СВЧ-ДИПЛЕКСЕР Российский патент 2008 года по МПК H01P1/213 

Изобретение относится к частотно-избирательным разветвителям или мультиплексорам, которые применяются для разделения сигналов различных частот, существующих в одной и той же цепи и направляющих их в дополнительные цепи или наоборот. Диплексер - это мультиплексор, разделяющий полосу частот сигналов, существующую в одной цепи, на два поддиапазона частот.

Известен частотный разделитель (RU пат. №853720, доп. к авт. св. №716460, Н01Р 1/213, 15.04.94. Бюл. №7). Он содержит корпус с входными и выходными разъемами, в котором размещены возбуждающая линия, соединенная одним концом с входным разъемом, а другим концом - с согласованной нагрузкой, и связанные с возбуждающей линией фильтры на спиральных резонаторах, расположенные перпендикулярно возбуждающей линии, причем входные резонаторы фильтров установлены с возможностью осевого смещения. Внутренний проводник возбуждающей линии выполнен в виде соосных проводников, последовательно соединенных между собой через дополнительно веденные спирали, охватывающие входные резонаторы фильтров.

Недостаток аналога - узкополосность дополнительных (связанных) цепей, обусловленная узкополосностью спиральных резонаторов, и сложность их настройки.

Также известен мультиплексор, разделяющий широкополосный сигнал на N цепей (А.Ф.Харвей. «Техника сверхвысоких частот. Том 1, 1965 г., стр.290, 291, рис.5.18»). Мультиплексор содержит волновод основной цепи и N волноводов дополнительных цепей. Волноводы дополнительных цепей соединены с волноводом основной цепи через отверстия связи. На входе каждой дополнительной цепи включен полуволновый резонатор, настроенный на частоту сигнала, который необходимо иметь в данной цепи. На выходе волновода основной цепи также включен полуволновый резонатор, настроенный на определенную частоту сигнала. Полуволновые резонаторы узкополосные, поэтому все дополнительные цепи мультиплексора узкополосные, что и является его недостатком. Полуволновые резонаторы нуждаются в сложной настройке.

За прототип изобретения принят направленный фильтр (SU пат. №1580460, Н01Р 1/20, 23.07.90. Бюл. №27), содержащий два фильтра на одну частоту, согласованную нагрузку, фазовращатель на 180°, первый и второй направленные ответвители. Выход основного канала первого направленного ответвителя подключен к входу основного канала второго направленного ответвителя через первый фильтр, а выход его дополнительного канала подключен ко второму фильтру. Между вторым фильтром и входом дополнительного канала второго направленного ответвителя включен фазовращатель. Согласованная нагрузка подключена к выходу дополнительного канала второго направленного ответвителя.

Недостаток направленного фильтра состоит в том, что для расширение полосы рабочих частот необходимо каждый раз настраивать фазовращатель. В противном случае на входы второго направленного ответвителя поступят сигналы первой частоты не в фазе, вплоть до противофазы, и на его выходе сигнала первой частоты не будет.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена блок-схема диплексера по изобретению, на которой введены обозначения:

1 - направленный ответвитель (НО) с основной и связанной линией;

а - вход и б - выход основной линии НО 1;

в - связанный и г - развязанный выходы связанной линии НО 1;

2 - первый широкополосный фильтр низких частот (ФНЧ-2);

3 - второй широкополосный фильтр низких частот (ФНЧ-3);

4 - согласованная нагрузка.

На фиг.2 представлена схема фильтра низких частот, реализованного с помощью шлейфов, на которой введены обозначения:

5 - основная линия;

6 - шлейфы.

На фиг.3 представлены амплитудно-частотные характеристики диплексера при идеальных характеристиках ФНЧ фильтров и настройке НО 1 на Fo=15 ГГц (частота максимальной связи с НО), на которых введены обозначения:

1 - относительная мощность в НЧ канале при связи линий в НО 4 дБ,

2 - относительная мощность в НЧ канале при связи линий в НО 3 дБ,

3 - относительная мощность в ВЧ канале при связи линий в НО 3 дБ,

4 - относительная мощность в ВЧ канале при связи линий в НО 4 дБ,

5 - относительная мощность в связанной линии НО при связи 3 дБ и настройке на частоту Fo=15 ГГц без фильтров,

6 - относительная мощность в связанной линии НО при связи 4 дБ.

Технический результат изобретения - увеличение ширины полос каналов СВЧ-диплексера и увеличение суммарной полосы поддиапазонов пропускания до нескольких октав за счет когерентного сложения сигналов в области высоких частот, за счет того, что полоса области связи НО сравнима с полосой высокочастотного канала и за счет отсутствия сигналов со случайной фазой в обоих частотных каналах.

