ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2175810

ТРАНСФОРМИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

ТРАНСФОРМИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Имя изобретателя: Дегтярь Г.А.; Разинкин В.П.
Имя патентообладателя: Новосибирский государственный технический университет
Адрес для переписки: 630092, г.Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, НГТУ, проректору по научной работе В.И.Денисову
Дата начала действия патента: 1999.07.27

Изобретение относится к устройствам СВЧ и может быть использовано для трансформации нагрузок и согласования источников сигнала с различными внутренними сопротивлениями, а также в качестве межкаскадных согласующих цепей широкополосных транзисторных усилителей мощности. Трансформирующее устройство содержит отрезок линий передачи, включенный между трансформируемыми нагрузками, и короткозамкнутый шлейф, подключенный параллельно низкоомной нагрузке. Конденсатор, подключенный параллельно высокоомной нагрузке, обеспечивает настройку в резонанс на центральной частоте. Технический результат заключается в выполнении устройства широкополосным, по уровню КСВ= 1.2 полоса рабочих частот составляет порядка 30%, при этом размеры отрезков линий передачи могут быть значительно меньше четверти длины волны.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к устройствам СВЧ и может использоваться для согласования источников сигнала и произвольных нагрузок, а также при каскадном соединении CBЧ злементов, в том числе усилительных, имеющих различные входные и выходные импедансы. Необходимость обеспечения режима согласования обусловлена требованием максимальной передачи мощности от генератора к нагрузке.

Известны трансформирующие устройства лестничного типа на сосредоточенных и распределенных элементах [Каганов В.И. СВЧ полупроводниковые передатчики. -М. : Радио и связь, 1981, с. 49]. Основой этих устройств являются фильтры нижних частот и полосно-пропускающие фильтры [Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е. М.Т. Фильтры CВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Т. 2. - М.: Связь, 1972, с. 141] . Данные устройства обеспечивают любые значения коэффициента трансформации, однако для работы в широкой полосе частот требуют большого количества элементов, что затрудняет настройку и существенно увеличивает конструктивные габариты. Кроме того, высокая селективность этих структур, которая практически для трансформаторов не требуется, часто приводит к физически плохо реализуемым номиналам элементов.

Известны также трансформирующие устройства на отрезках линий передачи, входы которых с понижающей стороны соединены параллельно, а соответственно с повышающей стороны - последовательно [Лондон С.Е., Томашевич С.В. Справочник по высокочастотным трансформаторным устройствам. - М.: Радио и связь, 1984, с. 16]. При этом вторая и последующие линии передачи размещены на магнитопроводе из ферритового сердечника. Такие устройства работают в широкой полосе частот, однако на их основе реализуются лишь целочисленные значения коэффициентов трансформации. Кроме того, наличие магнитопровода является существенным конструктивным недостатком, ограничивающим применение этих устройств на больших мощностях СВЧ сигнала.

Наиболее близкое трансформирующее устройство, являющееся прототипом предлагаемого изобретения, описано в [Коротковолновые антенны. / Айзенберг Г.З. , Белоусов С.П., Журбенко Э.М. и др. Под ред. Айзенберга Г.З. - 2-е, перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985, с. 37]. Это трансформирующее устройство содержит последовательно соединенные четвертьволновые для средней частоты рабочего диапазона отрезки линий передачи. В простейшем случае трансформирующее устройство может быть выполнено в виде одного четвертьволнового отрезка линии передачи. Величина волнового сопротивления r отрезка линии передачи определяется соотношением



где R1, R2 - трансформируемые сопротивления.

Анализ частотных свойств четвертьволнового трансформирующего отрезка проведем с помощью уравнения для входного импеданса нагруженной линии передачи



где Q - электрическая длина отрезка линии передачи,

На центральной частоте рабочего диапазона четьвертьволновой отрезок имеет значение Q =90o.

По известному Z определяем входной коэффициент отражения



Далее находим коэффициент стоячей волны



Анализ частотных свойств прототипа (R1 = 50 Ом, R2 = 25 Ом) с помощью соотношений (1)-(3) показывает, что полоса рабочих частот по уровню КСВ=1,2 составляет около 20%, что явно недостаточно для многих практических случаев. Также недостатком прототипа является то, что в метровом диапазоне длин волн четвертьволновые отрезки линий передачи имеют значительные линейные размеры.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение полосы рабочих частот и уменьшение линейных размеров трансформирующего устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в известное трансформирующее устройство, содержащее отрезок линии передачи с волновым сопротивлением, равным



где R1 - высокоомная нагрузка, R2 - низкоомная нагрузка, между которыми он включен, дополнительно введены короткозамкнутый отрезок линии передачи, подключенный параллельно низкоомной нагрузке, и конденсатор, подключенный параллельно высокоомной нагрузке, емкость которого равна



где f0 - центральная частота рабочего диапазона, Q0- электрическая длина отрезков линий передачи на центральной частоте, при этом оба отрезка имеют одинаковую длину, а волновое сопротивление короткозамкнутого отрезка равно



электрическая принципиальная схема трансформирующего устройства Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где на фиг. 1 изображена электрическая принципиальная схема трансформирующего устройства, на фиг. 2 изображена эквивалентная схема распределенной части предлагаемого устройства, на фиг. 3 изображена параллельная схема представления входного импеданса распределенной части.

Предлагаемое трансформирующее устройство (фиг. 1) содержит высокоомную нагрузку 1, низкоомную нагрузку 2, отрезки линий передачи 3 и 4, конденсатор 5.

