ЧАСТОТНО-ИЗБИРАТЕЛЬНАЯ МАТРИЦА СВЧ Российский патент 1997 года по МПК H01P1/213 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть применено в широкополосной технике сверхвысоких частот (СВЧ), где требуются частотно-избирательные системы (ЧИС) СВЧ с большим числом каналов частотной селекции (N >100)(радиоприемные и радиопередающие устройства радиосвязи, радиолокация, радиоразведка, радиопротиводействия).

Известны традиционные ЧИС СВЧ, представляющие набор объединенных по выходу N полосовых фильтров СВЧ, Δf=F/N встык перекрывающих входную полосу частот F и делящих последнюю на N частотных диапазонов.

В качестве прототипа предложения принята волноводная ЧИС СВЧ, показанная на фиг. 4, в которой с помощью входного канального разветвителя 1 объединены ряд мультиплексоров, в каждом из которых с помощью сфазированного разветвителя 7 объединены ряд полосовых фильтров Δf_o так, чтобы входной диапазон F перекрывался N=F/Δf_o каналами с фильтрами СВЧ [1]
Основным недостатком прототипа является относительно небольшое число каналов селекции (N < 100), вызванное использованием громоздких традиционных СВЧ фильтров на полуволновых резонаторах и ограниченностью возможного числа одновременно фазируемых в мультиплексоре волноводных полосовых фильтров. Кроме того, такие ЧИС имеют большие переходные потери, вызванные использованием в мультиплексоре фазирующего разветвителя.

Целью изобретения является увеличение числа каналов селекции и уменьшение переходных потерь.

Для реализации этой цели предлагается частотно-избирательная матрица СВЧ, содержащая многоканальный разветвитель, канальные фильтры-мультиплексоры.

Согласно предложению в качестве канальных фильтров-мультиплексоров используются фильтры с гребенчатой амплитудно-частотной характеристикой (гребенчатые фильтры) на многочастотных резонаторах, выполненных на закороченных с торцов отрезках длинной линии, например, волновода, полосы прозрачности которые повторяются в полосе устройства F через частотные интервалы и образуют между собой m столбцов и n строк, связанных через элементы связи матрицы, причем расстановка полос прозрачности гребенчатых фильтров строк и столбцов выполнена так, чтобы они совместно перекрывали входную полосу F, а между собой различались как минимум на одну полосу Δf_o гребенчатого фильтра, причем элементы связи между столбцами и строками установлены от соответствующих закороток кратно целому числу полуволн общей для пересечения строки и столбца полосы прозрачности.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемой матрицы из литературы не известно, поэтому она соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена функциональная схема матрицы; на фиг. 2 - математическая модель матрицы и амплитудно-частотные характеристики строк и столбцов; на фиг. 3 фото макета матрицы; на фиг. 4 схема традиционной ЧИС на мультиплексорах.

Предлагаемая матрица содержит n-канальный разветвитель 1₁ к, выходам которого подключены вместо традиционных мультиплексоров m-канальные фильтры с гребенчатыми амплитудно-частотными характеристиками (гребенчатые фильтры) 2₁ 2_n, полосы прозрачности которых Δf_o повторяются в полосе устройства F через Δf₁=F/n..

Гребенчатые фильтры 2₁ 2_n выполнены на многочастотном резонаторе в виде длинной линии, например волновода, закороченного с торцов. Группа гребенчатых фильтров 2₁ 2_n составляет строки матрицы. Столбцы матрицы создает другая группа гребенчатых фильтров 3₁ - 3_m, расстановка полос прозрачности которой Δf₂=Δf₁± Δf_o отличается от Δf₁ как минимум на одну полосу прозрачности Δf_o Столбцы и строки матрицы связаны между собой через элементы связи 4₁ 4_mn, например, по широкой стенке волновода. Элементы связи 4i устанавливаются от закороток гребенчатых фильтров на расстоянии, кратном целому числу полуволн общей полосы прозрачности.

В одной из закороток волновода гребенчатых фильтров строк и столбцов соответственно установлены элементы связи ввода и вывода энергии выполненные, например, в виде емкостных щелей связи.

В противоположных закоротках гребенчатых фильтров строк и столбцов соответственно установлены подвижные короткозамыкатели используемые при регулировке расстановки начальных полос прозрачностей гребенчатых фильтров.

Суть объединения гребенчатых фильтров в матрицу СВЧ поясняется фиг. 2, где формирование строк и столбцов представлено математической моделью, составляемой из реле. полосовых фильтров (фиг. 2а) Ф₁^oC Ф_mn, каждый на полосу Δf_o и средней частоте настройки f₁; f₂; f₃.f_n.f_mn (далее будем просто обозначать на фиг. 2 фильтры цифрами 1, 2, 3.m, n). Их указанного ряда полосовых фильтров составлена математическая матрица (фиг. 2б), горизонтальные плечи (строки) которой составляют гребенчатые фильтры с периодом следования полос прозрачности через интервалы Δf₁=F/n где n число строк. Каждая строка содержит m полос прозрачности, а все строки перекрывают входную полосу F полосами Δf_o=F/mn, т.е.

На фиг. 2б изображена матрица с N=mn=48 каналов с тем, чтобы на конкретном примере нагляднее была видна схема объединения каналов в строки и столбцы.

Несколько сложнее из этой матрицы синтезировать (выделить) гребневые фильтры столбцов. На фиг. 2г эта матрица переписана (изменена расстановка полос путем объединения каналов наклонными линиями) так, чтобы в столбцы объединялись каналы, при этом каждый столбец отличается от строки на одну полосу прозрачности Δf_o т.е. период следования полос прозрачности .

