ВЧ-сумматор (объединитель мощности) с двумя входами и одним выходом — это ключевой компонент в радиотехнических трактах, предназначенный для когерентного или некогерентного сложения сигналов от двух источников в одну нагрузку. Устройство должно обеспечивать согласование импедансов (обычно 50 Ом) на всех портах и высокую изоляцию между входными портами, чтобы предотвратить взаимное влияние источников сигнала.

Фундаментальный принцип: Реципрочность делителей и сумматоров

Как указывается в справочной литературе и подтверждается практикой, ВЧ-сумматоры мощности и ВЧ-разветвители (делители) являются одними и теми же устройствами с точки зрения схемотехники. Разница заключается исключительно в направлении распространения мощности:

• Режим разветвителя: Мощность подается на один входной порт и равномерно (или в заданном отношении) распределяется между двумя выходными портами.
• Режим сумматора (объединителя): Мощность подается на два входных порта и суммируется на едином выходном порту.

Это свойство реципрочности справедливо для пассивных линейных схем (резистивных, трансформаторных, на линиях передач — Вилкинсон, микрополосковые). Однако при использовании в режиме сумматора критически важна фазовая когерентность входных сигналов для получения максимальной выходной мощности.

Основные типы схем ВЧ-сумматоров 2×1

Резистивные сумматоры (на сосцепительных резисторах)

Простейшая схема, реализуемая на трех резисторах (звезда или дельта). Часто используется в измерительной технике и НЧ/ВЧ диапазонах до десятков МГц.

Принцип работы:

Сигналы с входов In1 и In2 через резисторы R1 и R2 подаются на общую точку, выход Out. Третий резистор R3 соединяет эту точку с землей (или выполняется схема «дельта» между тремя портами).

Особенности:

• Широкополосность: Ограничена только паразитными емкостями и индуктивностями резисторов (работает от постоянного тока до ВЧ/СВЧ).
• Потери: Фундаментальные потери вставки составляют 6 дБ (мощность делится пополам на резисторах и нагрузке).
• Изоляция: Обеспечивается резисторами, но зависит от их точности.
• Согласование: Обеспечивается при выборе номиналов R = Z0/3 (для схемы «звезда» с Z0=50 Ом резисторы ~16.7 Ом).

Пример из практики (1–30 МГц): В описании самодельного делителя/сумматора на 1-30 МГц (по материалам DH1TW) упоминается, что резисторы на входах/выходах просто показывают наличие импеданса 50 Ом, а сама схема представляет собой классическую резистивную решетку.

Трансформаторные сумматоры (на ферритовых кольцах)

Наиболее популярны в КВ/КВ диапазонах (1.8–30 МГц) у радиолюбителей для объединения антенн или выходов трансиверов/усилителей.

Конструктивная схема (классическая «Ruthroff» или «Guanella» 1:4 / 1:2):

1. Используются два идентичных трансформатора (часто на двух ферритовых кольцах).
2. Первичные обмотки подключаются к входам (антеннам) последовательно или параллельно.
3. Вторичные обмотки соединяются в точке выхода к кабелю 50 Ом.
4. Ключевой момент: Входное сопротивление каждого входа — 50 Ом, выходное — 25 Ом (при параллельном соединении двух 50-омных источников).

Необходимость согласующего трансформатора:

Поскольку сумматор выдает импеданс ~25 Ом, для подключения к стандартному кабелю 50 Ом требуется трансформатор согласования 25 Ом → 50 Ом (коэффициент 1:2 по напряжению, 1:4 по импедансу).

По данным конструкций для КВ диапазона (Сервер радиолюбителей Прикарпатья, 2015): рабочие сумматоры показывают КСВ по входам 1.2, что считается отличным результатом. Даже КСВ 1.5 оценивается как очень хорошее.

Питание через кабель (Bias-T):

Во многих конструкциях (например, сумматоры антенные с предусилителями) питание 12 В постоянным током подается по кабелю снижения через развязывающий фильтр (дроссель/конденсатор), установленный во внешнем выпрямителе/блоке питания.

Сумматоры на операционных усилителях (ОУ) — Активные сумматоры

Применяются в НЧ/Низкочастотном ВЧ диапазоне (до сотен МГц на быстрых ОУ), в измерительных приборах, медицинской технике, обработке сигналов.

Классическая схема «Инвертирующий сумматор»:

Входные сигналы через резисторы R1, R2 подаются на инвертирующий вход ОУ. Обратная связь через резистор R_ос.

Формула выходного напряжения:

U_out = ⎯ (R_ос/R1 * U1 + R_ос/R2 * U2)

Режим «Простой сумматор» (единичное усиление):

Если R_ос = R1 = R2, то на выходе получается инвертированная сумма входных напряжений: U_out = -(U1 + U2).

Преимущества:

• Низкое выходное сопротивление (благодаря ООС).
• Виртуальная земля на входе, входы не влияют друг на друга (высокая изоляция).
• Возможность усиления или аттенюации каждого канала отдельно.

Недостатки:

• Ограниченная полоса пропускания (ГПЗ ОУ).
• Внесение собственного шума и нелинейных искажений.
• Требуется питание (двухполярное или однополярное со смещением).

