ЧАСТОТНО-РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 1997 года по МПК H01P1/213 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к полосковым устройствам СВЧ, и может найти применение в качестве частотного делителя или частотного сумматора в частотно-селективных устройствах и системах наземной или бортовой связи, в многочастотных антенных системах, в измерительных устройствах.

Известна конструкция частотно-разделительного (суммирующего) фильтра (патент США N 3796970, кл. H 01 P 1/20, 1974), содержащий полосковый резонатор прямоугольной формы, к двум смежным сторонам которого по центру подключены выходные полосковые линии, а входная полосковая линия подключена к углу двух других смежных сторон полоскового резонатора. Данная конструкция частотно-разделительного (суммирующего) фильтра позволяет осуществить разделение (суммирование) только двух разночастотных сигнала (двухканальный фильтр).

Известна конструкция частотно-разделительного фильтра (D.E.N.Davies, Studies of focused-field filter for multiplexing microwave signals, IEE Proc. v. 127, Pt. H, N 4, august, 1980, pp. 173-181, fig. 1), содержащая цепочку последовательно включенных циркуляторов, в одно из плеч каждого из которых включен полоснопропускающий фильтр, настроенный на соответствующую частоту разделения своего канала. В данной конструкции можно обеспечить большое число частотно-разделяемых каналов, однако в конструкции присутствуют значительные потери в циркуляторах, которые последовательно возрастают от канала к каналу, циркуляторы вносят рассогласование в тракт, конструкция имеет значительные габариты и вес, а наличие феррита и магнитных систем в циркуляторах накладывает дополнительные конструктивные ограничения и ужесточает требования к электромагнитной совместимости всего устройства в целом. Кроме того, данная конструкция не может выполнять функции частотного сумматора, т.е. устройство невзаимное.

Известна конструкция частотно-разделительного фильтра, как наиболее близкого технического решения прототип (D.E.N. Davies, Studies of focused-field filter for multiplexing microwave signals, IEE Proc. v. 127, Pt. H, N 4, august, 1980, pp. 173 181, fig. 4), содержащая полосковый резонатор, выполненный в форме полуокружности нерезонансных размеров, к боковой кромке образующей полуокружности подключено восемь возбуждающих апертур, связанных с входными полосковыми линиями через согласующие трансформаторы, выполненные в форме сектора, боковая кромка сектора может быть выполнена линейной или ступенчатой формы. Восемь входных полосковых линий объединены полосковыми тройниками по схеме типа елочка в единую входную полосковую линию. К образующей боковой кромки полоскового резонатора, проходящей через его ось, в пяти точках частотноизбирательного фокусирования разделяемого электромагнитного сигнала подключены апертуры, связанные с выходными полосковыми линиями через согласующие трансформаторы, выполненные в форме сектора, большая кромка сектора может быть выполнена линейной или ступенчатой формы. Каждой выходной полосковой линии соответствует своя выделяемая частота из частотного диапазона входных сигналов. Данный частотный разделитель может выполнять функции частотного сумматора.

Недостатком известного технического решения является значительный уровень прямых потерь, невысокий уровень развязки между выходными частотными каналами (выходными полосковыми линиями), невысокая разрешающая способность частотного разделения (частотная селекция). Это объясняется следующим образом. Принцип работы известного частотно-разделительного фильтра основан на свойстве решетки излучателей менять направление излучения при изменении частоты. В данной конструкции частотно-избирательное фокусирование электромагнитного сигнала в апертурах соответствующих выходных полосковых линий осуществляется полосковым резонатором, выполненным в форме полуокружности нерезонансных размеров, а в качестве решетки излучателей выступают апертуры входных полосковых линий. Согласно законов геометрической оптики, в чистом виде полуокружность не обладает свойствами фокусирования электромагнитного поля. Поэтому в данной конструкции частотно-избирательное фокусирование достигается за счет формирования равноамплитудного и заданного (специального) фазового распределения электромагнитного сигнала по апертурам входных полосковых линий, т.е. по решетке излучателей. В данном случае решетка излучателей состоит из 8-ми элементов. Равноамплитудное деление входного сигнала осуществляется 3-дб тройниками, соединенными по схеме типа елочка и состоит из пяти тройников. Требуемое фазовое распределение формируется соединительными отрезками полосковых линий определенной длины, соединяющие выходы тройников с соответствующей апертурой входной полосковой линии. За счет того, что фазовая характеристика отрезков полосковых линий является частотнозависимой величиной, поэтому фазовое распределение формируется со значительными погрешностями, т. е. со значительными фазовыми ошибками по апертурам входных полосковых линий. Различие геометрических длин соединительных отрезков полосковых линий по входным каналам не обеспечивает формирование равноамплитудного распределения, из-за погонных потерь, по апертурам входных полосковых линий и кроме того величина потерь зависит от частоты. Поэтому амплитудно-фазовое распределение по апертурам входных полосковых линий имеет значительные отклонения от требуемого, а полосковый резонатор в форме полуокружности не выполняет функции коррекции амплитудно-фазового распределения возбуждаемых в нем апертурами электромагнитных колебаний. В результате известное устройство имеет значительный уровень прямых потерь, невысокий уровень развязки между выходными полосковыми линиями, не высокую разрешающую способность частотного разделения и низкий уровень согласования.