Технический результат достигается за счет того, что диплексер содержит устройство разделения входной мощности на два канала, выполненное в виде направленного ответвителя 1, два полосовых фильтра низких частот 2 и 3 (фиг.1) и согласованную нагрузку 4. Вход фильтра низких частот 2 (фиг.2) соединен с выходом «б» основного плеча направленного ответвителя 1. Вход фильтра низких частот 3 соединен с выходом «в» связанной линии направленного ответвителя 1. Выход фильтра низких частот 3 соединен с входом согласованной нагрузки 4.

Вход «а» основного канала НО 1 является входом диплексера, а его выход «б» - выходом сигналов низкочастотного (НЧ) поддиапазона частот. Развязанный выход «г» связанной линии НО 1 является выходом сигналов высокочастотного (ВЧ) поддиапазона частот.

Общие признаки направленного фильтра и СВЧ-диплексера: направленный ответвитель, согласованная нагрузка и два фильтра поддиапазона низких частот. Один фильтр включен на выходе основного плеча направленного ответвителя, а второй фильтр включен на направленном выходе бокового плеча направленного ответвителя.

СВЧ-диплексер по изобретению работает следующим образом (фиг.1). Сигнал ВЧ поддиапазона с частотой, более частоты разделения, поступивший на вход «а» основной линии НО 1, частично ответвляется в связанное плечо связанной линии НО 1, в котором включен ФНЧ 3, и отражается от этого фильтра в силу настройки фильтра на частоту разделения частотных каналов. Другая часть этого сигнала отражается от ФНЧ 2 на выходе «б» прямой линии НО 1 и ответвляется в развязанное плечо связанной линии НО 1. В силу фазовых соотношений в НО 1 и симметричного расположения фильтров низкой частоты 2 и 3 относительно области связи НО 1 отраженные от этих фильтров сигналы суммируются в развязанном плече «г» связанной линии НО 1. При этом имеются частичные потери на отражение на входе «а» основной линии НО 1 при связи линий НО на частоте входного сигнала менее 3 дБ.

В НЧ поддиапазоне всегда имеются потери из-за поглощения части мощности в согласованной нагрузке 4 в связанном плече связанной линии, поскольку связь в НО 1 и на низких частотах не равна нулю.

Если связь 3 дБ, то вся высокочастотная (ВЧ) часть мощности, которая отразилась от обоих фильтров, суммируется на выходе «г» развязанного плеча связанной линии НО 1, в силу свойств НО. Если связь меньше 3 дБ, то часть мощности ВЧ отражается на вход «а» НО 1. Существенное отличие предлагаемой схемы диплексера состоит в возможности использования НО со связью менее 3 дБ. В известных устройствах связь 3 дБ на высоких частотах технологически реализовать очень сложно.

Главные преимущества предлагаемого диплексера:

- вся мощность (принципиально малые потери допускаются) соответствующих частот попадает в свой частотный канал;

- случайная компонента мощности на входе каждого канала отсутствует.

Эти преимущества обусловлены свойствами НО. Поясним последнее положение на примере упрощенного расчета. Пусть на вход НО 1 на какой либо частоте поступает относительная мощность Р=1. Представим значение в виде суммы .

θ - фазовый угол синусоидального сигнала.

Пренебрегая потерями в развязанном плече НО, можно считать, что соотношением (1) связаны амплитуды сигналов, прошедших на выход связанного и прямого плеча НО. Это одно из свойств любого направленного ответвителя. Таким образом, комплексная амплитуда волны на выходе прямого канала НО перед ФНЧ 2 равна:

где

π/2 - фаза сигнала в прямом канале НО относительно связанного канала (π - число пи), которая реализуется с большой точностью в рабочей полосе НО;

Δϕ₁ - фаза сигнала в основном канале НО за счет пути от области связи до ФНЧ 2.

Комплексная амплитуда волны, дошедшая в связанном плече НО до ФНЧ 3, равна:

где Δϕ₂ - равна Δϕ₁, в силу условия симметричной установки фильтров относительно области связи.

Рассмотрим сначала высокочастотную волну. Для простоты полагаем, что она полностью отражается от ФНЧ 2 и ФНЧ 3. Отраженные волны от этих фильтров попадают на выход «г» связанного канала НО 1. Этот суммарный сигнал равен:

U₁=Uc·sinθ·expi(Δϕ₁)+Us·cosθ·expi(π/2+Δϕ₁)=2·sinθ·cosθ·expi(π/2+2Δϕ₁).

Таким образом, .

