УНИВЕРСАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ОБЪЕДИНЕНИЯ НЕКОГЕРЕНТНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК H01P1/213 

Изобретение относится к радиотехнике ВЧ- и СВЧ-диапазонов, может быть использовано в антенно-волноводной и измерительной технике.

Известны схемы объединения сигналов двух или более передатчиков (Справочник по спутниковой связи и вещанию. /Под ред. Л.Я. Кантора. М. Радио и связь, с. 1983-288 ), которые применяются в тех случаях, когда разнос между их несущими частотами не позволяет осуществить частотно-селективный принцип уплотнения АФТ. Избирательное мультиплексирование неприемлемо, если спектры сигналов расположены близко (невозможно построить полосовые фильтры с достаточной крутизной АЧХ и малыми потерями) или перекрываются, а также при отсутствии фиксаций несущих передатчиков (положение сигналов на частотной оси изменяется во времени, зависит от расписания частот, применяется адаптивная передача со случайными несущими), что выливается в невыполнимые требования к характеристикам перестраиваемых фильтров по динамическому диапазону при сохранении полосы пропускания и по сложности схемы управления.

При наличии данных условий мультиплексоры создают на базе мостовых устройств с учетом особенностей АЧХ используемых направляющих систем. Именно таким образом работают упомянутые выше фазоразностная и амплитудно-разностная схемы объединения различных частот в общий АФТ. Фазоразностное устройство основано на дисперсии фазовой постоянной распространения волны в линии передачи и может быть реализовано до разноса сигналов передатчиков, составляющего не менее 1% от средней частоты их несущих.

Амплитудно-разностное устройство основано на законе постоянного дифференциального фазового сдвига отраженных и прошедших волн в симметричном взаимном реактивном узле без потерь и источников: разность фаз между волной, отраженной от реактивной неоднородности направляющей системы и прошедшей через нее, составляет всегда 90^o (Семенов Н.А Техническая электродинамика. Учебное пособие для ВУЗов. М. Связь, с. 1973-480 ). Данная схема может быть реализована до разноса сигналов передатчиков, составляющего не более 1% от средней частоты их несущих, т.к. при больших разносах и обычно используемых при этом широкополосных сигналах создаются трудности для синтеза полуотражающей структуры, которая должна сохранять определенные АЧХ и ФЧХ для всех частот спектра сигналов. К недостаткам амплитудно-разностного способа объединения следует отнести сложность расчета и настройки или перестройки этих устройств, отметим и то, что это усугубляется из-за появления большого числа пар неоднородностей в линии передачи на участке полуотражающей структуры с уменьшением разноса, которое приводит еще и к росту потерь. Подробное описание этой схемы можно найти в указанной литературе.

Отсюда следует сделать вывод: в случаях, когда разнос между несущими частотами сигналов оказывается любым, необходимо наличие обоих разностных устройств объединения (в зависимости от разноса используется либо одна, либо другая схема) или их комбинация, когда с общим АФТ соединены более чем два передатчика. Такой способ уплотнения АФТ технологически невыгоден и неудобен, т.к. требует присутствия в тракте дополнительных коммутационных устройств или значительно усложняет перестройку комбинационной схемы без условия фиксации несущих частот, учитывая, что методики перенастройки фазоразностного и амплитудно-разностного устройств несколько отличаются.

Рассмотрим работу фазоразностной схемы объединения частот (фиг. 1). Проделаем это на примере волноводного тракта. Она состоит из волноводных мостов 1' ( в данном случае ВЩМ I и II), связанных между собой двумя неодинаковыми отрезками волноводной линии передачи 3'. Длина любого из них подобрана таким образом, чтобы разность фаз между его входом и выходом на частоте одного из объединяемых сигналов была 0^o, а на частоте второго сигнала 180^o, при фазировке сигналов на входе и выходе другого. К плечам первого моста (1 и 2 для I) подключаются передатчики. Одно из плеч второго моста (3 для II) соединяются с общим трактом. Другое его плечо (4 для II) нагружается на согласованную балластную нагрузку 4'. Исходя из свойств мостовых устройств, получаем следующее. Сигналы на частотах f₁ и f₂, поступающие на разные входы (1 и 2) моста I, делятся между его выходами 3 и 4 на две равные по амплитуде составляющие. При этом если сдвиг фаз по входных плечах 1 и 2 следующего моста II между составляющими сигнала f₁, прошедшего с одного из входных плеч (1) предыдущего моста I, равен Ф (в данном случае с ВЩМ Ф=90^o), то сдвиг фаз между составляющими сигнала f₂, прошедшего со второго входного плеча 2 предыдущего моста I, составляет Ф+180^o. Этот сдвиг компенсируется фазовым набегом, получаемым за счет различной длины отрезков 3' между парами (3-1 и 4-2) выходов и входов мостов I и II.

