СВЧ-УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ СЛАБЫХ СИГНАЛОВ ВБЛИЗИ ЧАСТОТЫ СИЛЬНОГО СИГНАЛА Российский патент 2006 года по МПК H01P1/23 

Изобретение относится к волноведущим системам, в частности к устройствам на магнитостатических волнах (МСВ), и может быть использовано для подавления слабых сигналов (регулярных, шумовых) вблизи частоты сильного (полезного) сигнала в гетеродинах приемных устройств и в возбудителях передающих устройств СВЧ диапазона.

Известен усилитель отношения сигнал/шум или шумоподавитель, состоящий из микрополосковой линии - экранированной с одной стороны диэлектрической подложки с нанесенной на ее противоположную сторону микрополоской - поверх которой наложена ферритовая пленка (см. патент США №4283692, МПК Н 01 P 1/23). При определенной ориентации и величине внешнего постоянного магнитного поля в ферритовой пленке возбуждается поверхностная магнитостатическая волна (ПМСВ). СВЧ сигнал с уровнем мощности ниже некоторого порогового значения (слабый сигнал), проходя через данное устройство в полосе возбуждения ПМСВ, ослабляется сильнее, чем СВЧ сигнал, уровень мощности которого выше порога (сильный сигнал). Вследствие этого при одновременном прохождении через шумоподавитель двух СВЧ сигналов различного уровня мощности (слабого и сильного) увеличивается отношение мощности сильного сигнала к мощности слабого сигнала, т.е. увеличивается отношение сигнал/шум. Однако с уменьшением величины отстройки от частоты несущей, начиная с некоторой определенной величины, происходит увеличение амплитуды слабого сигнала и, следовательно, уменьшение величины отношения сигнал/шум. В пределе, при частоте слабого сигнала, стремящейся к частоте сильного сигнала, слабый сигнал проходит через рассматриваемое устройство, не подавляясь относительно сильного сигнала, т.е. отношение сигнал/шум остается неизменным. Максимальная величина отстройки от частоты сильного сигнала, при которой начинает проявляться данный, нежелательный в некоторых областях применения эффект, зависит от уровня мощности сильного сигнала. Увеличение амплитуды слабого сигнала вблизи сильного обусловлено параметрическим возбуждением пакета тепловых спиновых волн на частотах вдвое меньших частоты сильного сигнала.

Увеличение амплитуды слабого сигнала при его приближении к частоте сильного сигнала приводит к ухудшению уровня подавления слабого сигнала вблизи сильного, что является одним из основных недостатков шумоподавителя на МСВ, ограничивающим возможности использования этого устройства в гетеродинах приемных устройств и в возбудителях передающих устройств СВЧ диапазона.

Известен шумоподавитель, состоящий из ферритовой пленки и микрополосковой линии, экранированной с одной стороны диэлектрической подложки с нанесенной на ее противоположную сторону микрополоской. Микрополоска выполнена с двумя разрывами по ее длине и образует резонансную систему, состоящую из микрополоскового полуволнового резонатора и двух элементов связи (входного и выходного), при этом ферритовая пленка расположена вдоль поперечной оси симметрии микрополоскового резонатора (см. патент на полезную модель РФ №41550 МПК Н 01 Р 1/23). При определенной ориентации и величине внешнего постоянного магнитного поля в ферритовой пленке возбуждается обратная объемная МСВ (ООМСВ). Величина магнитного поля подбирается так, что возбуждение ООМСВ в ферритовой пленке происходит в полосе частот основного вида колебания микрополоскового резонатора. При этом для достижения наибольшего уровня подавления слабого сигнала относительно сильного на требуемой частоте необходимо, чтобы центральная частота полосы возбуждения ООМСВ находилась ниже резонансной частоты основного вида колебания резонатора. Использование микрополоскового резонатора для возбуждения МСВ позволяет увеличить уровень подавления слабого сигнала относительно сильного при сравнительно небольшой величине перекрытия ферритовой пленкой микрополоски за счет снижения широкополосности шумоподавителя. Однако и в этом случае наблюдается увеличение амплитуды слабого сигнала при его приближении к частоте сильного сигнала.

