Задача суммирования трех высокочастотных (ВЧ) сигналов возникает при проектировании антенных решеток, тестировании приемников (например, по ГОСТ на помехоустойчивость), в системах распределения сигналов и при работе с измерительной аппаратурой. Выбор метода суммирования критически зависит от требований к развязке между входами, коэффициенту стоячей волны (КСВ), вставным потерям и рабочему диапазону частот.

Основные подходы к суммированию

Существует три принципиально разных способа сложения сигналов в ВЧ тракте:

• Резистивный (баллистический) сумматор — простой, широкополосный, но с высокими потерями (6 дБ на каждый вход при 3 входах) и отсутствием развязки.
• Активный сумматор (на операционных усилителях/транзисторах), обеспечивает усиление и развязку, но вносит шум, нелинейности и требует питания.
• Реактивный (безпотерьный) сумматор / Устройство Уилкинсона, минимальные потери, хорошая развязка, но узкополосный и сложный в расчете/изготовлении для N > 2 входов.

Резистивный сумматор на 3 входа: классическая схема «Звезда»

Это наиболее частое решение для измерительных задач, когда требуется простое сложение сигналов от нескольких генераторов без строгих требований к развязке между ними. Обсуждение на профильном форуме (тема от г. *, 2015 г.) подтвердило актуальность именно этого подхода для диапазона 150–160 МГц.

Топология и расчет резисторов

Схема представляет собой звездообразное соединение трех резисторов. Центральные контакты трех разъемов (вход 1, вход 2, вход 3) подключаются к резисторам номиналом R, свободные концы которых соединяються в одной точке (узле суммирования). Экраны (земли) разъемов соединяются вместе и с корпусом. Выходной сигнал снимается с центральной точки звезды (или через четвертый разъем, подключенный к этой точке).

Расчет номинала резистора R для системы 50 Ом (3 входа):

При симметричном включении сопротивление, в которое смотрит каждый генератор, должно составлять 50 Ом. Параллельное соединение двух резисторов остальных веток дает R/2. Уравнение согласования:

R + (R || R) = 50 Ом
R + R/2 = 50
1.5 * R = 50
R = 33.33 Ом

Важное уточнение из практики: В исходном обсуждении участник * упоминал резисторы 17 Ом. Это верно для схемы, где выход также согласован на 50 Ом (4-портовая схема: 3 входа + 1 выход), и все 4 порта выглядят в 50 Ом. В этом случае схема представляет собой «крест» из 4 резисторов 16.7 Ом (или 17 Ом ближайший ряд E24), где центральный узел не выводится наружу, а являеться внутренним узлом.

• Схема «3 входа, общая точка = выход» (3 порта): R = 33 Ом (ближайший 33 Ом или 30.1 Ом 1%). Потери вставки: ~9.5 дБ (сигнал делится на 3).
• Схема «3 входа + 1 выход» (4 порта, все 50 Ом): 4 резистора 16.7 Ом (17 Ом) в звезде. Потери вставки вход-выход: 6 дБ (напряжение делится пополам: делитель 17 Ом / (17+17+17||17) ≈ 0.5).

Особенности реализации для 150–160 МГц

На частотах 150–160 МГц (длина волны ~2 м) паразитные индуктивности выводов резисторов и емкости монтажа играют меньшую роль, чем в СВЧ диапазоне, однако для обеспечения КСВ < 1.3 (требование из обсуждения) необходимо:

1. Использовать пленочные или тонкопленочные резисторы (SMD 0805/1206 или выводные неиндуктивные) мощностью не менее 0.25–0.5 Вт (для импульсных сигналов — с запасом).
2. Минимизировать длину выводов: монтаж «вверх ногами» (dead bug) на медной пластине или внутри корпуса разъема.
3. Обеспечить качественное экранирование: корпус должен быть металлическим, разъемы — плотно прижаты к стенке.

Готовые промышленные решения (Mini-Circuits и аналоги)

В обсуждении модератор * привел линейку сумматоров Mini-Circuits, которые являются реактивными (на трансформаторах/линиях задержки) и обеспечивают развязку > 19 дБ:

• ZFRSC-123 — 2 входа, 0–12000 МГц.
• ZF3RSC-542, 3 входа, 0–5400 МГц.
• ZFRSC-4-842 — 4 входа, 0–8400 МГц.

Все в металлических корпусах, разъемы SMA (F), 50 Ом. Важно: Это направленные сумматоры (Power Combiners) с развязкой. Они не подходят для задачи «просто сложить сигналы без развязки» (например, для имитации суммарного помехи на входе приемника), так как при когерентных сигналах на входах они будут гасить друг друга на внутренних резисторах развязки, выдавая несумму, а результат векторного сложения с учетом фаз. Для чистого суммирования без развязки нужен именно резистивный вариант.

