Суммирование нескольких сигналов сверхвысокой частоты (ВЧ‚ VHF — 30–300 МГц) — типичная задача в радиосвязи‚ радиолокации‚ телевещании и измерительной технике. Главная сложность заключается в необходимости сохранить целостность формы сигнала‚ обеспечить согласование импедансов и минимизировать потери и межмодуляционные искажения. В этой статье подробно разбираются основные методы суммирования трех ВЧ-сигналов.

Основные подходы к суммированию

Выбор метода зависит от того‚ являются ли сигналы коherentными (имеют фиксированную фазовую связь‚ одинаковую частоту) или некоherentными (разные частоты‚ независимые фазы)‚ а также от требований к изоляции между входами.

Резистивные сумматоры (на резисторах)

Самый простой и дешевый способ для некоherentных сигналов.

• Принцип: Три входа соединяются через резисторы (обычно 50 Ом или 75 Ом в зависимости от волнового сопротивления линии) в общую точку‚ которая идет на нагрузку.
• Схема: «Звезда» из трех резисторов номиналом R = Z₀ × (N-1)‚ где Z₀, волновое сопротивление системы (50 Ом)‚ N — число входов (3). Для трех входов резисторы должны быть 100 Ом.
• Потери: Теоретические потери вставки составляют 9.54 дБ (коэффициент деления 3).
• Изоляция: Обеспечивается только резисторами (около 6 дБ между входами).
• Полоса пропускания: Очень широкая (ограничена только паразитными емкостями/индуктивностями корпусов резисторов)‚ легко покрывает весь ВЧ-диапазон и выше.
• Применение: Измерительные стенды‚ комбинирование сигналов от разных источников для анализа спектра‚ тестирование приемников.

Трансформаторные сумматоры (на ферритовых кольцах/стержнях)

Классическое решение для ВЧ-диапазона‚ обеспечивающее гальваническую развязку и хорошее согласование.

• Принцип: Использование трансформатора с несколькими первичными обмотками (по одной на вход) и одной вторичной. Или каскад двухтрансформаторных сумматоров.
• Типовая схема на тороиде: На ферритовое кольцо (материал типа MnZn для нижнего ВЧ или NiZn для верхнего ВЧ) наматывается 3 первичные обмотки (по 1-2 витка) и 1 вторичная. Для согласования 50 Ом часто используют трансформаторы с отношением витков 1:1 или 1:√3.
• Преимущества: Гальваническая развязка входов‚ возможность согласования разных импедансов‚ низкие потери (0.5–1.5 дБ)‚ хорошая изоляция между входами (20–30 дБ).
• Недостатки: Ограниченная полоса пропускания (обычно октава или декада)‚ нелинейность на высоких мощностях (насыщение феррита)‚ фазовые неравенства между входами.
• Важно: Для суммирования 3 сигналов часто проще каскадировать два сумматора на 2 входа (сначала суммируем 1+2‚ потом результат с 3)‚ используя стандартные RF-трансформаторы типа Ruthroff или Guanella (балюны).

Реактивные сумматоры (на катушках индуктивности и конденсаторах, LC-сети)

Используются для узкополосных задач (одна фиксированная частота или узкий диапазон).

• Схема «Pi» или «T»: Расчет элементов производится для согласования 50 Ом на входе и выходе при параллельном соединении трех веток.
• Кварцевые/керамические резонаторы: Могут служить элементами фильтрации и суммирования одновременно.
• Применение: Входные тракты приемников‚ фильтры-плексеры для комбинирования сигналов на конкретных частотах (например‚ суммирование трех ТВ-каналов).

Активные сумматоры (на операционных усилителях / транзисторах)

Необходимы‚ если требуется усиление суммарного сигнала или компенсация потерь пассивных сумматоров.

• Схема: Операционный усилитель в режиме инвертирующего сумматора (виртуальная земля) или неинвертирующего с буфером на каждом входе.
• Требования к ОУ: Полоса пропускания (GBW) должна быть в 10-100 раз выше верхней частоты ВЧ-диапазона (например‚ для 300 МГц нужен ОУ с GBW > 3-5 ГГц). Подходят специализированные RF-операционники (AD8000‚ OPA656‚ LMH6702) или каскады на биполярных/МОП транзисторах (BFR92A‚ BFU725F).
• Питание: Требует источников питания‚ вносит собственный шум и нелинейность (IP3).
• Применение: Приемные цепи‚ генераторы сигналов‚ измерительная техника.

Волноводные / Линейные сумматоры (Wilkinson‚ Gysel‚ Branch-line)

Профессиональное решение для высоких мощностей и строгих требований к изоляции.

• Распределитель Уилкинсона (Wilkinson Divider) в обратном режиме: Классический делитель на 2 входа. Для 3 входов используют каскад (1→2‚ потом сумма с 3) или специализированные N-путевые делители (N-way Wilkinson).
• N-путевой Уилкинсон (N=3): Требует резисторов изоляции в форме «звезды» или «треугольника» между выходами делителя (входами сумматора). Обеспечивает идеальное согласование на всех портах и высокую изоляцию (>20 дБ) на центральной частоте.
• Реализация ВЧ: Печатные линии на диэлектрике (FR-4‚ Rogers RO4350B) длиной λ/4. На частотах 100-300 МГц размеры становятся большими (длина линии 15-50 см)‚ поэтому часто используют лumped-элементы (катушки/конденсаторы) вместо линий λ/4.