Как и в предыдущем случае, недостатком такого шумоподавителя резонансного типа является то, что значительный уровень подавления слабого сигнала относительно сильного достигается лишь при сравнительно большой величине отстройки слабого сигнала от сильного (уровень подавления слабого сигнала на 10 дБ достигается при отстройках от частоты сильного сигнала, равной 2,06 ГГц, порядка 15 МГц - (см. Письма в ЖТФ. 2005. Т.31, вып.2. С.77-83).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является шумоподавитель, состоящий из двух идентичных полосно-пропускающих фильтров на ПМСВ, двух направленных ответвителей, фазовращателя, обеспечивающего сдвиг фазы на 180 градусов, и перестраиваемого аттенюатора (см. патент США №5307516, МПК Н 04 В 001/26). В основе конструкции данного устройства лежит мостовая схема, в первом плече которой находится фильтр на ПМСВ, способный работать в режиме ограничения мощности сильного сигнала, и переменный аттенюатор, а во втором - фазовращатель и фильтр на ПМСВ, работающий всегда в линейном режиме за счет поддержания уровня мощности СВЧ сигнала на его входе ниже порогового. Отмечается, что фильтр на ПМСВ, всегда работающий в линейном режиме, может быть заменен на аттенюатор и линию задержки. Один направленный ответвитель, расположенный на входе устройства, работает как делитель мощности, распределяя с неравными коэффициентами деления СВЧ сигнал между двумя плечами, а другой, расположенный на выходе устройства, работает как сумматор, осуществляя векторное сложение сигналов.

Конструктивно полосно-пропускающий фильтр на МСВ состоит из ферритовой пленки и микрополосковой линии - экранированной с одной стороны диэлектрической подложки с нанесенной на ее противоположную сторону микрополоской. Микрополоска выполнена с одним разрывом, при этом образуются две разнесенные друг относительно друга микрополоски, входная и выходная, на которые наложена ферритовая пленка. При определенной ориентации и величине внешнего постоянного магнитного поля в ферритовой пленке возбуждается ПМСВ. С целью повышения эффективности возбуждения ПМСВ свободные концы входной и выходной микрополосок выполняются в виде гребенок и заземляются. СВЧ сигнал, уровень мощности которого ниже некоторого порогового значения (слабый сигнал), на частотах возбуждения ПМСВ проходит через полосно-пропускающий фильтр с незначительным ослаблением (линейный режим). СВЧ сигнал, уровень мощности которого выше порогового значения (сильный сигнал), проходит через фильтр на ПМСВ, заметно ослабляясь (режим ограничения мощности сильного сигнала). По существу, полосно-пропускающий фильтр на МСВ является ограничителем мощности с характеристикой противоположной шумоподавителю (см. патент США №4283692, МПК Н 01 P 1/23).

Если СВЧ сигнал на входе рассматриваемого шумоподавителя на мостовой схеме является сильным, то после его деления по мощности между двумя плечами сигнал с более высоким уровнем мощности (выше порогового) поступает на вход фильтра на ПМСВ, работающего в режиме ограничения мощности сильного сигнала, а сигнал с более низким уровнем мощности (ниже порогового) поступает на вход фильтра на ПМСВ, работающего всегда в линейном режиме. После инвертирования фазовращателем фазы сигнала во втором плече устройства оба сигнала, прошедшие разные плечи, приходят на направленный ответвитель, расположенный на выходе устройства, и складываются. При этом на выходе устройства будет регистрироваться наличие суммарного сигнала, так как при сложении двух сигналов с противоположными фазами их амплитуды неравны между собой из-за ограничения одного из них в первом плече.

В случае, когда входной СВЧ сигнал является слабым, оба фильтра на ПМСВ работают в линейном режиме, и на выходе устройства наблюдается сильное подавление сигнала, так как сигналы, прошедшие разные плечи устройства, складываются на выходе направленного ответвителя с равными амплитудами и противоположными фазами. Получение на выходе устройства суммарного сигнала с амплитудой, близкой к нулевой, обеспечивается подгонкой амплитуды сигнала в первом плече с помощью переменного аттенюатора.

Данный шумоподавитель позволяет уменьшить пороговые уровни входной мощности (уровень, при котором устройство начинает работать как шумоподавитель, и уровень максимального подавления шума, соответственно), которые у традиционного шумоподавителя являются достаточно высокими, а также сузить интервал входных мощностей между этими двумя уровнями, что обеспечивает эффективное подавление шумов при сравнительно низком отношении несущая/шум принимаемых частотно-модулированных сигналов в диапазоне частот спутникового телевещания.

Недостатком такого устройства, ограничивающим возможности его использования в гетеродинах приемных устройств и в возбудителях передающих устройств СВЧ диапазона, является то, что значительный уровень подавления слабого сигнала относительно сильного достигается лишь при сравнительно большой величине отстройки слабого сигнала от сильного (уровень подавления слабого сигнала на 10 дБ достигается при отстройках от частоты сильного сигнала, равной 3,4 ГГц, порядка 15 МГц (см. IEEE Trans. on Microwave Theory Tech. 1993. V.41, №8. P.1316-1322).

