Сверхвысокочастотное разделительно-суммирующее устройство

Реферат

 

Заявляемое устройство может быть использовано в радиопередающих устройствах различного назначения для наращивания уровня выходной мощности по модульному принципу. В предложенном разделительно-суммирующем устройстве, содержащем идентичные N - канальные делитель и сумматор мощности, выполненные в виде цепочечного соединения (N -1) направленных ответвителей с различными переходными затуханиями, где N -натуральное число, больше 2; выходы делителя и входы сумматора соединены через N усилительных модулей, которые идентичны по схеме. При этом направленные ответвители выполнены деухшлейфными, а в крайние каналы устройства введены две одинаковые линии задержки. Техническим результатом является обеспечение требуемого фазирования в нагрузке отдельных составляющих суммарного сигнала и планарной топологии микрополосковых подложек делителя и сумматора при предельно высоких показателях надежности устройства из-за отсутствия операций сварки внутри направленных ответвителей. 2 ил.

Предлагаемое устройство относится к области техники сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано в выходных каскадах полупроводниковых усилителей и радиопередатчиков различного назначения для наращивания уровня выходной мощности за счет суммирования сигналов ряда идентичных радиочастотных блоков (модульный принцип наращивания мощности).

Актуальность разработки таких устройств обусловлена все возрастающими требованиями к полупроводниковым каскадам генерирования и формирования радиосигналов высоконадежных систем связи и телекоммуникаций в отношении их миниатюризаии и технологичности. Для выполнения предъявляемых ныне требований целесообразно создать полностью планарные (т.е. без каких-либо навесных или объемных (в теле подложки) перемычек и компонентов) разделительно-суммирующие устройства с произвольным числом каналов, пригодные для тонкопленочной технологии гибридных (ГИС) или полупроводниковых (ИС) интегральных схем СВЧ при возможно более низком проценте брака готовых керамических подложек или полупроводниковых GaAs-кристаллов. Использование только отрезков одиночных линий передачи и пленочных резисторов из материала подслоя упомянутых отрезков, а также планарность и высокая технологичность операций их реализации делает такие радиочастотные узлы весьма перспективными для твердотельных усилителей и передатчиков диапазона 10...20 ГГц.

Известно сверхвысокочастотное разделительно-суммирующее устройство, описанное в работе: Горбачев А.П., Романов А.Н. "Широкополосные разделительно-суммирующие устройства для сложения мощностей диапазона СВЧ", Известия ВУЗов СССР - Радиоэлектроника, 1975, N 12, с. 93-95. Это устройство содержит делитель и сумматор мощности, выполненные в виде цепочечного соединения направленных ответвителей на связанных линиях с различными переходными затуханиями. Выходы делителя соединены со входами сумматора через усилительные модули, а вход делителя и выход сумматора являются соответственно входом и выходом разделительно-суммирующего устройства. При практической реализации делителя и сумматора на керамических подложках в виде ГИС СВЧ часть направленных ответвителей неизбежно выполняется на встречно-штыревых структурах Ланге из трех, четырех или шести связанных линий, содержащих навесные проволочные или ленточные перемычки, соединенные с линиями термокомпрессионной сваркой. В результате не удается реализовать полностью планарную конструкцию разделительно-суммирующего устройства и использовать преимущества планарных топологий ГИС СВЧ, имеющих минимальный процент брака.

Известно также сверхвысокачастотное разделительно-суммирующее устройство, описанное в работе: Балакирев М.Б., Вохмяков Ю.С., Журиков А.С. и др. "Радиоперерающие устройства", М.: Радио и связь, 1982, с. 123. В этом устройстве делитель и сумматор мощности идентичны и выполнены по цепочечной схеме соединения двух направленных ответвителей с различными переходными затуханиями. При этом каждый направленный ответвитель реализован на четырех встречно-штыревых связанных линиях, образующих классическую структуру Ланге с проволочными навесными перемычками. В результате упомянутое разделительно-суммирующее устройство имеет заметный процент брака подложек ГИС СВЧ из-за ощутимого количества дефектов сварки навесных перемычек.

Известно также сверхвысокочастотное разделительно-суммирующее устройство, описанное в работе: Каганов В.И. "СВЧ полупроводниковые передатчики", М.: Радио и связь, 1981, с. 325. Это устройство содержит N - канальный делитель и сумматор мощности, где N = 2к,к - целое число, выполненные в виде бинарного соединения (N-1) направленных ответвителей, нагруженных на 2(N-1) балластных резисторов. При этом выходы делителя и входы сумматора соединены через усилительные модули, а нагрузка подключена к выходу сумматора. Возбуждение подается на вход разделительно-суммирующего устройства, в качестве которого служит вход делителя. Переходные затухания всех ответвителей как в делителе, так и в сумматоре имеют величину порядка 3 дБ. Поэтому при реализации упомянутого разделительно-суммирующего устройства в виде ГИС СВЧ на керамике опять-таки приходится использовать встречно-штыревые структуры Ланге. В результате и это разделительно-суммирующее устройство имеет заметное число дефектов сварки навесных проволочных перемычек и не обеспечивает минимальный процент брака, присущий планарным топологиям.

