Сложение вч мощностей сумматор

Разбираемся, как сумматор выполняет сложение ВЧ мощностей: схемы, типы, потери и практические советы. Всё просто и понятно — заходите и узнайте больше!

Бесплатная консультация юриста

+7 (800) 302-87-29

Реклама jurik.ru

В современной радиотехнике часто возникает задача объединения энергии нескольких источников высокочастотных (ВЧ) или сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний в одну нагрузку. Устройство, решающее эту задачу, называется сумматором мощности. Обратная задача, разделение мощности одного источника между несколькими нагрузками — решается с помощью делителя мощности (сплиттера). Благодаря взаимности многие схемы могут работать в обоих направлениях.

Назначение и области применения

Основное назначение сумматоров мощности — объединение энергии из нескольких каналов в один. Такие устройства широко применяются в:

  • системах суммирования мощностей полупроводниковых и ламповых СВЧ-генераторов;
  • передатчиках, где требуемая выходная мощность превышает возможности одного усилительного модуля;
  • активных фазированных антенных решётках (АФАР);
  • измерительной аппаратуре, аттенюаторах, фазовращателях;
  • антенных системах, где один сигнал нужно распределить между несколькими приёмниками (режим делителя).

Основные требования к сумматору

Качественный сумматор ВЧ-мощностей должен удовлетворять ряду условий:

  1. Согласование. Все порты устройства должны быть согласованы с характеристическим сопротивлением линий (обычно 50 Ом). Выход передатчика 50 Ом должен соединяться с кабелем 50 Ом и таким же входом антенны, только тогда потери энергии минимальны. То же справедливо и для сумматоров: входное и выходное сопротивления должны быть максимально согласованы.
  2. Развязка входов. Входные порты должны быть изолированы друг от друга, чтобы выход из строя или рассогласование одного генератора не влияло на работу остальных.
  3. Минимальные потери. Суммарная мощность на выходе должна быть как можно ближе к сумме входных мощностей.
  4. Равномерность. При делении мощности сигналы на выходах должны быть равны по амплитуде и иметь заданные фазовые соотношения.

Теоретический анализ: матрица рассеяния

Анализ работы мостовых и многополюсных сумматоров чаще всего выполняется методами матричной алгебры, прежде всего с помощью матрицы рассеяния (S-матрицы), которая наиболее полно отражает реальные условия работы СВЧ-устройств. Классический подход к синтезу сумматора включает несколько этапов:

  1. Составление матрицы рассеяния многополюсной схемы, удовлетворяющей условиям суммирования мощностей заданного числа генераторов.
  2. Определение топологии устройства, реализующей полученную матрицу.
  3. Расчёт параметров элементов (волновых сопротивлений отрезков линий, балластных резисторов).
  4. Проверка развязки портов и согласования в рабочей полосе частот.

Основные типы сумматоров

Резистивный сумматор

Простейшая схема, построенная на резисторах. Обеспечивает согласование и развязку в широкой полосе, но вносит значительные потери (для двухканального сумматора — не менее 6 дБ). Применяется там, где потери некритичны, например в измерительных цепях.

Сумматор Уилкинсона

Наиболее распространённая схема на отрезках линий длиной λ/4 и балластном резисторе. Обеспечивает хорошую развязку входов (20 дБ и более), малые потери (теоретически 3 дБ при делении на два канала — это не потери, а закономерное распределение энергии) и хорошее согласование. Широко используется в микрополосковом исполнении.

Мостовые (гибридные) сумматоры

Кольцевые мосты, синфазно-противофазные гибриды, направленные ответвители на 3 дБ. Позволяют складывать мощности сигналов с определёнными фазовыми соотношениями (0°/180° или 90°). Применяются в мощных передатчиках и балансных усилителях.

Волноводные сумматоры

Используются на СВЧ при больших уровнях мощности, например для объединения выходов магнетронов. Конструктивно выполняются в виде волноводных тройников, мостов и специальных многополюсных устройств.

Принципы сложения: токи и напряжения

По принципу действия схемы сложения можно разделить на две группы:

  • Сложение токов — источники включаются параллельно; суммарный ток в нагрузке равен сумме токов источников;
  • Сложение напряжений — источники включаются последовательно (или через трансформаторные схемы), напряжения складываются.

В обоих случаях при согласованном включении N одинаковых синфазных источников мощность в нагрузке возрастает в N² раз по сравнению с мощностью одного источника на ту же нагрузку, что соответствует суммированию мощностей при правильном согласовании импедансов.

Синфазность и синхронизация генераторов

Критически важным условием эффективного сложения является синфазность складываемых сигналов. При работе с независимыми генераторами применяют схемы взаимной синхронизации: характер ВЧ-огибающей и спектрограммы сигналов при этом соответствуют синхронному либо несинхронному режиму. Синхронный режим обеспечивает максимальную эффективность суммирования и перспективен для построения многоканальных сумматоров высокого и сверхвысокого уровня мощности.

Конструктивное исполнение

Примером может служить симметричный сумматор с развязкой входов между собой: благодаря полной симметрии схемы относительно выхода такое устройство может использоваться и как сплиттер (делитель мощности) для подключения нескольких радиоприёмников к одной антенне. В микрополосковом исполнении сумматоры изготавливаются на высокочастотных ламинатах, в волноводном — методами прецизионной механической обработки.

Сумматоры ВЧ- и СВЧ-мощностей — неотъемлемый элемент современных радиотехнических систем, от усилителей и передатчиков до АФАР и измерительной аппаратуры. Ключ к их эффективной работе, строгое согласование импедансов, развязка портов, синфазность складываемых сигналов и корректный теоретический расчёт на основе матрицы рассеяния. Правильно спроектированный сумматор позволяет объединять мощности практически без потерь и масштабировать системы до требуемого уровня выходной мощности.