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение уровня подавления слабого сигнала относительно сильного сигнала при сравнительно небольшой величине отстройки по частоте между ними.

Поставленная задача решается тем, что СВЧ устройство для подавления слабых сигналов вблизи частоты сильного сигнала согласно предлагаемому решению представляет собой мостовую схему, состоящую: из входного направленного ответвителя, работающего как делитель мощности и распределяющего с неравными, в общем случае, коэффициентами деления мощность входного сигнала между двумя плечами мостовой схемы; из выходного направленного ответвителя, работающего как сумматор и осуществляющего векторное сложение прошедших через оба плеча схемы сигналов; из находящегося в первом плече схемы нелинейного фазовращателя резонансного типа на МСВ, обеспечивающего сдвиг фазы между слабым и сильным сигналами около 90 градусов; из находящихся во втором плече схемы переменного аттенюатора и переменного линейного фазовращателя, обеспечивающего сдвиг фазы до 180 градусов.

Нелинейный фазовращатель резонансного типа на МСВ конструктивно аналогичен шумоподавителю резонансного типа на МСВ (см. патент на полезную модель РФ №41550 МПК Н 01 Р 1/23) и состоит из ферритовой пленки и микрополосковой линии - экранированной с одной стороны диэлектрической подложки с нанесенной на ее противоположную сторону микрополоской. Микрополоска выполнена с двумя разрывами по длине и образует резонансную систему, состоящую из микрополоскового полуволнового резонатора и двух элементов связи (входного и выходного), а ферритовая пленка расположена вдоль поперечной оси симметрии микрополоскового резонатора. Направление внешнего постоянного магнитного поля устанавливается таким, чтобы в ферритовой пленке возбуждалась ООМСВ, а величина поля и резонансная частота микрополоскового резонатора выбираются, в отличие от шумоподавителя резонансного типа на МСВ, из условия достижения в нелинейном фазовращателе резонансного типа на МСВ максимального сдвига фазы (около 90 градусов) между слабым и сильным сигналами на требуемой частоте.

Микрополосковые элементы связи в нелинейном фазовращателе резонансного типа на МСВ могут быть расположены со сдвигом относительно продольной оси микрополоскового резонатора по горизонтали и вертикали.

Переменный линейный фазовращатель может находиться в первом плече мостовой схемы вместе с нелинейным фазовращателем резонансного типа на МСВ.

Таким образом, известное устройство (шумоподавитель), в котором слабые сигналы эффективно подавляются только вдали от сильного сигнала, представляет собой мостовую схему, в которой полосно-пропускающий фильтр на ПМСВ, размещенный в первом плече устройства, является ограничителем мощности. В основе конструкции предлагаемого СВЧ устройства для эффективного подавления слабых сигналов вблизи сильного сигнала также лежит мостовая схема. Однако используемая в первом плече мостовой схемы резонансная система, состоящая из микрополосковой линии, выполненной в виде микрополоскового полуволнового резонатора проходного типа, поверх которой наложена ферритовая пленка, является нелинейным фазовращателем резонансного типа на МСВ. Именно использование в мостовой схеме нелинейного фазовращателя резонансного типа на МСВ позволяет осуществить подавление слабых сигналов в непосредственной близости от сильного сигнала.

Предлагаемое СВЧ устройство для подавления слабых сигналов вблизи частоты сильного сигнала поясняется чертежами, где на фиг.1 приведено его схематическое изображение, на фиг.2 - схематическое изображение нелинейного фазовращателя резонансного типа на МСВ, на фиг.3 - частотные характеристики разности модулей G и фаз F коэффициентов передачи слабого и сильного сигналов резонансной системы в односигнальном режиме, на фиг.4 - зависимость величины фазы слабого сигнала от величины его отстройки Δf от частоты сильного сигнала при их одновременном прохождении через нелинейный фазовращатель резонансного типа на МСВ (двухсигнальный режим), на фиг.5 - зависимость отношения К_вых/К_вх величины сильный сигнал/слабый сигнал на выходе предлагаемого СВЧ устройства К_вых к величине сильный сигнал/слабый сигнал на его входе К_вх от величины отстройки Δf.

Позициями на чертежах обозначены:

1, 3 - входной и выходной направленные ответвители соответственно;

2 - нелинейный фазовращатель резонансного типа на МСВ;

4 - переменный линейный фазовращатель;

5 - переменный аттенюатор;

6 - металлический экран;

7 - поликоровая подложка;

8 - микрополосковый резонатор;

9, 10 - входной и выходной элементы связи резонатора с трактом;

11 - ферритовая пленка;

12 - частотная характеристика разности G модулей коэффициентов передачи слабого и сильного сигналов резонансной системы в односигнальном режиме;

13 - частотная характеристика разности фаз F коэффициентов передачи слабого и сильного сигналов резонансной системы в односигнальном режиме.