Известно также сверхвысокочастотное суммирующее устройство, описанное в работе: Малорацкий Л.Г. "Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ", М.: "Советское радио", 1976, с. 161. Это устройство содержит три идентичных двухшлейфных направленных ответвителя, соединенных по схеме "елочка", и осуществляет суммирование в общей нагрузке, подключенной к выходу устройства, мощностей четырех автогенераторов. Для взаимной частотной и фазовой синхронизации автогенераторов используются замкнутые или разомкнутые отрезки линий передачи переменной длины, подключенные к соответствующим зажимам направленных ответвителей. Однако это устройство пригодно лишь для суммирования мощностей автогенераторов и не может быть использовано для сложения мощностей усилительных модулей с внешним возбуждением. К тому же схема "елочка" позволяет реализовать лишь N=2к, к - целое число, т.е. N = 2,4,8,16 и т.д., что не всегда приемлемо в многоканальных устройствах, где весьма желательно иметь возможность реализации произвольного числа N каналов.

Прототипом предлагаемого изобретения является сверхвысокочастотное разделительно-суммирующее устройство, описанное в упомянутой второй работе Балакирева М.В. и др. "Радиопередающие устройства", М.: Радио и связь, 1982, с. 123-124. Как уже отмечалось топологии делителя и сумматора этого устройства идентичны и реализованы в виде ГИС СВЧ на керамических подложках размера 60х24 мм. Каждый направленный ответвитель цепочечной схемы делителя и сумматора выполнен на встречно-штыревых структурах Ланге, что не позволяет обеспечить низкий процент брака готовых керамических узлов.

Задачей предлагаемого изобретения является создание высокоэффективного планарного сверхвысокочастотного разделительно-суммирующего устройства.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известное сверхвысокочастотное разделительно-суммирующее устройство, содержащее идентичные N-канальные делитель и сумматор мощности, выполненные в виде цепочечного соединения (N-1) направленных ответвителей с различными переходными затуханиями, где N = натуральное число более 2, 2 (N-I) балластных резисторов, N усилительных модулей, при этом выходы делителя и входы сумматора соединены усилительными модулями, балластные резисторы подключены к соответствующим зажимами направленных ответвителей, а вход делителя и выход сумматора служат соответственно входом и выходом разделительно-суммирующего устройства, дополнительно введены две одинаковые линии задержки, а направленные ответвители выполнены двухшлейфными, при этом одна линия задержки включена перед усилительным модулем наиболее удаленного, а другая линия задержки включена после усилительного модуля ближайшего ко входу устройства каналов.

На фиг. 1 изображена схема заявляемого разделительно-суммирующего устройства; на фиг. 2 - его конструкция для числа каналов N = 3.

Предлагаемое рездательно-суммирующее устройство содержит идентичные N-канальные делитель (ДЕЛ) и сумматор (СУМ) 1 мощности, выполненные в виде цепочечного соединения (N-1) двухшлейфных направленных ответвителей (НО) 2,3,4 с различными переходными затуханиями, где N - натуральное число. Вход 5 делителя (ДЕЛ) и выход 6 сумматора (СУМ) служат соответственно входом и выходом разделительно-суммирующего устройства. Балластные резисторы 7 подключены к соответствующим зажимам направленных ответвителей 2,3,4. Выходы делителя и входы сумматора соединены усилительными модулями (УМ) 8, которые идентичны. В качестве примера возможный вариант схемы модуля представлен на фиг. 1 для крайнего канала. Одна из двух одинаковых линий задержки 9 включена перед усилительным модулем наиболее удаленного, а другая - после усилительного модуля ближайшего ко входу 5 каналов. Сверхвысокочастотный возбудитель (В) 10 подключен ко входу 5, а полезная нагрузка 11 соединены с выходом 6 разделительно-суммирующего устройства, УМ 8 запитаны от источника коллекторного питания 12.

Принцип действия заявляемого сверхвысокочастотного разделительно-суммирующего устройства состоит в следующем.

Пусть ЭДС возбудителя 10 обозначена символом Ег, а его внутреннее сопротивление - Rг, величину нагрузки 11 обозначим Rн. Предполагается, что величина ЭДС Ег остается неизменной в полосе частот fН...fВ. Тогда ко входам УМ 8 будут приложены напряжения Ui, амплитуды и фазы которых определяются комплексными передаточными функциями tДi каждого канала делителя 1, где текущая нумерация i = 1,2,..., N каналов производится, начиная с наиболее удаленного от входа 5 канала: Ui =EгtДi, i= 1,2,..., N.

Эти передаточные функции рассчитываются в привлечением аппарата ориентированных графов по элементам (S11)m, (S12)m, (S13)m, (S14)m матриц рассеяния [S]m двухшлейфных направленных ответвителей: Переходные затухания ответвителей Cm различны и их величина в логарифмическом масштабе находится по формуле: Cm = 10 lg(m), дб, m 2 - целое число (2).

