РАЗРАБОТКА И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНО-СУММИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ПЕРЕДАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА S-ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ

Боловин А.А.; Гурьева П.В.; Конов К.И.; Новожеева А.А.

РАЗРАБОТКА И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНО-СУММИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ПЕРЕДАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА 8-ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ

Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», г. Москва

Проведено проектирование, и электродинамическое моделирование направленных ответвителей волноводного делителя 1 : 16. С учетом результатов электродинамического моделирования проведена корректировка геометрическии направленных ответвителей с целью обеспечения равноамплитудног оделения мощности. Электродинамическое моделирование проведено в программе Ansoft Ш^.

Ключевые слова: распределительно-суммирующая система, СВЧ, крестообразный направленный ответвитель.

Введение

Реализована распределительно-суммирующая система, предназначенная для использования в составе твердотельного передающего устройства 8-диапазона частот. Распределительно-суммирующая система выполнена с достаточным запасом электрической прочности.

Основная часть

Исходя из условий приемлемой технической и конструктивной реализации, делитель и сумматор мощности системы выполнены идентично на базе волноводной схемы с последовательно включенными с эквидистантным шагом шестнадцатью направленными ответвителями. В балансных плечах делителя и сумматора мощности расположены поглощающие СВЧ-нагрузки. Одним из основных достоинств распределительно-суммирующей системы, построенной на базе последовательной схемы, является то, что при любом количестве вышедших из строя усилителей мощности импульсов, а также независимо от величин амплитудных и фазовых ошибок системы в любую из 16 -ти поглощающих нагрузок сумматора не поступит мощ-

1 Бакалавр.

2 Студент.

ность превышающая значение выходной мощности одного усилителя (в отличие от систем, реализованных на базе параллельных и параллельно-последовательных схем) [1].

На выходах и входах делителя и сумматора мощности расположены волноводно-коаксиальные переходы, предназначенные для обеспечения сопряжения с помощью радиочастотных кабелей с коаксиальными входами и выходами усилителей мощности импульсов. Наличие волноводно-коакси-альных переходов в конструкции дополнительно дает возможность компенсации фазовых ошибок (вносимых за счет радиочастотных кабелей и разброса переходных ослаблений направленных ответвителей) при включении волноводных вставок определенной длины в разрыв между фланцами вол-новодно-коаксиальных переходов и соответствующих выходов и входов делителя и сумматора.

Исходя из условий удобства конструктивного построения, а также возможности реализации характеристик устройства, удовлетворяющих заданным техническим требованиям в схему внесены оконечные балансные нагрузки. Их применение объясняется тем, что без их использования возникнут сложности в конструктивной реализации последнего (первого) выхода (входа) делителя (сумматора) мощности в конструкции потребуется наличие дополнительных Н-уголков и фазирующих вставок, а также в обеспечении необходимого переходного ослабления на этом выходе (входе) в рабочем диапазоне частот [2].

Для обеспечения возможности подключения к сумматору мощности волноводного тракта стандартного сечения 72*34 мм на его выходе установлен одноступенчатый волноводный переход.

Расчеты

Для равенства амплитуд сигналов на выходах делителя, НО имеют переходные ослабления, вычисленные в выражении 1, где Сп - переходное ослабление п-го направленного ответвителя, Р - мощность, поступающая на вход делителя, Ротв - мощность на выходах каждого НО, п - номер НО.

Таким образом, рассчитав по формуле 1 переходные ослабления, и опираясь на описание устройства мы получаем схему представленную на рис. 2.

При проектировании данной схемы на практике, должна получиться распределительно-суммирующая система с равномерным распределением амплитуды. Фазу в данном устройстве можно скорректировать до нужных значений путем добавления волноводных вставок определенных размеров.

