ЧАСТОТНО-РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1996 года по МПК H01P1/213 

Изобретение относится к радиотехнике, а более конкретно к технике сверхвысоких частот (СВЧ), и может быть использовано в приемных системах спутникового телевидения (СТВ), радиосвязи и измерительной технике преимущественно для разделения между пользователями сигнала первой промежуточной частоты в приемных системах СТВ.

Известно частотно-разделительное устройство, содержащее каскадно соединенные направленные ответвители (в частности, с разной центральной частотой) с общей первичной линией передачи, подключенной одним концом к входному плечу, а другим к оконечной согласованной нагрузке, вторичная линия передачи каждого направленного ответвителя подключена одним концом к нагрузке, а другим к оконечной согласованной нагрузке. Подключенные генераторы и нагрузки согласованы по импедансу в рабочем диапазоне частот [1]
Известно устройство для сложения сигналов разных частот, содержащее выходное плечо и оконечную согласованную нагрузку, подключенные к одной из пар развязанных плеч мостового устройства (в частности, тандема из двух направленных ответвителей), к другой паре развязанных плеч которого подключены два входных плеча. К выходному плечу подключена, например, нагрузка, а к входным два генератора частоты с цепями внешнего возбуждения. Подключенные генераторы и нагрузки согласованы по импедансу в рабочем диапазоне частот [2]
Известно устройство для сложения сигналов смежных частотных каналов, содержащее выходное плечо и оконечную согласованную нагрузку, подключенные к одной из пар развязанных плеч мостового устройства (в частности, на основе соединения четырех направленных ответвителей с помощью линии передачи), к другой паре развязанных плеч которого подключены два входных плеча. Подключенные генераторы и нагрузки согласованы по импедансу в рабочем диапазоне частот [3]
Известно частотно-разделительное устройство, содержащее входное плечо и оконечную согласованную нагрузку, подключенные к одной из пар развязанных плеч мостового устройства, к другой паре развязанных плеч которого подключены нагрузочные элементы с одинаковым и согласованным в рабочей полосе частот входным импедансом (каждый из нагрузочных элементов состоит, в частности, из частотно-фильтрующего устройства, соединенного с нагрузкой). В качестве частотно-фильтрующего устройства и нагрузки соответственно могут быть, например, полосовой фильтр и вся совокупность последующих СВЧ-устройств или же антенное устройство и воздушная среда [4]
Известно частотно-разделительное устройство, содержащее N последовательно соединенных каналов, каждый из которых выполнен в виде моста, к выходным развязанным плечам которого подключены полезные согласованные нагрузки через цепочки, включающие усилительно-фильтрующие элементы из последовательно соединенных первого полосового фильтра, настроенного на рабочую частоту, усилителя и второго полосового фильтра, настроенного на рабочую частоту. При этом свободное входное плечо первого моста является входом устройства, а свободное выходное плечо последнего моста подключено к балластной (оконечной согласованной) нагрузке [5]
Недостатками указанного устройства являются: во-первых, разделение сигнала осуществляется на малое количество полезных нагрузок (сигнал, соответствующий рабочей полосе частот канала, полностью проходит через первый полосовой фильтр и не поступает на дальнейшие каналы, и поэтому не может быть разделен ими; в частности, на полезных нагрузках разных каналов невозможно получить сигналы с одинаковыми или накладывающимися полосами частот); во-вторых, отраженная от нагрузок мощность сигнала полезно не используется (гасится в оконечной согласованной нагрузке); в-третьих, невозможность отключения части нагрузок без нарушения рабочих режимов оставшихся элементов устройства (тогда как, например, в приемных системах СТВ необходимо обеспечить возможность включения и отключения нагрузок-пользователей без ущерба для других нагрузок-пользователей); в-четвертых, нагрузки необходимо согласовывать по импедансу в точке подключения (тогда как, например, в приемных системах СТВ необходимо обеспечить возможность включения нагрузок-пользователей с преимущественно несогласованными входными импедансами).

Цель изобретения во-первых, увеличение количества полезных нагрузок; во-вторых, увеличение доли полезно используемой отраженной от нагрузок мощности сигнала; в-третьих, обеспечение возможности отключения части нагрузок без нарушения рабочих режимов оставшихся элементов устройства; в-четвертых, обеспечение работы с несогласованными нагрузками.