Числа m согласованы с позицией НО в цепочечном соединении. Так на фиг. 1 для ответвителя 2 число m принимает значение m = 2, так что соответствующее переходное затухание C2=10lg(2), = 3 дБ. Аналогично для направленного ответвителя с позицией 3:m=3 и C3=10lg(3)=4,77 дБ и т.д.

Напряжения Ui являются входными сигналами усилительных модулей 8 с коэффициентом G усиления напряжения. Тогда суммарное напряжение Uн на нагрузке 11 величиной Rн может быть найдено согласно принципа суперпозиции как сумма выходных напряжений УМ EгGtДi, умноженных на соответствующие коэффициенты передачи по напряжению каналов сумматора: т. к. вследствие идентичности делителя (ДЕЛ) и сумматора (СУМ) имеет место равенство: tii=tд(N+1-i).

Для суммирования без потерь сигналов усилителей на одной из частот рабочего диапазона fн...fв необходимо на этой частоте сфазировать соответствующие составляющие Uнi суммарного напряжения на нагрузке 11. В качестве такой частоты целесообразно выбрать центральную частоту fо=(fв+fн)/2 диапазона и совместить ее с центральной частотой рабочей полосы двухшлейфных направленных ответвителей. В этом случае будет обеспечиваться высокая направленность ((S14)m/(S12)m = , m = 2,3,...,N) и хорошее согласование ((S11)m 0) выходов каждого ответвителя и, следовательно, хорошее согласование входа 5 с внутренним сопротивлением Rг возбудителя и выхода 6 с нагрузкой величиной Rн, а также высокая развязка между каналами разделительно-суммирующего устройства. В тоже время фазочастотные характеристики (13)m= arg(S13)m; (14)m= arg(S14)m отдельных двухшлейфных направленных ответвителей таковы, что для фазирования составляющих Uнi необходимы две идентичные линии задержки 9, включенные перед усилительным модулем наиболее удаленного и после усилительного модуля ближайшего ко входу 5 каналов. В этом случае уровень суммарного напряжения Uн на нагрузке 11 разделительно-суммирующего устройства близок к максимально возможному и слабо изменяется в полосе частот fн...fв. При этом двухшлейные ответвители обеспечивают планарность топологии делителя и сумматора и не содержат навесных или объемных перемычек, способствуя достижению предельно возможных показателей надежности из-за отсутствия технологических операций сварки.

Расчет геометрических размеров W1m, W2m, m = 2,3,..., N отдельных четвертьволновых линий двухшлейфных ответвителей 2, 3, 4 производится традиционными методами, описанными в справочной литературе по конструированию СВЧ-узлов. При этом используются величины переходных затуханий Cm, рассчитанные согласно (2). Геометрическая длина линий задержки 9 определяется численными методами в рамках разработанного заявителем пакета IВМ-программ в зависимости от диапазона рабочих частот, плотности компоновки отдельных двухшлейфных ответвителей на керамических подложках и расположения согласующих цепей усилительных модулей на свободной части подложек. Так, например, был изготовлен по тонкопленочной технологии на керамике типа "Поликор" (r= 10) стандартных размеров образец заявляемого разделительно-суммирующего устройства на диапазон частот 1,9...2,1 ГГц. Волновое сопротивление тракта выбрано равным 50 Ом, поэтому геометрические размеры линий, указанные на фиг. 2, составили: (W1)2= 0,96 мм; (W2)2=1,56 мм; (W1)3=0,39 мм; (W2)3=1,36 мм. При этом электрическая длина линии задержки с волновым сопротивлением 50 Ом на центральной частоте 2 ГГц равна 196o. Конструктивно разделительно-суммирующее устройство реализовано на трех подложках 60х24 мм, причем на центральной подложке размещены усилительные модули, согласующие цепи которых условно на фиг. 2 не показаны. Стрелками отмечено лишь направление распространения СВЧ энергии в модулях. Смежные участки 50-омных микрополосковых линий соседних подложек соединены между собой навесными проволочными перемычками.

Результаты экспериментальных исследований изготовленного разделительно-суммирующего устройства свидетельствуют о его эффективности при суммировании сигналов усилительных модулей. Потери суммарной мощности в нагрузке за счет расфазирования сигналов в упомянутой полосе частот не превышали 6% при предельно высоких показателях надежности за счет планарности топологий делителя и сумматора устройства и отсутствия технологических операций сварки внутри отдельных направленных ответвителей.

Формула изобретения

Сверхвысокочастотное разделительно-суммирующее устройство, содержащее идентичные N-канальные делитель и сумматор мощности, выполненные в виде цепочечного соединения N-1 направленных ответвлений с различными переходными затуханиями, где N - натуральное число более 2,2(N-1) балластных резисторов, N усилительных модулей, при этом выходы делителя и входы сумматора соединены усилительными модулями, балластные резисторы подключены к соответствующим зажимам направленных ответвителей, а вход делителя и выход сумматора служат соответственно входом и выходом разделительно-суммирующего устройства, отличающееся тем, что в него дополнительно введены две одинаковые линии задержки, а направленные ответвители выполнены двухшлейфными, при этом одна линия задержки включена перед усилительным модулем наиболее удаленного, а другая линия задержки включена после усилительного модуля ближайшего ко входу устройства каналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2