144 УПРАВЛЕНИЕ ИННОВАЦИЯМИ: ТЕОРИЯ, МЕТОДОЛОГИЯ, ПРАКТИКА

иииииииииииииии

«я

:ла6ление, дБ/

12,304 12,041 11,761 1 1,461 1 1,139 10,792 10,414 10 9,542 9,031 8,451 7,782 6,99 6,021 4,771 3,01

I I I I I I I I I I I I I I I

Усилители мощности.

ослабление, дБ/'

I I I I I I I I I I I I I I I I

□ □□□□□□□□□□□□□□

3,01 4,771 6,021 6,99 7,782 8,451 9,031 9,542 10 10,414 10,792 1 1,139 1 1,461 11,761 12,041 12,304

^ H H I H В H H У H

Делитель

нагрузка

Рис. 1. Схема устройства РСС

Модель направленных ответвителей на основе перпендикулярного соединения двух волноводов по широкой стенке с крестами в роли отверстий связи. Данные ответвители обладают рядом преимуществ:

1. Рабочая полоса частот не менее 20 %.

2. Динамический диапазон изменения переходных ослаблений не менее 40 дБ.

3. Направленность не менее 25 дБ

4. Возможность реализации переходного ослабления до 3 дБ.

5. Удобство сборки НО в последовательную схему с заданным шагом.

Электродинамическое моделирование

Исходя из выбранных размеров были построены модели первого и последнего направленных ответвителей.

Электродинамический анализ данных моделей выявил некоторые расхождения с расчетными значениями переходных ослаблений. Неточности в данных расчетах основаны на отсутствии в математической модели закруглений на концах крестообразных направленных ответвителей. В ходе электродинамического моделирования данные закругления необходимо добавить в силу того, что на этапе конструирования направленных ответвителей в стенках волновода они будут вырезаться на станке, который не сумеет обеспечить прямоугольные окончания.

Проведена коррекция размеров направленных ответвителей. В результате коррекции было решено изменить геометрию отверстий последнего направленного ответвителя, а также размеры остальных отверстий связи. По-

следний направленный ответвитель имеет гантелеобразную форму на окончаниях крестов. Измененная геометрия отверстий данного направленного ответвителя позволила улучшить характеристики переходного ослабления до значения в приблизительно 3 дБ [3].

Сумматор мощности в распределительно -суммирующей системе идентичен делителю мощности и в системе подключается к делителю зеркально.

Коэффициент стоячей волны по напряжению в делителе не превышает значения 1.23 на выходах системы во всем заданном диапазоне. На входе значение КСВН составляет 1.03.

Достигнуто равноамплитудное распределение на всех выходах делителя. ответвление мощности на каждом выходе составляет приблизительно 12 дБ.

Выводы

1. При работе всех 16-ти усилительных модулей мощность, поглощаемая нагрузками сумматора, составляет 6 %;

2. Поглощаемая мощность распределена по нагрузкам неравномерно. Максимальная теоретическая выходная мощность сумматора составляет 94 % от суммарной мощности усилительных модулей.

3. Математический расчет геометрических размеров, дает лишь приблизительные результаты для построения направленных ответвителей по переходным ослаблениям. Для определения точных размеров направленных ответвителей требуется коррекция проведенных расчетов.

4. Переходное ослабление направленного ответвителя напрямую зависит от размеров НО.

5. Откорректированные модели ДМ и СМ с высокой степенью вероятности обеспечат возможность их практической реализации с характеристиками, удовлетворяющими заданным техническим требованиям.

6. Значения фаз на выходах ДМ и СМ возможно откорректировать путем добавления фазировочных вставок.

7. СМ имеет необходимый запас по электрической прочности при работе на сложение 16-ти УМИ с выходной импульсной мощностью порядка 800 Вт.

Список литературы:

1. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. - М.: Советское радио, 1967.

2. Сосунов В.А., Шибаев А.А. Направленные ответвители сверхвысоких частот. - Саратов: Приволжское книжное издание, 1964.

3. Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.Н. Устройства СВЧ и антенны. - М.: Радиотехника, 2006.