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:
- 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.
- Развязка входов. Входные порты должны быть изолированы друг от друга, чтобы выход из строя или рассогласование одного генератора не влияло на работу остальных.
- Минимальные потери. Суммарная мощность на выходе должна быть как можно ближе к сумме входных мощностей.
- 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:
- Составление матрицы рассеяния многополюсной схемы, удовлетворяющей условиям суммирования мощностей заданного числа генераторов.
- Определение топологии устройства, реализующей полученную матрицу.
- Расчёт параметров элементов (волновых сопротивлений отрезков линий, балластных резисторов).
- 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.