Отрезок линии передачи 3 включен между нагрузками 1 и 2. Отрезок линии передачи 4 выполнен в виде короткозамкнутого шлейфа и подключен параллельно низкоомной нагрузке 2. Конденсатор 5 подключен параллельно высокоомной нагрузке 1.

Трансформирующее устройство работает следующим образом.

Параллельно соединенные короткозамкнутый шлейф 4 и низкоомная нагрузка 2 трансформируются отрезком линии передачи 3 в комплексное сопротивление, представляющее собой параллельное соединение резистивной составляющей (Rвх) и реактивной составляющей (jЧXвх), как показано на фиг. 3.

При этом для указанных выше значений волновых сопротивлении отрезков 3 и 4 резистивная составляющая трансформированного импеданса Rвх является постоянной во всем частотном диапазоне и равной Rвх=R1. Постоянное значение резистивной составляющей трансформированного импеданса означает ее независимость от электрической длины отрезков линий передачи 3 и 4. Величина трансформированной реактивной составляющей определяется следующим соотношением



Из последнего соотношения видно, что при Q Ј90o реактивная составляющая носит индуктивный характер. Подключение параллельно высокоомной нагрузке конденсатора 5, величина которого равна



превращает трансформируемый импеданс в идеально настроенную нагрузку, обладающую большей полосой пропускания, чем трансформирующий отрезок линии передачи прототипа [Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Т. 2. - М.: Связь, 1972, с. 141, 157].

Последовательное включение нескольких предложенных трансформирующих устройств соответствует структуре полосно-пропускающего фильтра и обеспечивает в соответствии с соотношениями Боде-Фано широкополосность, близкую к предельной уже при включении двух или трех устройств.

В предлагаемом устройстве также обеспечивается значительный выигрыш в линейных размерах, так как длина отрезков линий передачи может быть существенно меньше l/4.

Строгий анализ работы предлагаемого трансформирующего устройства проведем с помощью известных уравнений для длинной линии. В соответствии с обозначениями, принятыми на фиг. 2, запишем следующие соотношения дня напряжений и токов:

U = U2ЧcosQ+jЧIHЧr1ЧsinQ; (4)



где IH = I1+I2, I2=U2/R2,

I1= U2/(jЧr2ЧtgQ)



Далее приводим соотношения (4) и (5) к виду



Если обеспечивается



(данное условие полностью эквивалентно приведенному выше соотношению)



то (6) можно записать в виде



Последние два соотношения показывают, что рассматриваемая эквивалентная схема обладает свойствами понижающего трансформатора на линиях передачи.

эквивалентная схема распределенной части предлагаемого устройства параллельная схема представления входного импеданса распределенной части.

Ток I является входным током со стороны источника U (фиг. 2). С учетом (7) и (8) получим



Входная проводимость схемы (фиг. 2) относительно источника сигнала U равна



Согласно последнему соотношению входное сопротивление данной схемы носит комплексный характер, резистивная составляющая которого в параллельной схеме представления (фиг. 3) не зависит от частоты сигнала, длины отрезков и равна

Rвх= r21/R2= R1.

Соответственно реактивная составляющая входного сопротивления равна



Подставив в это соотношение выражения для r1 и r2, получим



Для данных значений Rвх, Xвх и указанной емкости конденсатора С5 со стороны высокоомной нагрузки R1 обеспечивается режим идеально настроенной нагрузки, что обеспечивает расширение полосы рабочих частот.

Результаты компьютерного моделирования в среде Pspice частотных характеристик КСВ прототипа и предлагаемого трансформирующего устройства для R1 = 50 Ом, R2 = 25 Ом и Q0 = 90o приведены в таблице.

Таким образом, свойство идеально настроенной нагрузки (постоянство во всем частотном диапазоне резистивной составляющей входного импеданса) со стороны высокоомного выхода обеспечивает расширение полосы рабочих частот. Как следует из результатов, представленных в таблице, выигрыш в полосе рабочих частот по уровню КСВ=1.2 составляет 1.85. При неполном использовании выигрыша в полосе рабочих частот линейные размеры отрезков линии передач могут быть существенно уменьшены за счет выбора Q < 90o.

В заключение отметим, что предлагаемое устройство позволяет работать на больших уровнях мощности в широком диапазоне частот при любых целых и дробных значениях коэффициента трансформации. Наиболее удобно его реализовывать с помощью микрополосковых и коаксиальных линий передачи, при этом длина отрезков линий может быть выбрана произвольной и существенно меньше четверти длины волны. Это обстоятельство является особенно важным в нижней части метрового диапазона длин волн.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Трансформирующее устройство, содержащее первый отрезок линии передачи с волновым сопротивлением где R1 - высокоомная нагрузка, R2 - низкоомная нагрузка, между которыми он включен, второй короткозамкнутый отрезок линии передачи одинаковой длины с первым отрезком и подключенный параллельно низкоомной нагрузке, отличающееся тем, что в него дополнительно введен конденсатор, подключенный параллельно высокоомной нагрузке, емкость которого равна



где Q0 - электрическая длина каждого из отрезков линий передачи на центральной частоте рабочего диапазона fo,

при этом волновое сопротивление второго короткозамкнутого отрезка равно



а длина каждого из отрезков меньше либо равна четверти длины волны, соответствующей частоте fo.

Версия для печати


вверх