Предлагаемое СВЧ устройство для подавления слабых сигналов вблизи частоты сильного сигнала, изображенное на фиг.1, состоит из двух направленных ответвителей 1 и 3, нелинейного фазовращателя резонансного типа на МСВ 2, переменного линейного фазовращателя 4 и переменного аттенюатора 5.

Нелинейный фазовращатель резонансного типа на МСВ, изображенный на фиг.2, содержит микрополосковый полуволновый резонатор 8 проходного типа, выполненный на лицевой стороне поликоровой подложки 7, на обратной стороне которой нанесен металлический экран 6. Связь микрополоскового резонатора с трактом осуществляется с помощью входного 9 и выходного 10 микрополосковых элементов связи. Ферритовая пленка 11 располагается вдоль оси симметрии резонатора. Внешнее постоянное магнитное поле H₀ прикладывается касательно к поверхности пленки и перпендикулярно микрополосковому резонатору. При этом в ферритовой пленке возбуждается ООМСВ. Величина поля и резонансная частота микрополоскового резонатора выбираются из условия достижения в нелинейном фазовращателе резонансного типа на МСВ максимального сдвига фазы (около 90 градусов) между слабым и сильным сигналами на требуемой частоте.

Конструктивно нелинейный фазовращатель резонансного типа на МСВ ничем не отличается от шумоподавителя резонансного типа на МСВ (Патент на полезную модель, Россия, №41550, МПК Н 01 Р 1/23). Основное отличие между ними заключается в использовании разных значений внешнего магнитного поля, при одном из которых на требуемой частоте будет эффективно сдвигаться фаза между слабым и сильным сигналами (в этом случае отсутствует подавление слабого сигнала относительно сильного), а при другом - эффективно подавляться слабый сигнал относительно сильного (в этом случае отсутствует сдвиг фазы между слабым и сильным сигналами).

На фиг.3 приведены результаты расчета двух нелинейных характеристик рассматриваемой резонансной системы в односигнальном режиме: нелинейного подавления СВЧ-сигнала G (12), представляющего собой разность модулей коэффициентов передачи, полученных в линейном режиме (слабый сигнал) и в режиме насыщения (сильный сигнал), и нелинейного сдвига фазы F (13), представляющего собой разность фаз коэффициентов передачи, полученных в линейном режиме и в режиме насыщения. Из представленных на фиг.3 результатов видно, что на частоте f₃ величина подавления слабого СВЧ сигнала относительно сильного G максимальна, а сдвиг фазы между СВЧ сигналами F равен нулю (резонансная система работает как эффективный шумоподавитель), на частотах f₁ и f₂, наоборот, сдвиг фазы F между слабым и сильным СВЧ сигналами максимален и составляет величину около 90 градусов, а величина подавления G равна нулю (резонансная система работает как эффективный нелинейный фазовращатель).

Как следует из результатов, представленных на фиг.4, при одновременном прохождении слабого сигнала и сильного, имеющего частоту f₂, через резонансную систему, работающую на данной частоте как нелинейный фазовращатель резонансного типа на МСВ, начиная с некоторой величины отстройки Δf, происходит резкое изменение величины фазы слабого сигнала, которая в пределе при равенстве частот обоих сигналов соответствует фазе сильного сигнала. Таким образом, в нелинейном фазовращателе резонансного типа на МСВ в двухсигнальном режиме значение фазы слабого сигнала изменяется на величину около 90 градусов вблизи частоты сильного сигнала.

СВЧ устройство для подавления слабых сигналов вблизи частоты сильного сигнала работает следующим образом.

СВЧ сигнал, состоящий из сильного сигнала с частотой f₂ и слабого сигнала с частотой f₀ вблизи частоты сильного сигнала, поступая на направленный ответвитель 1, разделяется между двумя плечами устройства, в одном из которых находится нелинейный фазовращатель резонансного типа на МСВ 2 (первое плечо), а во втором - переменный линейный фазовращатель 4 и переменный аттенюатор 5 (второе плечо). Поведение фазы слабого сигнала вблизи частоты сильного при его прохождении через нелинейный фазовращатель резонансного типа на МСВ показано на фиг.4; величину ослабления этих сигналов приближенно можно считать одинаковой (см. фиг.3). Во втором плече находятся только линейные элементы 4 и 5, одинаково изменяющие фазы и амплитуды слабого и сильного сигналов. С помощью переменного линейного фазовращателя 4 величина фазы слабого сигнала во втором плече устанавливается такой, чтобы разность фаз слабых сигналов в первом и во втором плечах устройствах составляла величину 180 градусов. При этом разность фаз сильных сигналов будет отличной от этой величины. С помощью переменного аттенюатора 5 величина ослабления во втором плече подбирается такой, чтобы амплитуды двух слабых сигналов, прошедших разные плечи устройства, на выходе направленного ответвителя 3 имели одинаковую величину.

