по сравнению с путем через R.

При определенном выборе R и волнового сопротивления четвертьволнового отрезка Z_В1 относительно волнового сопротивления подводящей линии Z_В можно обеспечить равенство по амплитуде и противофазность двух указанных сигналов в плоскости симметрии плеча 2. Таким образом, плечи 1 и 2 оказываются развязанными. Поэтому половина мощности поступает в плечо 3, а половина рассеивается на резисторе R. Лучшее согласование всех плеч и большая развязка между плечами 1 и 2 обеспечиваются при выполнении условий Z_В1 = Z_ВÖ2; R = 2Z_В.

В ряде СВЧ усройств, таких как многоканальные делители и сумматоры мощности, антенные решетки, используются так называемые бинарные делители мощности, (БДМ), содержащие несколько делителей, каждый из которых делит мощность пополам. БДМ, в общем случае, представляет собой 2 (І+N) – полюсник (рис.1.88),содержащих N-I делителей.

 

Рис. 1.88 Рис. 1.89

Схема четырехканального КДМ, состоящая из трех КДМ, соединенных между собой отрезками линий длиной lc показана на рис. 1.89.

Переходное ослабление такого делителя равно удвоенному переходному ослаблению одиночного КДМ, а развязка между входными плечами разных КДМ (между вторым и четвертым, вторым и пятым, третим и четвертым, третим и пятым) равна сумме развязок между выходными плечами одиночного делителя и переходного ослабления соединения.

Другой вариант реализации БДМ – с помощью трехдецибельных направленных ответвителей – показан на рис.1.90, где N = 2^m – число каналов деления, m – номер ответвителя, і – текущий номер канала.

 

 

Рис. 1.90 Рис. 1.91

На центральной частоте мощность, поступающая в БДМ, делится поровну между каналами. В полосе частот наблюдается неравномерность деления между каналами, которая определяется коэффициентом

d = 10 lg Р₁/Р_N,

где Р₁ и Р_N – мощности в первом и N – м каналах, определенные на границах полосы пропускания. Развязка между каналами теоретически равна бесконечности. Однако, из–за конечного значения развязки в отдельных направленных ответвителях (» 15 + 20 дБ), реальная развязка между соседними каналами БДМ составляет (20+25) дБ, а между более удаленными каналами делителя на (5+10)дБ выше. Потери в таком БДМ оцениваются из расчета 0,3 дБ на ступень деления.

На направленных ответвителях находят также применение каскадные (цепочные) схемы делителей мощности (рис.1.91), где цифрой І обозначен канал наиболее удаленный от входа, а буквой N – канал, ближайший ко входу, m – номер ответвителя. Развязка между каналами каскадного делителя мощности составляет (20+25)дБ между соседними каналами (30-35) дБ между более удаленными каналами. Потери как и в БДМ составляют 0,3 дБ на канал.

Рассмотренные многоканальные делители мощности на направленных ответвителях, в силу принципа взаимности могут быть использованы для сложения СВЧ мощностей. Однако, режим суммирования имеет ряд особенностей: необходимость синхронности и синфазности работы подключаемых источников, а также определенное соотношение их мощностей. К недостаткам этих делителей относятся сложность топологии и заметная частотная зависимость.

Коммутаторы СВЧ

Коммутаторы СВЧ – это устройство, обеспечивающие подключение одного генератора СВЧ поочередно к нескольким генераторам СВЧ.

Различают механические и электрические коммутаторы СВЧ. Большинство механических коммутаторов конструктивно выполняются из неподвижного ротора, внутри которого имеется волноводный канал (рис. 1.98)

Достоинством механических коммутаторов является большая электрическая прочность, а недостаток – малое быстродействие.

 

Рис. 1.98