В приведенном на фиг. 2г примере матрицы объединение фильтров в столбцы реализовано по варианту Δf₂=Δf_o(n+1) Для реализации варианта Δf₂=Δf_o(n-1) наклон диагоналей объединения фильтров должен быть изменен на 90 ^o.

На фиг. 2в и 2d на частотной оси изображены амплитудно-частотные характеристики фильтров строк и столбцов.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Для большего понимания необходимости процесса работы с матрицей СВЧ ниже описывается ее работа в составе коммутационного устройства СВЧ, когда из широкой полосы F выделяется любая из N=mn полос прозрачности, например, f₃₂.

Для этого представим, что входной разветвитель 1 выполнен в виде n -канального разветвителя-коммутатора.

Подобный m -канальный сумматор-коммутатор выхода 1₂ изображен на фиг. 1 пунктиром, как не входящий в состав изобретения.

При отпирании одного канала строки (например, 2я строка) и канала столбца (например, 3 столбец) формируется между входом и выходом матрицы сквозная полоса прозрачности Δf_o на частоте f₃₂. В предлагаемой матрице каждый гребенчатый фильтр, например, строки фактически является m канальным мультиплексором, однако отличается от традиционных волноводных мультиплексоров, содержащих фильтры и фазирующие разветвители 7₁ - 7_m (фиг. 4), тем, что в гребенчатом фильтре отсутствуют раздельные волноводные полосовые фильтры и фазирующий разветвитель. Гребенчатый фильтр выполняет как функцию фильтров, так и фазирующего разветвителя, а как следствие пропадают проблемы, связанные с возможным максимальным числом об7единяемых фильтров, а также потери при фазировке каналов.

В гребенчатом фильтре возможно объединять существенно большое число каналов, что проблематично для традиционного мультиплексора. Если же гребенчатый фильтр является m канальным мультиплексором, то матрица, объединяющая m•n таких фильтров также является мультиплексором с числом каналов m•n (сотни каналов). Все отмеченное позволяет обеспечить по меньшей мере на порядок выигрыш в числе каналов селекции при относительно низких переходных потерях (ед. дб). Конструктивно матрица представляет собой волновую решетку, которая при существенно большем числе каналов селекции (сотни каналов), обладает относительно небольшими весами, которые существенно меньше, чем при реализации традиционной ЧИС с аналогичными характеристиками.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обладает следующими технико-экономическими преимуществами:
существенно большим (в несколько раз) числом каналов селекции (несколько сот в предложении вместо десятков в прототипе);
существенно меньшими переходными потерями при одновременно большем числе каналов;
позволяет реализовать более узкие полосы селекции из-за большей добротности многоволновых резонаторов СВЧ по сравнению с полуволновыми резонаторами-звеньями традиционных СВЧ фильтров, объединенных в мультиплексоры;
большей технологичностью регулировочных работ, когда достаточно расставить в полосе частот F только первые полосы прозрачности гребенчатых фильтров строк и столбцов, а не трудоемко регулировать, стыкуя между собой все канальные полосовые фильтры традиционных ЧИС;
меньшими сопоставимыми весами и габаритами (при одинаковом числе каналов селекции).

В Ростовском НИИ радиосвязи создан макет матрицы СВЧ в диапазоне 8,3^oC10,3 ГГц, содержащей 16 столбцов и 16 строк с гребенчатыми фильтрами при ширине канала Δf_o=10 МГц и числе каналов N=192, подтвердивший основные преимущества предложения.

На фиг. 3 приведено фото макета этой матрицы. И хотя этот макет не в полной мере соответствует предложению и даже несколько усложнен наличием переходных (m. n.) резонаторов между строками и столбцами и наличие гребенчатых фильтров только строк, однако за неимением пока макета предлагаемой матрицы по нему можно косвенно судить как о реальности реализации предложения, так и примерных габаритах (весе) ЧИС.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть применено в радиосвязи, радиолокации, радиоразведке, радиопротиводействии, где требуются многоканальные частотно-избирательные системы СВЧ. Изобретение направлено на увеличение числа каналов селекции и уменьшение переходных потерь. Частотно-избирательная матрица СВЧ содержит многоканальный разветвитель, канальные фильтры-мультиплексоры. В качестве канальных фильтров используются фильтры с гребенчатой амплитудно-частотной характеристикой (гребенчатые фильтры) на многочастотных резонаторах, выполненных на закороченных с торцов отрезках длинной линии, например, полосы прозрачности которых повторяются в полосе устройства F через частотные интервалы и образуют между собой m столбцов и n строк матрицы. Расстановка полос прозрачности гребенчатых фильтров строк и столбцов выполнена так, чтобы они перекрывали входную полосу F, а между собой различались как минимум на одну полосу прозрачности Δf_o, причем элементы связи между столбцами и строками установлены от соответствующих закороток кратно целому числу полуволн общей для пересечения строки и столбца полосы прозрачности. 4 ил.

Частотно-избирательная матрица СВЧ, содержащая многоканальный разветвитель, канальные фильтры-мультиплексоры, отличающаяся тем, что в качестве канальных фильтров использованы фильтры с гребенчатой амплитудно-частотной характеристикой, выполненные на закороченных с торцов отрезках волновода, полосы прозрачности которых повторяются в полосе устройства через частотные интервалы и образуют между собой n строк и m столбцов матрицы, связанных через элементы связи, причем расстановка полос прозрачности фильтров с гребенчатой амплитудно-частотной характеристикой строк и столбцов выполнена так, что они перекрывают входную полосу F, а между собой различаются, как минимум, на одну полосу прозрачности Δf_o фильтра с гребенчатой амплитудно-частотной характеристикой, причем элементы связи между столбцами и строками установлены от соответствующих закороток кратно целому числу полуволн общей для пересечения строки и столбца полосы прозрачности.