Кабельный сумматор Вилкинсона

Точное согласование всех портов только стандартными кабелями 50 и 75 Ом без применения дополнительных элементов

Возникла задача сложить мощность от двух передающих модулей 145 МГц в общую нагрузку. Обычно для этой цели используют сумматор Вилкинсона, который не только складывает мощность, но и развязывает модули один от другого (что весьма полезно, например, при проблемах в одном из модулей).

Устроен такой сумматор очень просто: выходное сопротивление (50 Ом) каждого из модулей трансформируется в 100 Ом чем-нибудь подходящим (например, λ/4 трансформатором). А потом два получившихся 100 oмных выхода просто соединяются параллельно, давая в результате 50 Ом. Ну и еще для развязки между входами 50 Ом включается резистор 100 Ом (при штатной работе на нем ничего не выделяется, а при аварии одного из модулей может выделится до трети мощности одного модуля).

В общем, сумматор Вилкинсона вещь старая, проверенная, хорошая.

Но дьявол кроется в мелочах, коих на практике вылезает немало. Основная проблема: чем трансформировать выходное сопротивление каждого из модулей 50 Ом в 100 Ом?

Решений этой проблемы известно три:

Использовать трансформирующий П-контур на LC элементах. Такой сумматор рассчитывает например RFSim99. Пример расчета показан на следующем скриншоте рис.1.

Рис.1.
Достигается точное согласование обоих входов и выхода. Но нужны три точных конденсатора на высокую реактивную мощность. Скорее всего, конструктивные и\или подстроечные. Что сложно конструктивно и недешево.
Второе решение выглядит совсем простым: в качестве трансформаторов используются отрезки λ/4 коаксиального кабеля. Но и это решение на практике оказывается с проблемами.

Если использовать отрезки стандартного 75-омного кабеля (первый рисунок по этой ссылке), то они трансформируют 50 Ом не в 100, а в 112 Ом. Что при параллельном соединении дает 56 Ом и КСВ = 1,12. На КВ такой КСВ вполне приемлем, но на УКВ лишние потери от рассогласования нам совсем ни к чему. Не меняет ситуации и просто параллельное соединение 50-омных кабелей с последующей трансформацией λ/4 отрезком двух параллельно включенных кабелей по 75 Ом (третий рисунок по этой ссылке).

Для точной трансформации 50 Ом в 100 Ом λ/4 отрезок кабеля должен иметь волновое сопротивление 70,7 Ом. Таких стандартных кабелей нет. Поэтому радиолюбители изготавливают такие линии самостоятельно: от воздушного коаксиала на алюминиевых трубках, до снятия оплетки с обычного коаксиала и изменения толщины его внутренней изоляции. Простыми эти способы не назовешь.
Третье решение является модификацией предыдущего: используются стандартный кабель 75 Ом, но его длина выбирается несколько меньше λ/4. Так, чтобы активная часть импеданса составляла бы точно 100 Ом, а реактивная убирается последовательным конденсатором. Такой сумматор рассчитывает GAL-ANA. Скриншот показан на рис. 2.

Рис.2.
Достигается точное согласование. Но опять требуются два конструктивных и\или подстроенных конденсатора (хотя и на меньшие реактивную мощность и напряжение, чем в первом решении, т.к. их импеданс ниже), что опять же неудобно.

А можно ли трансформировать 50 Ом в 100 Ом только стандартными кабелями 75 Ом и 50 Ом? Да. Такое решение давно известно и используется на КВ. Пример показан на следующем скришоте рис. 3:

Рис.3.

Обеспечивается точное согласование без дополнительных элементов. Только отрезками стандартных кабелей.

Использовав такое согласование в сумматоре Вилкинсона, мы получаем схему приведенную на следующем скриншоте (катушки по 2 нГн имитируют индуктивности монтажа, которыми на УКВ пренебрегать нельзя, соответственно скорректированы длины линий). Файл модели в формате RFSim99.

Рис.4.

Характеристики коэффициента передачи и отражения от входа показаны на рис. 5. Полоса по уровню КСВ<1,1 составляет 20 МГц, что прощает небольшие погрешности изготовления.

Рис.5.

Такой сумматор использован для сложения мощности двух модулей 145 МГц. Места соединений кабелей изолированы фторопластовой лентой (внутренняя изоляция на нее потом натягиваются и спаиваются оплетки)и термоусаживающимися трубками (внешняя). От правых (по схеме рис.4) портов 50 Ом к местам установки модулей идут кабели произвольной (но одинаковой длины).

Эту же схему можно использовать для создания стека из двух одинаковых антенн по 50 Ом. Резистор при этом не требуется, т.к. антенны стека, в отличие от транзисторов модулей, не горят при неисправности второго плеча, поэтому развязка не обязательна.

03.04.2019

На главную - Main page