Таким образом, во втором мосте (II) соотношение фаз составляющих обоих сигналов одинаково, и они оба переходят в одно и то же плечо 3 моста II, к которому подключен общий волноводный АФТ. Однако разные длины волноводных линий, связывающих оба моста I и II, обеспечивают фазовую синхронизацию (дифференциальный межчастотный сдвиг на входе одного из плеч (2 для II) равный 180^o) только на средних частотах мультиплексируемых сигналов. При отклонении от этих частот фазовый набег становится отличным от 180^o. Поэтому в пределах рабочих полос передатчиков часть мощности сигналов поступает в балластную нагрузку 4'. К этому необходимо добавить потери за счет затухания энергии в стенках волновода.

Для объединения в общем тракте сигналов нескольких передатчиков строятся многоступенчатые фазоразностные схемы.

Третий ВЩМ (III) с подвижными короткозамыкателями 2' служит в схеме, изображенной на фиг. 1, для выбора центральных частот объединяемых сигналов и подстройки разноса между ними. Смещение короткозамыкателей приводит к изменению длины фазокомпенсирующего отрезка, которая регулирует разнос между несущими частотами.

Фазоразностные устройства, как и амплитудно-разностные, широко применяются для ЧУ волноводных трактов сигналами нескольких мощных передатчиков в отечественных станциях спутниковой связи и относятся к классу безрезонаторных схем объединения сигналов различных частот. Они обладают высокой электрической прочностью, малыми потерями, слабыми искажениями ФЧХ и высоким согласованием с АФТ или выходами передатчиков. В зависимости от числа передаваемых сигналов, разноса между несущими частотами и ширины полосы каждого для их объединения пользуются одной из разностных схем либо их совмещением.

Недостатком фазоразностного способа суммирования некогерентных сигналов являются трудности, возникающие при объединении близких по рабочим частотам передатчиков. Расчеты показывают, что при некогерентном сложении, например в диапазоне 6 ГГц, с разносом частот Δf = 100 МГц длина компенсирующего отрезка волновода между гибридными соединениями (ВЩМ) оказывается около 1,08 м, если Δf ≈ 25 МГц, то длина ≈4,5 м, соответственно при Δf ≲ 10 МГц она должна быть приблизительно 10 м и более. Естественным при таких значительных размерах устройства является наличие потерь из-за затухания в фазирующем волноводе, которое в свою очередь приводит к появлению амплитудного дисбаланса между половинными составляющими сигналов на входе оконечного гибридного соединения и недопустимому увеличению части мощности сигналов, выделяющейся на балластной нагрузке.

Фазорасностные схемы обеспечивают приемлемые АЧХ при некогерентном сложении сигналов с разносом по частоте до 100 МГц. При объединении сигналов с меньшим разносом, например 50 МГц, потери на краях рабочей полосы передатчиков (±17 МГц ) составят недопустимо большое значение (1,4 дБ). Поэтому в таких случаях применяют устройства, выполненные по амплитудно-разностной схеме.

Однако амплитудно-разностных принцип суммирования некогерентных частот, как и фазорасностный в том виде, в котором он обычно реализуется, не допускают объединения близко расположенных сигналов с соответствующими разносу полосами, расстояние между центральными частотами которых составляет менее 0,2% от средней частоты их несущих. Причина этого невозможность синтеза на практике сложной полуотражающей структуры, которая служит основным узлом амплитудно-разностной схемы. При малом разносе сигналов для обеспечения требуемых форм АЧХ и ФЧХ данного узла необходимо, чтобы в него входило большое число пар неоднородностей. С ростом количества неоднородностей значительно увеличиваются габариты устройства и затухание. Кроме того, это вызывает сильную чувствительность схемы к точности их установки в волноводе и критичность к расстоянию между ними, что выливается в возможность накопления фазовой ошибки, искажающей ФЧХ, а следовательно АЧХ, и в трудность подстройки.