Таким образом, слабые сигналы с частотой f₀, прошедшие разные плечи устройства, будут иметь при сложении в направленном ответвителе 3 одинаковые амплитуды, а их фазы будут сдвинуты друг относительно друга на 180 градусов. При этом на выходе устройства не будет регистрироваться наличие суммарного сигнала на частоте f₀. Сильные сигналы, прошедшие через оба плеча, не будут отличаться по фазе на 180 градусов при сложении в направленном ответвителе 3, поэтому суммарный сигнал на частоте f₂ будет регистрироваться на выходе устройства.

На фиг.5 приведены результаты расчета, демонстрирующие увеличение отношения сильный сигнал/слабый сигнал в предлагаемом СВЧ устройстве при отстройках Δf слабого сигнала от частоты сильного сигнала f₂ менее 1 МГц. Отстройка частоты f₀ от частоты сильного сигнала f₂, равной 2172 МГц составляет величину 100 кГц, при этом на частоте f₀ наблюдается максимальное подавление слабого сигнала относительно сильного. Видно, что увеличение отношения сильный сигнал/слабый сигнал на 10 дБ и более в предлагаемом СВЧ устройстве наблюдается при отстройках слабого сигнала по обе стороны от частоты сильного сигнала на величину порядка 45 кГц и более.

Таким образом, полученный результат свидетельствует о возможности использования предлагаемого СВЧ устройства в качестве эффективного подавителя слабых сигналов вблизи частоты сильного сигнала.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к волноведущим системам, и может быть использовано для подавления слабых сигналов вблизи частоты сильного сигнала (несущей) в гетеродинах приемных устройств и в возбудителях передающих устройств СВЧ диапазона. Техническим результатом является увеличение уровня подавления слабого сигнала относительно сильного сигнала при сравнительно небольшой величине отстройки по частоте между ними. Устройство представляет собой мостовую схему, состоящую из входного направленного ответвителя, работающего как делитель мощности, и выходного направленного ответвителя, работающего как сумматор. В первое плечо схемы включен нелинейный фазовращатель резонансного типа на магнитостатических волнах (МСВ), обеспечивающий сдвиг фазы между слабым и сильным сигналами около 90 градусов, во втором плече схемы включены переменный аттенюатор и переменный линейный фазовращатель, обеспечивающий сдвиг фазы до 180 градусов. Микрополосковые элементы связи в нелинейном фазовращателе резонансного типа на МСВ могут быть расположены со сдвигом относительно продольной оси микрополоскового резонатора. 5 ил.

СВЧ-устройство для подавления слабых сигналов вблизи частоты сильного сигнала, представляющее собой мостовую схему, состоящую из входного направленного ответвителя, работающего как делитель мощности и распределяющего с неравными коэффициентами деления мощность входного сигнала между двумя плечами мостовой схемы; из выходного направленного ответвителя, работающего как сумматор и осуществляющего векторное сложение прошедших через оба плеча мостовой схемы сигналов, и включающую переменный аттенюатор и переменный линейный фазовращатель, отличающееся тем, что в первое плечо мостовой схемы введен нелинейный фазовращатель резонансного типа на магнитостатических волнах (МСВ), состоящий из ферритовой пленки и микрополосковой линии - экранированной с одной стороны диэлектрической подложки с нанесенной на ее противоположную сторону микрополоской, причем микрополоска выполнена с двумя разрывами по длине и образует резонансную систему из микрополоскового полуволнового резонатора и входного и выходного элементов связи, при этом ферритовая пленка расположена вдоль поперечной оси симметрии микрополоскового резонатора, а величина внешнего постоянного магнитного поля и резонансная частота микрополоскового резонатора выбираются из условия достижения в нелинейном фазовращателе резонансного типа на МСВ максимального сдвига фазы между слабым и сильным сигналами на требуемой частоте, при этом переменный аттенюатор включен во второе плечо мостовой схемы, а переменный линейный фазовращатель включен в одно из ее плеч.