Цель изобретения -уменьшение уровня прямых потерь, увеличение уровня частотной развязки между выходными частотными каналами, увеличение разрешающей способности частотного разделения, улучшение согласования по входной и выходным полосковым линиям, упрощение конструкции.

На фиг. 1 изображена конструкция частотно-разделительного фильтра; на фиг.2 схема построения угловых секторов образующей усечения полоскового резонатора частотно-разделительного фильтра.

Частотно-разделительный фильтр содержит полосковый резонатор 1, выполненный в форме части эллипса нерезонансных размеров с большой осью 2, по образующей боковой кромки 3 эллиптической части полоскового резонатора 1 установлены отрезки полосковых линий 4 клинообразной формы, суживающиеся от центра к периферии и вплотную один к другому своими основаниями, общая длина которых больше максимальной длины разделения, и выполненных таким образом, что отрезки полосковых линий 4 клинообразной формы для критических частот, соответствующих частотам разделения, образуют ряд отражающих поверхностей 5-8, контур образующих которых имеет эллиптическую форму, причем минимальный радиус кривизны последующих отражающих поверхностей больше минимального радиуса кривизны предыдущих отражающих поверхностей, при этом минимальный радиус кривизны образующей полоскового резонатора 1 эллиптической формы и минимальный радиус кривизны образующих отражательных поверхностей 5-8 эллиптической формы больше максимальной длины волны разделения. Первый фокус 9 полоскового резонатора 1 эллиптической формы и первые фокусы всех образующих отражательных поверхностей 5-8 эллиптической формы совмещены и расположены в первом общем фокусе 9 полоскового резонатора 1 эллиптической формы и к нему подключена апертура 10 входной полосковой линии 11, а вторые фокусы 12-16 полоскового резонатора 1 эллиптической формы и всех образующих отражательных поверхностей 5-8 эллиптической формы, являющиеся точками частотно-избирательного фокусирования разделяемого электромагнитного сигнала, расположены на большой оси 2 полоскового резонатора 1 эллиптической формы, в порядке убывания длины волны разделяемых сигналов по отношению к первому общему фокусу 9 и в них подключены апертуры 17-21 выходных полосковых линий 22-26. Угловые сектора установки отрезков полосковых линий 4 клинообразной формы, видимые из первого 9 или любого из вторых фокусов 12-16, составляют менее 180^o, а оси входной 11 и выходной 22-26 полосковых линий совпадают с биссектрисами соответствующих угловых секторов α, α₁, α₂, α₃, α₄, α₅, образующие лучи 27-32 каждого из которых, выходящие из первого 9 и вторых 12-16 фокусов соответственно, ориентированы на края 33 и 34 оснований соответствующих крайних отрезков полосковых линий 4 клинообразной формы. Оставшийся участок кромки полоскового резонатора 1 образован контуром объединения боковой кромки 27, апертуры 10 входной полосковой линии 11, боковой кромки 28, боковой кромки 29, апертур 17-21 частотноизбирательного фиксирования соответствующих вторых фокусов 12-16 выходных полосковых линий 22-26 соответственно и боковой кромки 32. Входная 11 и выходные 22-26 полосковые линии связаны с соответствующими апертурами 10, 17-21 через согласующие трансформаторы 35-40 соответственно, выполненные в форме секторов.

