5.9. ДЕЛИТЕЛЬ (СУММАТОР) МОЩНОСТИ

В диапазоне СВЧ часто требуется осуществлять либо деление входящей мощности на несколько частей, либо сложение мощностей от нескольких источников. В качестве примера укажем на схемы питания, многоэлементных передающих или приемных антенн, балансные усилители, возбудители, сигнал которых подается одновременно в передающую и приемную части аппаратуры.

Во всех этих случаях необходимо трехплечное устройство, обеспечивающее синфазность сигналов в выходных плечах (рис 5.38). Обычно такие устройства являются взаимными и применяются также для сложения мощностей двух источников. На частотах до делители (сумматоры) можно конструировать из сосредоточенных элементов. Их эффективная работа во многом зависит от взаимного положения и качества монтажа элементов в схеме. При удачной реализации удается получить устройства с весьма хорошими электрическими характеристиками. На рис. 5.39

Рис. 5.38. Представление делителя (сумматора) мощности в виде шестиполюсника

Рис. 5.39. Делитель мощности на сосредоточенных элементах (а) и его эквивалентная схема на расчетной частоте (б)

показан делитель мощности на сосредоточенных элементах. Расчет такой схемы выполняется по следующим формулам:

где входное (выходное) сопротивление делителя.

Отметим, что формулы (5.29) - (5.31) справедливы лишь при равном делении мощности между выходными плечами.

Пример 5.15. Рассчитать делитель для частоты при сопротивлении на его входе и выходе 75 Ом. Решение

Исходные данные: Из уравнения (5.31)

из (5.30)

и, наконец, из (5.29)

На этом расчет завершается.

Проанализируем схему делителя на рис. 5.39, в, если параметры элементов на центральной частоте выбраны согласно этом случае

Так как резистор и емкость С соединены параллельно, на центральной частоте их сопротивление равно Если к выходным плечам подключены нагрузки с сопротивлением то полная схема делителя представляет собой балансный мост с разностью потенциалов между выходными плечами, равной нулю. При этом входное сопротивление делителя равно что обеспечивает согласование с подключаемым к входному плечу сопротивлением Поскольку разность потенциалов между выходными плечами нулевая, мощность, рассеиваемая в резисторе равна нулю. Отметим, что баланс моста имеет место лишь на центральной частоте и при величинах элементов,

Рис. 5.40. Полосковый делитель при неравном делении мощности

определенных по (5.29) - (5.31). Резистор обеспечивает развязку между выходными плечами делителя, поскольку мощность, отраженная в этих плечах, будет рассеиваться в резисторе.

На частотах выше подобные делители строятся в основном на элементах с распределенными параметрами. Довольно громоздкий анализ такого делителя с развязанными выходами и с произвольным делением мощности выполнен в [10]. Вывод формул, используемых ниже, можно найти в указанной работе, являющейся развитием оригинальных результатов из [11].

На рис. 5.40 представлена топология делителя (сумматора), состоящего из элементов с распределенными параметрами и выполненного на основе микрополосковой или симметричной полосковой линии. Если делитель обеспечивает неравное деление мощности, то его схема несимметрична, что и показано на рис. 5.40. Вплоть до 1 ГГц в качестве поглощающего резистора можно использовать сосредоточенные резисторы из графита или окислов металлов. На более высоких частотах применяют резисторы с распределенными параметрами, изготовленными по тонко- либо толстопленочной технологии. Приведем основные расчетные соотношения, на основе которых выполняется синтез таких делителей:

При выводе этих формул не учитывалось влияние неоднородностей в местах стыка отрезков линий с разными волновыми сопротивлениями. Компенсация влияния этих неоднородностей осуществляется обычно в процессе экспериментальной отработки делителя. Как показывает анализ, увеличение разницы между мощностями в выходных плечах приводит к сужению рабочей полосы частот делителя. Однако данный делитель обладает определенным преимуществом по сравнению со шлейфным ответвителем и модифицированным кольцевым мостом. Если рабочая полоса последних то в рассматриваемом устройстве деление сохраняется практически неизменным в полосе частот до октавы. Рабочую полосу трехплечих делителей мощности можно довести до декадной, если перейти к многоступенчатым делителям. С методикой проектирования таких делителей можно ознакомиться, обратившись к работе [12].

Пример 5.16. Синтезировать делитель мощности, если волновое сопротивление подводящих линий 50 Ом. Нарисовать схему делителя в коаксиальном исполнении.

Решение

Дано Ом. Поскольку то

С помощью расчетных формул иаходим

Делитель можно выполнить из отрезков стандартного кабеля с волновыми сопротивлениями 50 и 75 Ом (рис. 5.41); при этом уровень сигнала в выходных плечах уменьшится менее чем на

Пример 5.17. Рассчитать делитель мощности при волновом сопротивлении подводящих линий 50 Ом. Решение

Так как соответствует отношению мощностей, равному 0,25, то:

Мощность в плече

Мощность в плече

Потерями мощности в делителе пренебрегаем. Тогда т. е.

Поскольку Ом, то

Из сравнения делителей, рассчитанных в примерах 5.16 и 5.17, видно, что длина делителя при неравном делении входной мощности вдвое превышает длину в случае равного деления. При реализации делителя, рассмотренного в примере 5.17, необходимо обратить внимание на следующие его особенности. Во-первых, волновое

Рис. 5.41. Схема (а) и коаксиальная реализация (б) 3-дБ делителя мощности для примера 5.16

сопротивление получилось довольно высоким, что вызовет определенные трудности при его реализации из-за весьма малой ширины полоски. Поэтому на практике для рассматриваемых делителей величина, равная рассматривается как предельная, при которой делитель еще сравнительно просто реализуется. Во-вторых, волновое сопротивление всех отрезков в делителе различны и, как следствие, оказываются различными физические длины этих отрезков, кроме случая, когда используется линия с ТЕМ-волной.