Изобретение преследует следующие цели:
1. Создание устройства объединения некогерентных сигналов, которое с одинаковым успехом суммирует их с любым (малым или большим) разносом.

2. Разработка на базе такой универсальной схемы устройства суммирования в общий тракт очень близких частот (разнос меньше 0,2% от средней частоты несущих передатчиков), которое позволяло бы с разумными потерями складывать некогерентные сигналы с соответствующими разносу полосами.

Поставленные цели достигаются тем, что в фазоразностном устройстве участок линии дисперсионной фазировки 3' между выходом 4 и входом 2 гибридных соединений I и II (мостов 1') (фиг. 1) удаляется и заменяется на объемный резонатор 4', работающий как реактивная нагрузка одного из плеч (3 - промежуточного) Y-циркулятора II (3'), включенного посредством плеч 1 и 2 вместо этого участка в полученный разрыв (4-2) выход-вход этих мостов (фиг.2). Для амплитудного симметрирования данной схемы и задания правильных начальных фаз (без резонатора с закороченным плечом 3 циркулятора II) двух равных составляющих сигналов в другой смежный разрыв (3-1) выход-вход гибридных соединений 1' также устанавливается Y-циркулятор (I), но нагруженный на подвижный короткозамыкатель 2'(фиг. 2).

Положение короткозамыкателя подбирается так, чтобы при закороченном промежуточном плече циркулятора II в тракте фазовой синхронизации на выходах 3 и 4 последнего моста II присутствовали сигналы половинной мощности обеих объединяемых частот. При этом во входных плечах 1 и 2 указанного гибридного соединения составляющие частоты f₁ находятся в фазе, а составляющие частоты f₂ в противофазе (или наоборот). В таком случае (фиг.2), если нагрузить этот F-циркулятор режекторным резонатором 4' с резонансной частотой f₀ (f₁+f₂)/2, оба сигнала перейдут в одно из выходных плеч ВЩМ (3 для II), подключенное к общему АФТ. Как известно, любой контур (резонатор) с достаточной точностью в некоторой полосе частот до резонанса физически эквивалентен одному из интегральных элементов (емкости или индуктивности), входящих в него, а в некоторой полосе после резонанса - другому. Отсюда при отражении от резонатора сигнала с несущей частотой f₁<f₀ он получает дополнительный фазовый сдвиг 90^o+180^o, а сигнал с несущей f₂>f₀ приобретает фазовый сдвиг 90^o (или наоборот). Дифференциальная разность фаз между сигналами в канале синхронизации оказывается равной 180^o, именно это условие должно выполняться для их объединения в одном из выходных плеч последнего ВЩМ. Y-циркулятор II нужен для задания направления распространения сигналов, т.к. с точки зрения резонатора отраженные волны движутся навстречу падающим.

Разноc между складываемыми некогерентными частотами зависит от полосы режекции резонатора, которая в свою очередь определяется собственной и нагруженной добротностями. Чем больше собственная добротность резонатора и слабее связь с передающей линией, тем больше его нагруженная добротность. Увеличение нагруженности добротности вызывает сужение полосы режекции, что дает возможность сохранить требуемые для некогерентного суммирования АЧХ и ФЧХ канала фазировки при очень малых разносах частот, не внося значительной амплитудной асимметрии из-за неравномерности затухания в соединяющих мосты трактах.

Если средняя частота несущих сигналов постоянна, а она является центральной частотой полосы режекции резонатора, то минимальное расстояние между объединенными частотами определяется наибольшей физически реализуемой собственной добротностью резонатора и наименьшей величиной связи, при которой он еще способен нормально возбудиться. Максимальное же расстояние между объединяемыми частотами при неизменной начальной нагруженной добротности определяется такой величиной связи, при которой резонатор еще может считаться резонатором, т.е. он еще способен выполнять функцию режекции.