Конструктивное исполнение «на коленке» и для полевых условий

Если готовый прибор не нужен, а требуется надежный прибор для поля (как просил автор темы *), рекомендуется следующий алгоритм изготовления:

Выбор корпуса и разъемов

• Корпус: Алюминиевый/стальной штампованный или литой корпус типа Hammond, Bud Industries или отечественный (серия КР, ИП). Размер — минимум 60x60x30 мм для 3-х N-разъемов.
• Разъемы: N-тип (панельные, фланцевые) — для полевой работы и мощностей до 100–200 Вт. SMA — для лаборатории и низких мощностей. BNC — до 1–2 ГГц, менее надежны механически.

Монтажная плата и сборка

1. Изготовить небольшую печатную плату (текстолит/стеклотекстолит 1.5 мм, медь с двух сторон) под размеры внутренней полости корпуса.
2. Разместить 3 (или 4) панельных разъема на одной стенке платы/корпуса.
3. Центральные контакты разъемов соединить резисторами по схеме «звезда» в центре платы. Точка звезды — максимально компактная (диаметр 2–3 мм).
4. Нижний слой платы — сплошная земля, припаянная к корпусу по периметру (или через контактирующие прокладки/винты).
5. Экраны разъемов, жесткое припаяние к меди платы и корпусу.

Подбор резисторов (BOM)

Активные сумматоры: когда нужны усиление и развязка

Если суммируемые сигналы слабые, или требуется высокая развязка между генераторами (чтобы настройка одного не влияла на другой), применяют активные сумматоры на широкополосных операционных усилителях (ОУ) или MMIC-усилителях.

• Схема: Инвертирующий сумматор на быстром ОУ (например, AD8000, OPA695, THS3201 — полоса до 100–500 МГц) или каскад на MMIC (ERA-3, GALI-74, PHA-1).
• Плюсы: Коэффициент передачи > 1 (усиление), высокая развязка входов (задается выходным сопротивлением ОУ/усилителя), низкий КСВ на входах (виртуальная земля).
• Минусы: Добавка шума (NF 3–6 дБ), нелинейность (IP3), необходимость питания ±5В / +5В, ограничение полосы сверху.

Реактивные сумматоры (Уилкинсон, корпоративные линии)

Для антенных фардаев и высокоэффективных трактов. Для 3 входов используется каскадное соединение: два входа суммируются в первый Уилкинсон (2-х входовый), его выход и третий вход — во второй Уилкинсон.

• Недостаток: Асимметрия по фазе/амплитуде между входами (пути разной длины). Требуется фазокоррекция линиями задержки.
• Полоса: Обычно октавная или दशковая (например, 140–170 МГц).
• Расчет: Линии Z = 50 * sqrt(2) ≈ 70.7 Ом для делителя 2:1. Резистор развязки 100 Ом.

Измерение и верификация собранного сумматора

После сборки резистивного сумматора (особенно «самодельного») обязательны замеры:

1. КСВ (S11, S22, S33) на всех портах через ВЧ-анализатор (VNA). Цель: < 1.3 в диапазоне 150–160 МГц. Пики КСВ указывают на паразитные индуктивности/емкости или неточность номиналов.
2. Коэффициент передачи (S21, S31, S41). Должен быть близок к расчетному (-6 дБ для 4-портовой схемы 17 Ом). Разброс между входами < 0.1–0.2 дБ говорит о симметрии.
3. Развязка между входами (S21 между входами). Для резистивной схемы она равна коэффициенту передачи (~ -6 дБ). Это норма. Если нужна развязка > 20 дБ — резистивная схема не подходит.
4. Проверка на мощности: Подать сигнал от генератора (например, 10–20 Вт импульсный/непрерывный) и контролировать нагрев резисторов и корпуса термопарой или ИК-пирометром.

Чек-лист для закупки компонентов (Резюме)

• Резисторы: 4 шт. 17 Ом 1% 0.5Вт 1206/2010 Thin Film (например, Vishay CRCW, Susumu, KOA) — для схемы 3 входа + выход 50 Ом. ИЛИ 3 шт. 33 Ом, для схемы «сумма в точке».
• Разъемы: 3–4 шт. N-тип (фланец, панель), Amphenol, Rosenberger, отечественные (СПб, *).
• Корпус: Алюминиевый экструдированный или штампованный, IP54/IP65 для поля.
• Плата: Двухслойная, FR-4 1.5мм, химическое золото/HAL, минимальные зазоры.
• Прокладки/Герметики: Проволочная/проволокополимерная прокладка EMI для крышки корпуса.

Для задачи суммирования 3 сигналов в диапазоне 150–160 МГц с требованием КСВ < 1.3 и механической надежностью оптимальным решением является резистивный сумматор схемы «звезда» на 4 резисторах 17 Ом (для 4-х портовой согласованной схемы). Он обеспечивает идеальную широкополосность, линейность, отсутствие межмодуляции и простоту воспроизводства. Главные условия успеха: качественные неиндуктивные резисторы 1%, компактная симметричная компоновка «точка-точка» или на мини-ПП и надежное экранирование в металлическом корпусе с панельными N-разъемами. Готовые реактивные сумматоры (Mini-Circuits ZF3RSC) подходят только если требуется развязка входов, что меняет физику процесса суммирования.

Статья подготовлена на основе обсуждения технического сообщества * (electronix.ru) и справочных данных по ВЧ-компонентам. Актуально на .