Полосковые делители-сумматоры

Полосковые делители-сумматоры обладает свойством взаимности, из чего следует, что с их помощью можно делить энергию на равные части, а также на все входы сумматора подключают усилители, и тогда происходит сложение (суммирование) мощности каждого из усилителей.

Данная схема может эффективно работает в узком диапазоне частот. Возникающие при этом потери можно компенсировать увеличением мощности передатчика.

При переходе на широкий диапазон частот (до октавы) сам тракт не сможет принципиально работать в этом диапазоне, поэтому необходима прокладка 2-3 волноводных трактов, а также наличие 2-3 передатчиков. Потери в волноводном тракте зависит от частоты:

,

где

f – частота;

σ – проводимость стенок.

σ не может быть увеличена, т.к. наилучшим покрытием является серебрение и полировка внутренних стенок тракта.

При увеличении частоты β увеличивается, а с учетом длины тракта, а следовательно низкого КПД при увеличении частоты мощность в антенне падает и КПД падает.

Рис. 3-9

(3.8)

1 – задающий генератор с усилителем;

2 – делитель мощности;

3 – система усилителей с одинаковыми выходными мощностями и одинаковыми фазовыми сдвигами «вход – выход»;

4 – сумматоры мощности.

Для того, чтобы схема рис. 3-9 была работоспособной, должны выполняться соотношения (3.8) и (3.9).

(3.9)

Сравнительный анализ по затуханию рис. 3-7 и 3-9 приведен на рис. 3-10.

Рис. 3-10

Из рис. 3-10:

1. Целесообразно применять полосковые делители-сумматоры при N4, и это преимущество нарастает при больших значениях N (N=3050).

2. Затухание остается постоянным независимо от N и мало зависит от частоты.

3. При очень больших значениях N во избежание роста геометрических размеров полосковых делителей-сумматоров целесообразна комбинация бинарных (до N=4) и полосковых делителей-сумматоров.

Конструктивно делители-сумматоры можно выполнять на коаксиальных линиях в прямоугольных волноводных полосковых линиях. Наиболее технологичны и имеющие преимущества по массе и габаритам, а также по рабочей полосе частот имеют полосковые линии.

Реализация схемы рис. 3-10 должна предусматривать электронное подключение вышедшего из строя усилителя и переключение вместо него на согласованную нагрузку. Это реализуется использованием p-i-n диодных переключателей.

Рис. 3-11

1 – экранированная НПЛ;

2 – коаксиальная линия;

3 – двухступенчатый Чебышевский переход или переход Баттерворса;

4 – поглощающие резисторы;

5 – усилительные полупроводниковые структуры;

6 – конструктивная стойка, фиксирующая положение 1.

Линия экранированная, если Hh.

3 состоит из отдельных ступеней согласующего устройства и включает в себя отрезки коаксиальной линии с различными волновыми сопротивлениями. Вход и выход (3) обязательно равен 50 Ом и заканчивается разъемом. Около (1) диаметр центральной жилы коаксиальной линии максимален, сопротивление минимально и является промежуточным между сопротивлением кольцевой линии НПЛ диаметром D и 50 Ом.

В зависимости от рабочего диапазона частотное согласующее устройство используется с характеристиками Чебышева или Баттерворса.

В широкой диапазоне частот используется характеристика Чебышева с осцилляциями (пульсацией) внутри диапазона 5-10 %. В узком диапазоне частот можно использовать характеристику Баттерворса, тогда максимальные коэффициенты отражения находятся на концах диапазона, а внутри согласование улучшается.

Согласование в сумматоре осуществляется не только по коаксиальному входу, но и по выходам полосковых линий. Рис. 3-12 справедлив только в том случае, если все ЛП независимо от конструкции собираются в одной точке. Реализовать данную схему в полосковом исполнении технически невозможно, т.к. существуют области (кольцевая линия с распределенными индуктивностями и емкостями), причем в кольцевой линии распределения емкость резко увеличивается, что снижает волновое сопротивление .

Рис. 3-12

С точки зрения согласования сопротивлений эквивалентную схему полоскового делителя-сумматора можно представить на рис. 3-13:

Рис. 3-13

На рис. 3-13:

R₁ – вход\выход делителя-сумматора, равный 50 Ом;

R_C1, R_C2 – согласующие ступени коаксиальной линии;

R_K – волновое сопротивление кольцевой линии;

R_N1, R_N2 – согласующие полосковые ступени ПЛ.

R_C1, R_C2, R_N1, R_N2 выбираются, исходя из допустимого коэффициента отражения и рабочей полосы частот. Они имеют характеристики Баттерворса или Чебышева.

С точки зрения максимальной передаваемой мощности (Для сумматора) и уменьшения потерь наиболее целесообразно использовать симметричные ПЛ с диэлектрическим заполнением и толстым (0,51 мм) центральным проводником. В такой конструкции опасность пробоя возникает за счет неплотного прилегания проводника к диэлектрику (ТТ  1 мкм, что невыполнимо).

В полосковых делителях-сумматорах на средние уровни мощности используется несимметричные ПЛ. Для них:

(3.10)

Средняя часть рис. 3-12 или R_K 3-13 конструктивно можно представить в виде:

Размер r₀ зависит от числа N, а также конструктивного исполнения усилителей.

На рис. 3-11 усиление между нижней и верхней платами может происходить либо за счет усилителя, выполненного в виде отдельного конструктивно законченного модуля, либо размещением предварительного усилителя на нижней плате, а оконечной – на верхней. Это позволяет:

1. При идентичных усилителях резко снизить КСВ, а следовательно расширить полосу частот.

2. Улучшить согласование.

Размер r₀ определяется размером выходных усилителей с системой охлаждения.

Рис. 3-14

(3.11)

(3.11) составляется, исходя из размещения N выходных усилителей. Из (3.11) определяется r₀. Используя рис. 3-13 и (3.10) рассчитываются W₁, W₂, W₃. (3.11) единственного решения не имеет, т.к. _эф зависит от W.

Расчет согласующих элементов для коаксиальных и полоскоых линий может быть осуществлен только в комплексе. Для развязки усилителей между собой в r₀ делается зазор шириной S.

В этом случае сигнал с выхода каждого из усилителей попадает на выход другого усилителя, проходя путь \2 (\4+\4). Два сигнала оказываются противофазными, равными по мощности и при сложении взаимно уничтожают друг друга. Это явление – «развязка выходов усилителей».

нечет, значит _oe

чет, значит _оо

Рис. 3-15

Из рис. 3-15 следует, что чем меньше S, тем концентрация поля между полосками выше, взаимодействие сильнее, развязка C_1,2 меньше. Стандартной величиной развязки на центральной частоте равна (-2025) дБ.