Микрополосковые и волноводные сумматоры (ВЧ/СВЧ)

На частотах выше 1 ГГц используются распределенные структуры:

• Сумматор Вилкинсона (Wilkinson): Два входа через λ/4 трансформаторы (Z = 70.7 Ом для системы 50 Ом) сходятся в точке, соединенной резистором 100 Ом (изоляция). Обеспечивает низкие потери и хорошую изоляцию в узкой полосе.
• Гибридные кольца (Rat-race) и ветвистые линии (Branch-line): Обеспечивают суммирование с определенным фасовым соотношением (0° или 180°).
• Микрополосковые комбинаторы: Используются в антенных решетках и фазированных антеннах.

Критические параметры и требования к схеме

Изоляция между входами (Isolation)

Это главный параметр качества сумматора. Низкая изоляция приводит к тому, что сигнал с Входа 1 уходит в Вход 2 (и наоборот), вызывая:

• Межмодуляционные искажения (ИМИ) в выходных каскадах передатчиков/усилителей.
• Нарушение фазового баланса.
• Паразитную генерацию в активных нагрузках.

Требование: Изоляция не менее 20–30 дБ (для резистивных/трансформаторных) и 30+ дБ (для Вилкинсона/гибридов).

Фазовая когерентность

Для сложения мощностей (а не просто напряжений) сигналы на входах должны быть фазово согласованы (когерентны).

• В фазе (0°): Мощности складываются: P_out = P1 + P2 (идеально +3 дБ к одному входу).
• В противофазе (180°): Сигналы гасятся на выходе (мощность уходит на резистор изоляции/баланса).
• Случайная фаза: Средняя выходная мощность = P1 + P2, но с глубокими провалами (фэйдинг).

Согласование (VSWR / КСВ)

Все три порта должны быть согласованы с волном 50 Ом (или 75 Ом). Плохое согласование на выходе приводит к отраженной волне, которая распределяется по входам.

Практическая реализация «Своими руками» (DIY): Ключевые моменты

Выбор феррита для КВ/КВ диапазона

• Материалы: Type 43 (Fair-Rite) — оптимален для 1–30 МГц (смесь MnZn).
• Материалы: Type 31 / 61 — для более высоких частот (до 100–200 МГц).
• Размеры колец: FT140-43, FT240-43 (в зависимости от мощности).

Обмотка

• Провод: ПЭЛ, ПЭВ, МГТФ сечением по току (для приема — 0.3–0.5 мм, для передачи 100Вт+, 1.0–1.5 мм).
• Количество витков: Рассчитывается по индуктивности (AL феррита). Реактивность обмотки X_L должна быть > 4-5 раз Z0 (50 Ом) на нижней частоте. Для 1.8 МГц на FT140-43 нужно ~10-12 витков для 50 Ом линии.
• Схема «бифиляр» или «трифиляр» обмотка критически важна для подавления общемодовых токов и обеспечения симметрии.

Корпус и разъемы

• Металлический корпус (экран) — обязателен для экранирования.
• Разъемы: N-type, SO-239 (UHF), BNC (в зависимости от частоты и мощности).
• Пробки для герметичности (если уличная установка).

Защита от статики и молний

На входах (антенных) рекомендуется ставить газоразрядники (GDT) или варисторы на корпус, а также высоковольтные конденсаторы развязки (если нет гальванической развязки по постоянному току).

Сравнительная таблица типов сумматоров

Типичные ошибки при проектировании и монтаже

1. Игнорирование согласования 25→50 Ом: Прямое подключение двух 50-омных кабелей к входу 50 Ом без трансформатора дает КСВ ~2.0 на входах и потерю мощности.
2. Недостаточная индуктивность обмоток: На нижних частотах (160м, 80м) трансформатор «проглатывает» сигнал, КСВ уходит за шкалу.
3. Плохая изоляция входов: При объединении двух передатчиков без изоляции (или с плохой) происходит «подкачка» каскадов, ИМИ и выход из строя транзисторов.
4. Общие модовые токи: Отсутствие балюнов (дросселей общемодовых зажиманий) на входах/выходе приводит к излучению кабеля питания/снижения и изменению диаграммы направленности антенны.
5. Перегрев феррита: При мощностях > 100-200 Вт (в зависимости от кольца) феррит насыщается и нагревается, параметры резко ухудшаются.

Выбор схемы ВЧ-сумматора 2 входа / 1 выход диктуется задачей:

• Для широкополосного приема/измерений» в НЧ/ВЧ — идеален резистивный (простота, идеальная АЧХ, цена — 6 дБ потерь).
• Для КВ-передачи/приема (антенны, малая мощность) — оптимален трансформаторный на феррите с последующим согласующим трансформатором 25/50 Ом (высокий КПД, компактность).
• Для приборования, датчиков, НЧ/СВЧ обработки — активный на ОУ (гибкость, изоляция, усиление).
• Для СВЧ/Радиолокация/5G — только распределенные (микрополосковые) структуры типа Вилкинсона или гибридные кольца.

При самостоятельном изготовлении (DIY) для КВ диапазона наибольший успех дает тщательно просчитанный и обмотанный двухкольцевой ферритовый трансформатор (схема Guanella/Ruthroff) с обязательным выходным согласующим трансформатором 1:4 (25→50 Ом) и качественной экранировкой в металлическом корпусе.

Статья подготовлена на основе обобщения справочных данных по микросхемам (К155ИМ1/ИМ2/ИМ3 как примеры цифровых сумматоров), теории операционных усилителей, практики построения КВ-сумматоров (DH1TW, радиолюбительские конструкции) и теории микроволновых комбинаторов. Дата актуализации: .