СВЧ-сигнал подается на входную полосковую линию 11 и через согласующий трансформатор 35 поступает на апертуру 10, подключенную в первый общий фокус 9 полоскового резонатора 1 эллиптической формы. Размеры большой и малой осей полоскового резонатора 1, контур эллиптической части 3 которого соответствует меньшей из отражающих эллиптических поверхностей 5-8, выбирают согласно законам геометрической оптики из условия, что его минимальный радиус кривизны R₁ больше длины волны λ₁ разделения из всех разделяемых частот частотно-разделительного фильтра. Отрезки полосковых линий 4 клинообразной формы выбраны так, что на длине волны λ₁ сечение их короткого замыкания или сечение полного отражения равной фазы совмещены с их основаниями, т.е. с образующей боковой кромки эллиптической части 3 полоскового резонатора 1. Поэтому на длине волны входного сигнала электромагнитные колебания распространяются в полосковом резонаторе 1 по законам геометрической оптики согласно свойств, присущих поверхностям с эллиптической формой границы контура, отражаются от оснований отрезков полосковых линий 4 клинообразной формы и синфазно фокусируются в апертуре 17 второго фокуса 12 полоскового резонатора 1, суммируются, и результирующий сигнал длиной волны λ₁ поступает в выходную полосковую линию 22. Для каждой из последующих входных длин волн разделения λn, где N-количество разделяемых частот (количество выходных полосковых линий), n 2,3, N и λ_n-1> λ_n отрезки полосковых линий 4 клинообразной формы образуют свой квазинепрерывный бифокальный отражающий контур, т.е. контур полного отражения равной фазы, образующая которого имеет эллиптическую форму. Таким образом, отрезки полосковых линий 4 клинообразной формы формируют N-1 отражающую поверхность 5-8, образующая каждой из которых имеет эллиптическую форму, первые фокусы которых совпадают с первым фокусом 9 полоскового резонатора 1 эллиптической формы. Электромагнитные колебания с длиной волны λ_n распространяются в полосковом резонаторе 1 эллиптической формы согласно тех же законов геометрической оптики для электрических областей, что и для длины волны λ₁, и отражаются n-ым квазинепрерывным бифокальным контуром (или 5 или 6 или 7 или 8) эллиптической формы и фокусируются в соответствующем ему втором фокусе (или 13 или 14 или 15 или 16) синфазно, суммируются в соответствующей апертуре (или 18 или 19 или 20 или 21) и результирующий сигнал длиной волны λ_n поступают в соответствующую выходную полосковую линию (или 23 или 24 или 25 или 26). Вторые фокусы 12-16 расположены в порядке убывания длины волны разделения λ_n соответственно. Пространственное разнесение вдоль большой оси 2 полоскового резонатора 1 эллиптической формы апертур 17-21 вторых фокусов 12-16 соответственно обеспечивает частотную развязку между выходными полосковыми линиями 22-26.

Основываясь на законах геометрической оптики и ее приближениях применительно к поверхности эллиптической формы нерезонансных размеров с подключением по внешней кромке отрезков полосковых линий 4 клинообразной формы и возбуждаемой в общем фокусе 9, вытекают следующие три условия, выполнение которых обязательно: первое условие общая длина оснований отрезков полосковых линий 4 клинообразной формы должна быть больше максимальной длины волны разделения, второе условие минимальный радиус кривизны образующей полоскового резонатора 1 эллиптической формы и минимальные радиусы кривизны образующих отражательных поверхностей 5-8 эллиптической формы должны быть больше максимальной длины волны разделения, третье условие угловые сектора установки отрезков полосковых линий 4 клинообразной формы, видимые из первого 9 и любого из вторых 12-16 фокусов, составляют менее 180^o, оси входной 11 и выходных 22-26 полосковых линий совпадают с биссектрисами соответствующих угловых секторов α, α₁, α₂, α₃, α₄, α₅, образующие лучи 27-32 каждого из которых, выходящие из первого 9 и вторых 12-16 фокусов соответственно, ориентированы на края 33 и 34 оснований соответствующих крайних отрезков полосковых линий 4 клинообразной формы.