Часть сигнала на рассматриваемой частоте отражается во входной канал НО, легко показать, что .

При связи 3 дБ sinθ=cosθ, следоваетльно θ=π/4 и

U₁=expi(π/2+2Δϕ₁), Uотр=0,

т.е. вся мощность попадает в высокочастотный канал (на выход развязанного канала НО).

Сигнал с частотой низкочастотного поддиапазона, поступивший на вход основного канала НО, проходит в низкочастотный канал ФНЧ 2 с амплитудой:

НО 1 представляет собой ответвитель с четвертьволновой связью.

Для изобретения существенно, чтобы ответвитель обладал свойством, записанным в формуле (2), и чтобы в низкочастотной области вне области связи НО свободно пропускал низкочастотные сигналы.

Величина связи каналов может быть менее 3 дБ. Ограничения определяются требованиями к отраженной волне:

При требовании, чтобы был КСВ≤2 получаем Ctg²θ≤2 или θ≥35°, т.е. связь должна быть не менее 4,8 дБ в наихудшей частотной точке разделения частотных каналов.

На фиг.3 представлены амплитудно-частотные характеристики диплексера в предположении идеальных фильтров, насторенных на частоту Fc=12 ГГц и при настройке НО на частоту максимальной связи Fo=15 ГГц для связи 3 и 4 дБ. Рабочая полоса диплексера при этом располагается от 1 до 18 ГГц, при разделении входного сигнала на два поддиапазона: 1,0-12 ГГц и 12-18 ГГц. Благодаря описанным свойствам НО, компонента сигнала со случайной фазой отсутствует.

Пример выполнения СВЧ-диплексера

Изобретение реализовано с помощью НО со связью каналов 4 дБ на частоте 15 ГГц. На такой частоте реализовать связь 3 дБ на микрополосковой линии на поликоровой акриловой подложке толщиной 0, 5 мм трудно технологически. НО реализован на линии с подвешенной подложкой с помощью обычной тонкопленочной технологии. Параметры НО рассчитаны по программе Serenada, геометрические размеры поясняются на фиг.4.

Диэлектрическая постоянная подложки Er=9,8.

Расстояние от подложки до верхнего экрана HU=5 мм.

Толщина подложки Н=0,5 мм.

Расстояние от подложки до нижнего экрана HL=0,1 мм.

Ширина полоски в области связи W=0,18 мм.

Зазор между полосками S=0,03 мм.

Диэлектрическая постоянная для четной волны Еее=4,494.

Диэлектрическая постоянная для нечетной волны Еоо=5,382.

Входное сопротивление НО ZO=65,8 Ом.

Ширина полоски WO=0,43 мм для подвешенной линии с сопротивлением 65,8 Ом.

Коэффициент укорочения длины в области связи N=2,28.

Длина области связи L=2,12 мм на 15 ГГц.

Параметры НО рассчитаны по программе Serenada, моделирование ФНЧ выполнено с помощью программы Micro Wave, геометрические размеры ФНЧ поясняются на фиг.2.

Ширина шлейфа w=0,3 мм.

Длина шлейфа Lшл=1,2 мм.

Расстояние между шлейфами d=1,9 мм.

Реализованный НО не имеет внутренних перемычек в отличие от моста Ланге, реализация которого при таких малых размерах не обеспечивает повторяемости параметров. СВЧ-диплексер осуществлен с помощью тонкопленочной технологии и обеспечивает технический результат - суммарная полоса поддиапазонов пропускания диплексера составляет 1-18 ГГц.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к частотно-избирательным разветвителям, предназначенным для разделения сигналов различных частот. СВЧ-диплексер содержит устройство разделения входной мощности на два канала, выполненное в виде направленного ответвителя (НО), два полосовых фильтра низких частот (НЧ) и согласованную нагрузку. Вход одного фильтра НЧ соединен с выходом основного плеча НО. Вход второго фильтра НЧ соединен с выходом связанной линии НО. Выход второго фильтра НЧ соединен с входом согласованной нагрузки. Технический результат изобретения - увеличение ширины полос каналов СВЧ-диплексера и увеличение суммарной полосы поддиапазонов пропускания до нескольких октав. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. СВЧ-диплексер, содержащий направленный ответвитель, согласованную нагрузку и два фильтра, причем один фильтр включен на выходе основного плеча направленного ответвителя, а второй фильтр включен на направленном выходе бокового плеча направленного ответвителя, отличающийся тем, что согласованная нагрузка включена на выходе второго фильтра.2. СВЧ-диплексер по п.1, отличающийся тем, что фильтры выполнены поддиапазона низких частот.