1.5 Использование кольцевого развязанного делителя мощности
Исследуем кольцевой развязанный делитель мощности в роли устройства сложения сигналов.
Исследование разбаланса амплитуд.
Построим схему:
Рисунок 25
Оценим результаты:
Рисунок 26
Видно, что при симметричных сигналах практически вся мощность идет на выход и ничего не рассеивается на развязывающем резисторе.
Введем разбаланс амплитуд:
Рисунок 27
Посмотрим результат:
Рисунок 28
Видно, что суммарная выходная мощность 14 мВт незначительно отличается от суммы входных мощностей (5+10=15 мВт). И незначительная часть мощности (369 мкВт) теперь рассеивается на резисторе.
Сделаем разбаланс амплитуд еще больше, на втором канале поставим 0дБмВт, а на первом 10 дБмВт и посмотрим результат:
Рисунок 29
Теперь суммарная выходная мощность 8 мВт серьезно отличается не только от суммы входных мощностей, но даже от мощности с большего входа. 2мВт рассеивается на резисторе.
Теперь окончательно отключим второй канал и посмотрим результат:
Рисунок 30
Выходная мощность 5мВт равна половине входной мощности первого канала (10 мВт), остальная энергия рассеивается на резисторе (5мВт).
Исследование разбаланса фаз
Поисследуем, как влияет разбаланс фаз при суммировании равных мощностей. Пусть на входы приходят два сигнала по 1 Вт с разностью фаз 30°.
Рисунок 31
Посмотрим результат:
Рисунок 32
Как и ожидаемо, что суммарная выходная мощность 1,784 Вт меньше суммы входных мощностей (1 + 1 = 2 Вт). Часть мощности (116 мВт) рассеивается на резисторе.
Установим разбаланс в 60 градусов и посмотрим результат:
Рисунок 33
Суммарная выходная мощность 1,5=434 Вт меньше суммы входных мощностей (1 + 1 = 2 Вт). Четверть суммы входных мощностей (433 мВт) рассеивается на резисторе.
Установим разбаланс в 90 градусов и посмотрим результат:
Рисунок 34
Суммарная выходная мощность 1 Вт меньше суммы входных мощностей (1 + 1 = 2 Вт) и фактически равна входной мощности с одного канала. Половина суммы входных мощностей (0.865 Вт) рассеивается на резисторе.
Установим входные сигналы противофазно и посмотрим результат:
Рисунок 35
Вся сумма входных мощностей рассеивается на резисторе, на выходе практически ничего нет.
Из всего вышеизложенного следует вывод, что необходимо внимательно следить за разбалансировкой входных сигналов, во-первых, для того чтобы операция сложения имела смысл, а во-вторых, что резистор не сгорел. Поэтому гибридный развязанный делитель хорошо подходит для суммирования более-менее равных по амплитуде и синфазных сигналов.
Глава 2. Информационный поиск
Делители мощности являются базовыми элементами при создании различных устройств и систем СВЧ диапазона и обеспечения разветвления трактов СВЧ [1]. Кольцевым делителем мощности (КДМ) называется устройство, предназначенное для деления мощности
подводимых сигналов на две части (два канала) и обеспечивающее развязку между каналами. Кольцевые делители могут быть реализованы на полосковых и микрополосковых линиях передачи; различные топологические варианты делителей показаны на рис. 36[2].
Рисунок 36. - Топологические варианты центральных проводников кольцевых делителей мощности на полосковых линиях
Основные
достоинства данного типа делителя
мощности – малые габариты, простота
изготовления, малое количество входов
и он не требует применения согласованной
нагрузки [3]. В делителе используются
параллельное разветвление линий передач
на входе, два четвертьволновых
трансформатора с волновыми сопротивлениями
Zb=
и поглотитель в виде сосредоточенного
резистора [4]. Делитель может работать
в двух режимах – в режиме возбуждения
входа 1 и симметричного выхода с плеч 2
и 3 (причем на резисторе нет нагрузки) и
в режиме подачи сигнала на плечо 2 или
3, при этом половина мощности поступит
на плечо 1, а половина рассеется на
сопротивление (см.рис. 37) [5].
Рисунок 37
Величина
сосредоточенного сопротивления
определяется по формуле R = 2
[8].
Волновое
сопротивление кольца равно
[8].
Данный делитель возможно использовать
и для деления мощности на неравные части
[7]. Для этого необходимо изменить волновые
сопротивления выходных линий [7].
Сформулируем основные требования к
кольцевому делителю мощности – кольцевые
делители мощности должны обеспечивать:
равномерность деления в рабочем диапазоне
частот; согласование (КСВ) в каждом из
плеч; заданный уровень развязки между
выходными плечами
дБ (см.рис. 38) [6].
Рисунок 38. – Характеристики одноступенчатого КДМ
Посмотрим, как на практике реализуется развязанный кольцевой делитель мощности. Рассмотрим топологию и характеристики КДМ промоделированного в САПРе ADS:
Рисунок 39. – топология кольцевого делителя, спроектированного в ADS
Рисунок 40.- S- параметры КДМ в ADS
По результатам видно:
- имеет хорошее согласование по всем входам: dB(S11), dB(S22) и dB(S33);
- коэффициенты передачи из порта 1 в порты 2 и 3 (dB(S21) и dB(S31)) близки к –3 дБ, т.е. устройство гибридное;
- развязка dB(S23) также большая –53 дБ;
- устройство почти настроено точно на 3,5 ГГц – видно по положению провалов на dB(S23), dB(S11), dB(S22) и dB(S33).
Также рассмотрим 3D-модель кольцевого делителя мощности, спроектированную в САПРе CST:
Рисунок 41. – 3D представление КДМ в CST