Самодельный делитель/сумматор на 1-30 МГц

15 июля 2020

Порой бывает нужно взять ВЧ сигнал и разделить его на два одинаковых сигнала меньшей мощности. Устройство, решающее эту задачу, называется делитель мощности (power splitter). Некоторые делители также могут быть использованы и для обратной задачи. Тогда говорят, что устройство играет роль сумматора (power combiner). Сегодня мы рассмотрим схему делителя/сумматора на частоты 1-30 МГц и проверим, как она работает на практике.

Теория

О схеме я впервые узнал из блога Tobias Wellnitz, DH1TW:

Схема делителя/сумматора на 1-30 МГц в LTspice

Давайте разберемся, как это работает.

Резисторы R2-R4 просто показывают, что вход и выходы имеют импеданс 50 Ом. В самом делителе их нет. Итого остается два трансформатора, L1-L3 и L4-L5, а также резистор R1. Для начала рассмотрим работу устройства в режиме делителя.

Первый трансформатор нужен для согласования импеданса. Источник имеет импеданс 50 Ом. Выходы также имеют импеданс 50 Ом, но они соединены параллельно. Как мы скоро убедимся, наличие на выходе L4-L5 и R1 ни на что не влияет. Таким образом, нужно согласовать 50 Ом в 25 Ом. Можно заметить, что L1-L3 является автотрансформатором с отношением числа витков первичной и вторичной обмотки 3:2. То есть, он согласует входные 50 Ом в 50*(2/3)2 или примерно 22.2 Ом. Это не ровно 25 Ом, но достаточно близко (КСВ 1.126, 0.35% потери мощности).

В обмотках L4-L5 текут одинаковые токи в противофазе. Их магнитные поля компенсируют друг друга, поэтому трансформатор ничего не делает. В силу симметрии цепи, на обоих концах R1 будет одинаковое напряжение. Значит, ток через него не потечет. Таким образом, входной сигнал был поровну разделен между двумя выходами. Делитель работает, как и положено делителю.

Для чего же тогда нужны трансформатор L4-L5 и резистор R1? А нужны они для изоляции портов out1 и out2, когда устройство используется, как сумматор. Допустим, сигнал подается на out1, а порты in и out2 нагружены на 50 Ом. Спрашивается, какой сигнал пойдет на out2?

Представим ненадолго, что точка out2 — это земля, и мы можем рассматривать L4-L5 как обычный трансформатор. Как мы выяснили выше, он нагружен примерно на 25 Ом. Поскольку L4-L5 является автотрансформатором с отношением числа витков первичной и вторичной обмотки 2:1, его входной импеданс составляет ~100 Ом. Значение R1 выбрано таким же не случайно. Теперь вспомним, что out2 на самом деле не является землей. Но для нас это не так важно, поскольку любое изменение импеданса L4-L5 влечет за собой точно такое же изменение импеданса R1. Для нас важно лишь то, что их импедансы равны.

Выходит, что току нет особой разницы, куда течь из точки out1, в L4-L5, или в R1, и он делится поровну. Что же мы увидим в точке out2? Какой-то ток потечет через R1. Через L4 ток потечет такой же. Заметьте, что L4-L5 намотан так, что с L5 на out2 ток придет в противофазе относительно тока через резистор R1. В итоге токи компенсируют друг друга, и через R4 никакой ток не пойдет.

Токи на out1 и выходе трансформатора L4-L5 равны. Но ток с трансформатора идет на нагрузку 25 Ом, в два раза меньше. Это означает, что в режиме сумматора мы теряем половину мощности, или 3 dB.

В качестве домашнего задания предлагаю вам поиграться с приведенной схемой в LTspice и убедиться, что она действительно работает так, как описано выше. Схему вы найдете в этом архиве.

Практика

Трансформаторы были намотаны эмалированной проволокой диаметром 0.6 мм на ферритовых кольцах FT82-61. Трансформатор L1-L3 мотается трифилярной обмоткой, а L4-L5 — бифилярной. Я мотал по 8 витков в каждом, это около 25 см проволоки (с запасом). Измеренная индуктивность катушек при этом составила 5.6 мкГн. Это значение я и использовал в модели. Резистор R1 был сделан из 20-и резисторов 0.25 Вт номиналами 2 кОм, соединенных параллельно. Точное сопротивление получилось 98.3 Ом. С помощью антенного анализатора я убедился, что резистор не проявляет реактивных свойств на частотах до 30 МГц.

Все это хозяйство было помещено в небольшой металлический корпус:

Самодельный делитель/сумматор на 1-30 МГц

Для проверки делителя был использован анализатор спектра:

Проверка делителя мощности с помощью анализатора спектра

Здесь сигнал следящего генератора был подан на порт in, а на скриншоте мы видим выход с out1. Порт out2 при этом был нагружен на 50 Ом. Видим, что сигнал делится между портами поровну (-3 dB) за минусом небольших потерь.

Выясним изоляцию портов out1 и out2:

Изоляция портов самодельного сумматора

В интересующем интервале частот в худшем случае видим -16.7 dB.

Также проверим КСВ в режиме делителя и сумматора:

Графики КСВ самодельного делителя/сумматора

В любом режиме КСВ не превышает 1.85 на всем интервале 1-30 МГц. То есть, в худшем случае отражается около 8% мощности.

Наконец, убедимся в работе сумматора при помощи генератора сигналов и осциллографа:

Тест сумматора при помощи осциллографа и генератора сигналов

Перед нами сумма меандра с частотой 1 МГц и синусоиды с частотой 7 МГц. Роботу устройства в режиме делителя таким образом тоже можно проверить. Но картинки при этом выходят скучные, поэтому здесь я их не привожу. Можно разве что убедится, что сигнал на out1 и out2 имеют одинаковую фазу, как это предсказывал LTspice.

Заключение

Описанный делитель/сумматор можно сделать за один вечер. Заинтересованным читателям предлагается повторить его на каких-нибудь других ферритовых кольцах и/или с другими числом витков, после чего поделиться результатами в комментариях.

Возможно, вас заинтересуют предыдущие статьи, в которых поднимались темы согласования импеданса, работы трансформаторов, и всякого такого:

А на этом у меня все. Как обычно, буду рад вашим вопросам и дополнениям.

Дополнение: Еще вас может заинтересовать статья Несколько способов сдвинуть фазу ВЧ сигнала, особенно описание квадратурного гибридного ответвителя из нее. См также Самодельный делитель/сумматор на частоты до 500 МГц на базе ADP-2-1W+ и Самодельный КСВ-мост и примеры его использования. Схема из последней статьи может быть использована в качестве делителя / сумматора 6 дБ. В заметке Безиндукционные резисторы и проекты на их основе приводится схема делителя / сумматора 6 дБ на резисторах.

Метки: , , .