Для того, чтобы устройство было универсальным, необходимо использовать резонатор с наибольшей собственной добротностью. В данном случае применяется полуволновой резонатор на моде H_III, выполненный как участок короткозамкнутого волновода круглого сечения, ограниченный тонкой диафрагмой. Он достаточно технологичен в изготовлении, прост в настройке и при этом обладает значительной собственной добротностью. Методика расчета подобных резонаторов хорошо известна и описана, например, в книге Маттея Д.Л. Янга Л. Джонса Е.М. Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи", т. 1, 1971. (пер. с англ. под. ред. Л.В. Алексеева и Ф.В.Кушнира). Чем больше нагруженная добротность, тем меньше разнос между объединенными сигналами и уже полосы частот, в которых выполняются необходимые для некогерентного сложения амплитудно-фазовые соотношения. Однако ясно, что близко расположенные сигналы имеют и узкие спектры, поэтому требования по затуханию на краях занимаемых ими полос удовлетворяются.

Ниже докажем соответствие предполагаемого решения критерию "существенные отличия":
1. Отличительными конструктивными признаками предлагаемого технического решения являются использование в устройстве объединения (фазоразностной схеме, фиг.1) для создания в одном из плеч необходимой фазовой компенсации перестраиваемого объемного резонатора 4' с регулируемой связью с внешними цепями, включаемого последовательно через ферритовый Y-циркулятор II для создания однонаправленного отражения, а в другом параллельном плече для амплитудного симметрирования составляющих сигналов и установки их начальных фаз такого же Y-циркулятора 1, нагруженного на подвижный короткозамыкатель 2' (фиг.2).

Ширина полосы частот объемного режекторного резонатора по уровню 3 дБ соответствует величине разноса центральных частот складываемых сигналов. Ширина полосы режекции может изменяться путем перестройки связи резонатора с Y-циркулятором (в данном случае она зависит от диаметра отверстия в диафрагме между циркулятором и резонатором), а резонансная частота в небольших пределах (≈5%) емкостным винтом, а в значительных изменением длины резонатора (фиг.2).

Поскольку частоты суммируемых некогерентных сигналов находятся по разные стороны от резонансной частоты режекции, то между ними имеется сдвиг фаз равный 180^o. Этот сдвиг и необходим для фазовой синхронизации. Все отличительные конструктивные признаки вместе с известными представляют собой единую совокупность, элементы которой взаимосвязаны, а замена какого-либо элемента не позволяет получить положительный эффект объединение сигналов как с любым малым, так и с большим разносом с помощью одного универсального устройства при несложной возможности перестройки, подстройки и простоте инженерного проектирования, или увеличивает потери в схеме. В случае, если необходимо суммирование некогерентных сигналов более чем двух передатчиков, используется каскадное соединение схем, когда выходы схем предыдущего каскада являются входами последующих каскадов.

Отсутствие какого-либо одного из перечисленных новых конструктивных отличий ведет к утере положительного эффекта.

2. Заявителем просмотрена научно-техническая литература по кл. H 01 P и УДК 621.372, относящаяся к устройствам объединения сигналов, объемным резонаторам, полуотражающим структурам и т.п. В результате анализа вышеуказанной литературы заявителем не обнаружены технические решения, которые имеют совокупность отличительных признаков, аналогичных предлагаемому.

Дополнительная классификация по отличительным признакам указанного ранее п.1 новое выполнение плеча фазировки невозможна, т.к. тракт фазировки является частью универсального устройства объединения некогерентных сигналов по фазоразностной схеме и находится в том же классе.

3. Кроме того, новый принцип осуществления фазовой синхронизации обеспечил у предлагаемого решения по сравнению с прототипом дополнительное новое свойство: в случае очень больших разносов между несущими передатчиков, когда применение резонатора невозможно (из-за необходимости сильной связи с внешними цепями, т.е. Y-циркулятором II, резонатор вырождается в короткозамкнутый участок линии), промежуточное плечо Y-циркулятора 3 в канале фазировки закорачивается (резонатор 4' отсоединяется), а благодаря наличию в параллельном канале циркулятора 1 с подвижным короткозамыкателем 2' реализуются требуемые дисперсионные фазовые набеги, причем на длине, вдвое меньшей по сравнению со стандартной фазоразностной схемой, т.к. волны туда и обратно проходят по одному и тому же участку волновода, закороченному в конце. При этом уменьшаются габариты устройства.