Это достигается за счет того, что в частотно-разделительном устройстве, содержащем N последовательно соединенных каналов, каждый из которых включает мост, подключенный выходными плечами к полезным нагрузкам через ячейки с равными входными импедансами из последовательно соединенных усилителя и полосового фильтра, при этом второе входное плечо моста предыдущего канала соединено с первым входным плечом моста последующего канала, первое входное плечо моста первого канала является входом устройства, а второе входное плечо моста последнего канала соединено с балластной нагрузкой, усилители в ячейках выполнены с несогласованным в рабочей полосе частот входным импедансом. Усилители ячеек могут быть выполнены с коэффициентом усиления, возрастающим от первого канала к последнему.

На фиг. 1 изображена обобщенная схема предложенного устройства; на фиг. 2 схема варианта реализации предложенного устройства; на фиг. 3 зависимость величины коэффициента усиления (К) усилителей от модуля коэффициента отражения от входа усилителей (Г) и порядкового номера канала (N) для случая равенства выделяемой в каждой полезной нагрузке выходной мощности входного сигнала.

Частотно-разделительное устройство (см. фиг. 1 и 2) содержит N последовательно соединенных (и включенных между входом 1, например, с 50-омным импедансом, и балластной нагрузкой 2, например, с 50-омным импедансом) каналов 3 (например, два канала (N=2), каждый из которых включает мост 4 (например, микрополосковый квадратный мост с центральной частотой 1,35 ГГц с 50-омным импедансом плеч), подключенный выходными плечами (т.е. плечами, соединенными с ячейками 5) к полезным нагрузкам 5 (например, наземная (не антенная) часть приемной системы СТВ) через ячейки 5 с равными входными импедансами. Каждая ячейка 5 содержит последовательно соединенные полосовой фильтр 7 (например, микрополосковый полосовой фильтр с центральной частотой, которая для фильтров первого канала выше центральной частоты моста, например, на 60 МГц для одного (левого) фильтра канала и на 30 МГц для другого (правого) фильтра, а для фильтров второго канала ниже центральной частоты моста, например, на 30 МГц для одного (левого) фильтра канала и на 60 МГц для другого (правого) фильтра (см. фиг. 2) и усилитель 8 (например, широкополосный однокаскадный усилитель с центральной частотой 1,35 ГГц на основе включенного по схеме с общим истоком полевого транзистора).

При этом второе входное плечо моста предыдущего канала соединено с первым входным плечом моста последующего канала, первое входное плечо моста первого канала является входом устройства 1, а второе входное плечо моста последнего канала соединено с балластной нагрузкой 2, причем введено выполнение усилителей 7 в ячейках 5 с несогласованным в рабочей полосе частот входным импедансом (например, модуль коэффициента отражения (от входа) для каждого усилителя Г 0,9). Усилители 7 ячеек 5 могут быть выполнены с коэффициентом усиления, возрастающим от первого канала к последнему (например, 3 дБ для обоих усилителей первого канала и 4 дБ для обоих усилителей второго канала). Закон изменения величины коэффициента усиления (К) усилителей может быть взят, например, из графика на фиг. 3, где дана зависимость величины коэффициента усиления (К) усилителей от модуля коэффициента отражения от входа усилителей (Г) и порядкового номера канала (N) для случая равенства выделяемой в каждой нагрузке выходной мощности входного сигнала.