Пошаговый алгоритм выбора и расчета

1. Определите тип сигналов:
   • Коherentные (одна частота‚ фазы важны) → Нужна фазовая согласованность‚ активные сумматоры или точные реактивные/трансформаторные с калибровкой.
   • Некоherentные (разные частоты) → Подходят резистивные‚ трансформаторные‚ Уилкинсон.
2. Оцените мощность:
   • Малые сигналы (до 0 дБм / 1 мВт) → Любой метод‚ активные предпочтительны для усиления.
   • Средние (до 1-2 Вт) → Трансформаторные на ферритах‚ печатные Уилкинки.
   • Высокие (десятки Вт и выше) → Только реактивные (LC)‚ волноводные‚ кавитетные фильтры/плексеры. Ферриты насыщаются.
3. Требования к изоляции между входами:
   • Не критично (6-10 дБ) → Резистивный.
   • Хорошая (20-30 дБ) → Трансформаторный‚ Уилкинсон.
   • Очень высокая (>40 дБ) → Только фильтры-плексеры (если частоты разные) или активные с буферными усилителями на входах.
4. Полоса частот:
   • Широполосная (весь ВЧ 30-300 МГц) → Резистивный или качественный трансформаторный на NiZn феррите (например‚ Fair-Rite 43 или 61 material).
   • Узкополосная → LC‚ Уилкинковский на лumped-элементах‚ керамические фильтры.

Практический пример: Сборка широкополосного сумматора на 3 входа (DIY)

Для задач радиолюбителя или лаборатории (прием‚ измерения‚ малая мощность) оптимальным сочетанием цены/качества является каскад двух трансформаторных сумматоров на 2 входа.

Необходимые компоненты:

• 2 ферритовых кольца: FT50-43 (Fair-Rite #2643803802) или аналогичные (Amidon FT-50-43), рабочий диапазон 1-300 МГц.
• Провод МГТФ 0.3-0.5 мм (перегородка 50 Ом).
• 3 SMA-разъема (входы) + 1 SMA (выход).
• Металлический корпус (экранирование обязательно).
• SMD-резисторы 100 Ом 0.5-1 Вт (для резистивной альтернативы), не нужны для трансформаторного варианта.

Схема наматывания (на один сумматор 2-в-1):

1. На кольцо наматывается бифилярная (две провода вместе) обмотка: 3-4 витка двух проводов одновременно. Это создает линии задержки / балюны типа Guanella.
2. Начало провода 1, Вход 1. Начало провода 2, Вход 2.
3. Концы обоих проводов паяются вместе — это Общий выход (сумма).
4. Экраны разъемов входов и выхода соединяются с корпусом и между собой (общая земля).

Каскадирование для 3 входов:

Собираем два таких модуля в одном корпусе.

• Модуль 1: Вход 1 (Сигнал А) + Вход 2 (Сигнал Б) → Выход Суммы АБ.
• Модуль 2: Вход 1 (Сумма АБ) + Вход 2 (Сигнал В) → Общий Выход (А+Б+В).

Результат: Потери ~1-2 дБ на каскад (итого 2-4 дБ)‚ изоляция между входами 20-25 дБ‚ полоса 2-300 МГц. Согласование VSWR < 1.3:1.

Типичные ошибки и нюансы

Инструментарий для отладки

• Векторный анализатор цепей (VNA): Необходим для измерения S-параметров: S11‚ S22‚ S33 (согласование на входах/выходе)‚ S21‚ S31‚ S41 (потери вставки)‚ S23‚ S24‚ S34 (изоляция между входами).
• Спектральный анализатор + Генератор: Для проверки нелинейности (IMD)‚ шумового коэффициента (NF) и пропускной способности.
• Ваттметр / Вольтметр ВЧ: Для проверки мощности на выходе при суммировании высокоуровневых сигналов.

Суммирование трех сигналов в ВЧ-диапазоне не имеет универсального «лучшего» решения.

• Для лабораторных измерений и приема — идеален резистивный сумматор (простота‚ ширина полосы) или трансформаторный на феррите NiZn (лучшая изоляция‚ низкие потери).
• Для передающих трактов средней мощности — каскад трансформаторных сумматоров или печатный N-путевой Уилкинсон.
• Для высоких мощностей и мультиплексирования — только кавитетные фильтры/плексеры (если частоты разные) или фазированные антенные решетки (если коherentные).
• Если нужен выходной уровень выше входного — только активный сумматор на широкополосном RF-усилителе.

При проектировании всегда начинайте с расчета бюджета потерь‚ изоляции и линейности. Прототипирование на макетной плате с последующим измерением на VNA, обязательный этап перед изготовлением печатной платы или монтажом в корпус.

Статья подготовлена в ознакомительных целях. При работе с РЧ-оборудованием соблюдайте меры безопасности и требования регулятора по использованию радиочастот (в РФ — ГРЧЦ‚ ФСС). Контакты специалистов по РЧ-проектированию: * (скрыто по правилам конфиденциальности).