На фиг. 2 приведена схема, где цифрами обозначены номера плеч ВЩМ и ФЦ, цифрами со штрихом функциональные узлы устройства, а римскими цифрами - порядковые номера унифицированных элементов схемы, в качестве режекторного элемента используется цилиндрический настраиваемый винтом резонатор с колебанием H_III, заменяемым элементов связи является диафрагма.

Работает предложенная схема следующим образом (аналогично фазоразностной схеме). На входы 1 и 2 первого ВЩМ поступают объединяемые сигналы от двух передатчиков с некогерентными несущими t₁ и t₂. На его выходах 3 и 4 получают половинные по амплитуде составляющие каждого сигнала со сдвигами фаз относительно друг друга (см. табл.1).

Значения, указанные в скобках (см. табл.1), получены в результате математического преобразования с целью приведения составляющих некогерентных частот в одном из плеч (в данном случае в третьем) к одинаковым начальным фазам. Длины отрезков волноводов, соединяющих выходы первого ВЩМ со следующим, одинаковы. Единственное отличие канала 3-Y-1 от 4-Y-2 заключается в том, что нагрузкой промежуточного плеча 2 Y-циркулятора 1 в тракте 3-Y-1 является волновод с подвижным короткозамыкателем 2', а в тракте 4-Y-2 резонатор 4' со связью с циркулятором II через отверстие в диафрагме. Положение короткозамыкателя устанавливается таким, чтобы при прохождении канала 3-Y-1 составляющие сигналов получили дополнительный фазовый набег 90^o. В этом случае соотношение фаз оказывается таковым, что при закороченном промежуточном плече циркулятора 3' в канале 4-Y-2 (канал синхронизации), т.е. отсутствии резонатора, на каждом из выходов 3 и 4 последнего ВЩМ II присутствуют сигналы половинной мощности от обоих передатчиков, т.к. со входов 1 и 2 этого моста соответствующие составляющие с несущими f₁ и f₂ находятся в квадратуре на выходах 3 и 4. Если же в тракте фазировки установлен резонатор, то получается следующий результат соответствия фаз составляющих (см. табл.2).

Так как в канал 4-Y-2 включен объемный резонатор и частоты f₁ и f₂ расположены по разные стороны от его резонансной частоты, составляющие сигналов при проходе через Y-циркулятор II с этим режекторным резонатором приобретают дополнительные фазовые набеги (90^o или 90^o соответственно). При этом реализуется требуемый дифференциальный фазовый сдвиг на входе 2 последнего ВЩМ II между ними, равный 180^o, который необходим для выполнения правильного соотношения фаз половинных некогерентных частот во входных плечах этого моста с целью объединения их на выходе 3.

Часть мощности из-за амплитудной асимметрии волноводных линий 3-Y-1 и 4-Y-2, а также по причине фазовой разбалансировки ФЧХ элементов схемы (мостов 1', циркуляторов 3' и резонатора) в полосе частот сигналов выделяется на выходе 4 ВЩМ II в балластной нагрузке 5'.

Настройка универсального устройства объединения некогерентных сигналов близких частот на конкретные несущие f₁ и f₂ с заданным разносом Δf производится следующим образом:
а) подвижный короткозамыкатель 2' в тракте задания начальных фаз устанавливается так, чтобы сигнал с частотой f₀ (среднее арифметическое значение от f₁ и f₂) с обоих входов (1 и 2 для 1 ВЩМ) схемы делился на равные по мощности части на ее выходах (3 и 4 для ВЩМ II) при закороченном промежуточном плече 3 циркулятора II в тракте синхронизации;
б) Y-циркулятор 3' в канале фазировки нагружается на режекторный объемный резонатор 4' с требуемыми собственной добротностью и связью, резонансная частота которого f₀, а полоса по уровню 3 дБ-Δf;
в) элементами подстройки (винтом резонатора, подбором диафрагмы связи и положения короткозамыкателя 2') добиваются наибольшей мощности сигналов с центральными частотами f₁ и f₂ на выходе схемы (3 для II ВЩМ), подключенном к общему АФТ.