При работе предложенного устройства поступившая во входное плечо 1 (см. фиг. 1 и 2) мощность СВЧ-сигнала (например, с центральной частотой 1,35 ГГц) мостом 4 первого канала делится пополам и подается на его ячейки 5 с одинаковым входным импедансом, где усиливается усилителем 8, частотно преобразуется полосовым фильтром 7 и подается на нагрузку 6. Отраженные (из-за несогласованности входных импедансов усилителей 8) сигналы равны по мощности (из-за равенства этих импедансов) и, следовательно, они складываются мостом 4 и подаются в последующий канал, работающий аналогично. Остаток мощности сигнала, выходящий из последнего канала, гасится балластной нагрузкой 2. Выделение в первых каналах более высокочастотных, чем в последних каналах, составляющих входного сигнала уравнивает потери из-за погонного (относительно длины волны) затухания в трактах предложенного устройства. Коммутация (включение/отключение) полезных нагрузок 6 производится в месте соединения нагрузок 6 с фильтрами 7 или в месте соединения фильтров 7 с усилителями 8.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве увеличено количество полезных нагрузок, так как благодаря несогласованности входного импеданса усилителей каналов сигнал не полностью проходит через первый канал, а, частично отражаясь, поступает и на дальнейшие каналы, где также разделяется ими. При этом в предложенном устройстве на полезные нагрузки разных каналов могут подаваться не только сигналы с разными полосами частот, но сигналы и с одинаковыми или накладывающимися полосами. Из графика на фиг. 3 следует, что с увеличением несогласованности в рабочей полосе частот входного импеданса усилителей снижается требуемый коэффициент усиления усилителей каналов, что, следовательно, увеличивает количество реализуемых каналов и полезных нагрузок. Например, при условии, что коэффициент усиления однокаскадного транзисторного усилителя не превышает 10 дБ и что модуль коэффициента отражения от входа усилителя Г 0,9, количество реализуемых каналов равно семи, а количество полезных нагрузок равно четырнадцати. Но так как в предложенном устройстве не требуется согласование импеданса на входе усилителя и к входным параметрам усилителя предъявляются требования лишь по стабильности коэффициента отражения от входа, что обеспечено обычным СВЧ-транзистором АП326А-2 без входных согласующих и входных частотно-корректирующих цепей, так как при изменении частоты от 2 до 4 ГГц модуль коэффициента отражения от входа транзистора изменяется лишь на 2% (от 0,96 до 0,94), то при выполнении усилителя узкополосным с увеличением его коэффициента усиления в пределах полосы пропускания фильтра, количество реализуемых каналов в итоге равно десяти, а полезных нагрузок двадцати.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве увеличена доля полезно используемой отраженной от нагрузок мощности сигнала, так как отраженная в одном канале мощность поступает в последующий канал и лишь остаток мощности сигнала, выходящий из последнего канала, гасится балластной нагрузкой. В качестве балластной нагрузки может быть использован не только резистивный элемент, но и любое согласованное по импедансу устройство, например контрольный блок приемной системы СТВ.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве обеспечена возможность отключения части нагрузок без нарушения рабочих режимов оставшихся элементов устройства, так как коэффициент отражения от входа, например, транзисторного усилителя в предложенном устройстве достаточно стабилен при изменении или отключении его выходной нагрузки.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве обеспечена работа с несогласованными нагрузками, так как изменением входного импеданса усилителя (выполняющего функции буферного каскада) при изменении выходной нагрузки усилителя для практических случаев можно пренебречь. При возникновении случайных паразитных колебаний в несогласованной нагрузке (например, при коммутации (включении/отключении) полезных нагрузок) указанные колебания не проникают во входное плечо и другие нагрузки предложенного устройства, так как усилитель выполняет функцию аттенюатора при обратном (с выхода на вход усилителя) прохождения сигнала.

Кроме того, в предложенном устройстве усилитель компенсирует уменьшение мощности при делении и, например, отдаваемая в каждую из четырех нагрузок предложенного устройства (см. фиг. 2) выходная мощность равна мощности входного сигнала, что, например, позволило снизить коэффициент усиления последующих каскадов приемных систем СТВ. При максимальном коэффициенте усиления усилителей предложенного устройства дополнительно снижается требуемый коэффициент усиления последующих каскадов приемных систем СТВ.

Частотная селективность предложенного устройства повышается, например, при, во-первых, реализации моста узкополосным и с центральной частотой, равной усредненной центральной частоте обоих фильтров канала и, во-вторых, при реализации усилителя узкополосным и с центральной частотой, равной центральной частоте соединенного с ним фильтра.

В предложенном устройстве не надо специально согласовывать входной импеданс усилителей (что является трудоемкой операцией), что, например, упрощает реализацию как предложенного устройства, так и наземной (не антенной) части приемной системы СТВ в целом.

Использование: в технике СВЧ. Сущность изобретения: частотно-разделительное устройство содержит N последовательно соединенных каналов, каждый из которых включает мост, подключенный выходными плечами к полезным нагрузкам через ячейки с равными входными импендансами из последовательно соединенных усилителя и полосового фильтра. Усилители в ячейках выполнены с несогласованным в рабочей полосе частот входным импендансом. Усилители ячеек могут быть выполнены с коэффициентом усиления, возрастающим от первого канала к последнему. 1 з. п. ф-лы. 3 ил.

1. ЧАСТОТНО-РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее N последовательно соединенных каналов, каждый из которых включает мост, подключенный выходными плечами к полезным нагрузкам через ячейки с равными входными импедансами из последовательно соединенных усилителя и полосового фильтра, при этом второе входное плечо моста предыдущего канала соединено с первым входным плечом моста последующего канала, первое входное плечо моста первого канала является входом устройства, а второе входное плечо моста последнего канала соединено с балластной нагрузкой, отличающееся тем, что усилители в ячейках выполнены с несогласованным в рабочей полосе частот входным импедансом. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что усилители ячеек выполнены с коэффициентом усиления, возрастающим от первого канала к последнему.