Первые два условия определяют, в первую очередь, величину развязки между частотами разделения выходных полосковых линий 22-26, увеличение уровня которой может быть достигнуто за счет достижения высокого порядка неравенства общей длины оснований отрезков полосковых линий 4 клинообразной формы и минимальным радиусом кривизны образующей полоскового резонатора 1 эллиптической формы, и минимальные радиусы кривизны образующих отражательных поверхностей 5-8 эллиптической формы должны быть много больше минимальной длины волны разделения.

Увеличение развязки одновременно приводит к уменьшению уровня прямых потерь и улучшению согласования входной 11 и выходных 22-26 полосковых линий.

Третье условие определяет построение оставшегося участка кромки полоскового резонатора 1, которая состоит из контура объединения боковой кромки 27, апертуры 10 входной полосковой линии 11, боковой кромки 28, боковой кромки 29, апертур 17-21 частотноизбирательного фокусирования соответствующих вторых фокусов 12-16 выходных полосковых линий 22-26 соответственно и боковой кромки 32. Такое построение образующей позволяет исключить паразитные резонансные эффекты в полосковом резонаторе 1 эллиптической формы, которые могут возникнуть вдоль большой оси 2, а также исключить возможность прямой электромагнитной связи между апертурами 10, 17-21 по направлению большой оси 2. В результате этого уменьшается уровень прямых потерь, увеличивается уровень частотной развязки между выходными частотными каналами, обеспечивается высокий уровень согласования по входной 11 и выходным 22-26 полосковым линиям. Разрешающая способность частотного разделения (частотная селекция) частотно-разделительного фильтра определяется длиной отрезков полосковых линий 4 клинообразной формы, поэтому для увеличения разрешающей способности отрезки полосковых линий 4 клинообразной формы необходимо выполнять довольно длинными. Разрешающая способность частотно-разделительного фильтра определяется следующим соотношением (f_n f₁)/d_ф, где f_n - максимальная частота разделения, f₁ минимальная частота разделения, d_ф линейное расстояние между точками вторых фокусов.

Согласование апертуры 10 с входной полосковой линией 11 и апертур 17-21 с соответствующими выходными полосковыми линиями 22-26 осуществляется через согласующие трансформаторы 35-40 соответственно, выполненные секторообразной формы. Боковые кромки сектора могут быть выполнены линейной формы или ступенчатой формы.

Использование: радиотехника, частотно-селекционные системы связи. Сущность изобретения: частотно-разделительный фильтр содержит полосковый резонатор, имеющий форму части эллипса. Участок кромки, описываемый уравнением эллипса, имеет длину больше максимальной длины волны разрешаемых электромагнитных сигналов, и к ней подключены отрезки полосковых линий клинообразной формы. Оставшийся участок кромки образован частями лучей, соединяющих точки частотно-избирательного фокусирования разделяемых электромагнитных сигналов и первый фокус части эллипса с концами участка кромки, описываемой уравнением эллипса. Выходные полосковые линии подключены через секторообразные трансформаторы к точкам частотно-избирательного фокусирования разделяемых электромагнитных сигналов, расположенных на оси части эллипса. Входная полосковая линия подключена к первому фокусу части эллипса. 2 ил.

Частотно-разделительный фильтр, содержащий полосковый резонатор нерезонансных размеров, участок кромки которого описан кривой второго порядка, выходные полосковые линии, подключенные через секторообразные трансформаторы к точкам частотно-избирательного фокусирования разделяемых электромагнитных сигналов, расположенным на оси кривой второго порядка, и входную полосковую линию с секторообразным трансформатором, отличающийся тем, что полосковый резонатор выполнен в форме части эллипса, участок кромки которого, описываемый уравнением эллипса, имеет длину больше максимальной длины волны разделяемых электромагнитных сигналов, а оставшийся участок кромки образован частями лучей, соединяющих точки частотно-избирательного фокусирования разделяемых электромагнитных сигналов и первый фокус части эллипса с концами участка кромки, описываемой уравнением эллипса, и введены отрезки полосковых линий клинообразной формы, установленные основаниями на участке кромки, описываемой уравнением эллипса, вплотную один к другому, а входная полосковая линия подключена к первому фокусу части эллипса, причем углы, образованные лучами, выходящими из точек частотно-избирательного фокусирования разделяемых электромагнитных сигналов и первого фокуса части эллипса, меньше 180^o, а оси входной и выходной полосковых линий совпадают с биссектрисами этих углов.