Для возможности изменения разноса между некогерентными сигналами нужно иметь соответствующий набор диафрагм связи, которые обеспечивают необходимые полосы режекции резонатора Δf. В случае смены частотного расписания в наличии должен быть комплект резонаторов с предполагаемыми средними частотами режекции f₀.

Используя невзаимные и мостовые узлы другого технологического исполнения можно строить подобные устройства в коаксиальном и плосковом вариантах. Достоверность положительного эффекта подтверждается результатами экспериментальной проверки макета в диапазоне 6 ГГц.

На фиг.3 приведены обобщенные зависимости минимальных потерь и диаметра отверстия в диафрагме связи от разноса частот. На фиг. 4 изображена АЧХ схемы объединения сигналов с несущими 5,94 ГГц и 6,02 ГГц (разнос 80 МГц), диаметр круглого отверстия связи в диафрагме 18 мм. Из графика четко следует возможность объединения некогерентных сигналов предложенной модифицированной фазоразностной схемой.

При минимальной разнице частот 4 МГц нагруженная добротность резонатора составила ≈1500 единиц. Затухание сигналов составило около 2,1 дБ.

В макете использовались серийные ВЩМ, которые обладают хорошей прочностью, Y-циркуляторы типа ФЦВ-2-11, стандартная согласованная нагрузка 35•15 мм. Резонатор был изготовлен из инвара, что обеспечивает хорошую термостабилизацию полосы режекции и средней частоты. Внутренняя поверхность резонатора и диафрагмы посеребрены.

Измерения проводились на приборе Р2-59. В отраслевой лаборатории твердотельных СВЧ-устройств НЭИС им. Н.Д.Псурцева изготовлены опытные образцы заявляемых устройств объединения некогерентных сигналов в общей АФТ.

Изобретение относится к радиотехнике ВЧ- и СВЧ-диапазонов, может найти применение в антенно-фидерной и измерительной технике. Целью изобретения является создание универсального устройства объединения когерентных частот, позволяющего одинаково хорошо складывать в общий АФТ сигналы с соответствующими полосами и различными несущими, которые могут произвольно (по определенному закону) изменяться относительно друг друга при любом (малом или большом) разносе между этими несущими частотами. Поставленная цель достигается тем, что в стандартной фазоразностной схеме (например на ВЩМ) производится модификация тракта фазовой синхронизации путем замены участка линии дисперсионной фазировки на Y-циркулятор с нагруженным на высокодобротный режектор резонатор промежуточным плечом. Для амплитудного симметрирования составляющих сигналов параллельных каналов и задания начальных фаз в другой тракт устанавливается такой же Y-циркулятор, промежуточное плечо которого соединено с подвижным короткозамыкателем. При этом центральная частота полосы режекции резонатора, являющаяся средним арифметическим несущих частот сигналов, зависит от его геометрических размеров и положения подстроечного емкостного винта, имеется возможность регулировки разноса между сигналами, что определяется полосой резонатора по уровню 3 дБ, т.е. связью с внешними цепями, величина которой меняется путем установки различных элементов связи в виде диафрагмы. Положение короткозамыкателя устанавливает центральную частоту режекции и задает размещение спектров сигналов на частотной оси. Работа такого устройства основана на особенности ФЧХ контура-резонатора, который вносит постоянный межчастотный дифференциальный фазовый сдвиг в 180^o на определенных частотах выше и ниже резонансной, необходимый для объединения сигналов. Y-циркуляторы применяются для создания однонаправленного отражения. 2 табл., 4 ил.

Универсальное устройство объединения некогерентных сигналов, содержащее два гибридных соединения в виде волноводно-щелевых мостов, в одном из которых одно из плеч нагружено на согласованную поглощающую нагрузку и смежные плечи которых соединены соответственно двумя линиями равной электрической длины, отличающееся тем, что первая линия представляет собой ферритовый У-циркулятор, промежуточное плечо которого нагружено на регулируемый короткозамыкатель, а вторая линия идентичный ферритовый У-циркулятор, промежуточное плечо которого нагружено через диафрагму связи на режекторный резонатор, при этом ширина полосы частот режекторного резонатора по уровню 3 дБ соответствует разносу несущих объединяемых сигналов.