Двенадцатипортовый кроссовер Российский патент 2023 года по МПК H01Q3/00 H01Q13/00 H01P5/18 

Изобретение относится к СВЧ технике, в частности для обеспечения непрерывной передачи сигналов в шести пересекающихся направлениях без их взаимодействия друг с другом.

Широко известны шлейфные квадратурные ответвители, содержащие диэлектрическую подложку, которая с одной стороны полностью металлизирована (экран), а с противоположной стороны расположена топология устройства, состоящая из двух параллельных линий передачи, соединенных четвертьволновыми шлейфами на расстоянии четверти длины волны друг от друга (Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика - «Связь», 1971. - 487 с.). Это устройство делит входную мощность между двумя своими выходами с требуемым коэффициентом деления и разностью фаз 90°. При этом оставшийся выход развязан. Недостатками такого ответвителя являются: значительные габариты, особенно на низких частотах, неиспользуемая площадь внутри устройства и наличие паразитных полос на более высоких частотах.

Простейшим способом реализации двух пересекающихся микрополосковых линий является использование навесных элементов. Более сложный вариант заключается в использовании многослойных подложек. Если пересечение нужно выполнить в одном слое проводника, то можно использовать пару двухшлейфных мостов, соединенных последовательно, или применить двухшлейфный направленный ответвитель с сонаправленным типом направленности и полной связью (сигнал, поступающий на вход устройства, проходит на выход, расположенный по диагонали устройства).

Для оценки современного состояния вопроса в области разработки СВЧ кроссоверов рассмотрим некоторые работы, описывающие схемотехнические решения, позволяющие реализовать физическое пересечение нескольких линий передачи с высокой развязкой между ними.

В [WANG, Y., HENIN, B. and ABBOSH, A., 2013. Wideband microwave crossover using slotted microstrip patch, IEEE Antennas and Propagation Society, AP-S International Symposium (Digest) 2013, pp. 1002-1003] описан широкополосный четырехпортовый кроссовер, состоящий из «патча» с изогнутыми краями и четырех симметричных веерообразных прорезей внутри него.

В [ABBOSH, A., IBRAHIM, S. and KARIM, M., 2012. Ultra-wideband crossover using microstrip-to-coplanar waveguide transitions. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 22(10), pp. 500-502] представлен сверхширокополосный кроссовер, который включает в себя пару микрополосково-компланарных волноводов с широкой связью, переходные отверстия и пару микрополосково-компланарных волноводов.

В [LIU, W., ZHANG, Z., FENG, Z. and ISKANDER, M.F., 2012. A compact wideband microstrip crossover. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 22(5), pp. 254-256] авторам удалось получить кроссовер, состоящий из компланарных волноводов, переходных отверстий и двух слоев подложки.

В [MEHTA, M.T., NAVEEN, K.A., RAJAN, V., PILLAI, R. and MENON, S.K., 2016. Planar crossover for beamforming networks using Sierpenski gaskets, 2015 International Conference on Control, Communication and Computing India, ICCC 2015 2016, pp. 459-463] исследован кроссовер с четырьмя портами, соединёнными с квадратной площадке с вырезами.

В [ZHOU, Y., ZHOU, K., ZHANG, J., ZHOU, C. and WU, W., 2018. Miniaturized substrate integrated waveguide filtering crossover, 2017 IEEE Electrical Design of Advanced Packaging and Systems Symposium, EDAPS 2017 2018, pp. 1-3] для реализации кроссовера используются интегральные волноводы на подложке.

В [CHIOU, Y.-., KUO, J.-. and LEE, H.-., 2009. Design of compact symmetric four-port crossover junction. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 19(9), pp. 545-547] описана схема кроссовера, состоящая из кольца и двух внутренних ортогональных секции, соединяющих диагональные порты. В [TANG, C.-., LIN, K.-. and CHEN, W.-., 2014. Analysis and design of compact and wide-passband planar crossovers. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 62(12), pp. 2975-2982] описана аналогичная конструкция.

В [YAO, J., LEE, C. and YEO, S.P., 2011. Microstrip branch-line couplers for crossover application. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 59(1), pp. 87-92] описан кроссовер, полученный на схеме четырехшлейфного направленного ответвителя с полной связью. В [NACHOUANE, H., NAJID, A., TRIBAK, A. and RIOUCH, F., 2014. Broadband 4×4 Butler matrix using wideband 90° hybrid couplers and crossovers for beamforming networks, International Conference on Multimedia Computing and Systems -Proceedings 2014, pp. 1444-1448] описана аналогичная конструкция, но с использование пятишлейфного направленного ответвителя.

В [LIU, X., YU, C., LIU, Y., LI, S., WU, F. and SU, M., 2010. A novel compact planar crossover with simple design procedure, Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings, APMC 2010, pp. 1633-1636] описано несколько конструкций кроссовера.

Все описанные выше кроссоверы обеспечивают непрерывную передачу сигналов в двух пересекающихся направлениях без их взаимодействия друг с другом. Недостатком этих конструкций является невозможность обеспечить необходимую передачу сигналов при пересечении более двух линий.

Если необходимо обеспечить передачу сигналов по трем пересекающимся линиям, то можно рассмотреть следующие работы: [TANG, C.-. and CHUANG, W.-., 2015. Design of the Planar Six-Port Crossover with Double Rings. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 25(10), pp. 651-653], [WU, L.-., GUO, Y.-. and MAO, J.-., 2014. A planar microstrip crossover with lumped inductors for three intersecting channels. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 62(4), pp. 851-860] и [WU, L.-. and MAO, J.-., 2016. A planar filtering crossover for three intersecting channels, IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest 2016]. Все три конструкции спроектированы таким образом, чтобы большая часть входной мощности передается только на один выход.

В случае если необходимо обеспечить передачу сигналов по четырем пересекающимся линиям, то в [CHU, P.-. and TANG, C.-., 2018. Design of a Compact Planar Crossover with Four Intersecting Channels. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 28(4), pp. 293-295] представлена конструкция кроссовера, состоящая из двух каскодированных колец с восьмью портами, а электрические длины отрезков и соотношения сопротивлений между линиями выбирались исходя из достижения желаемой центральной частоты.

В результате были рассмотрены кроссоверы, позволяющие имитировать работу двух, трех и четырех пересекающихся линий. Работ, обеспечивающих передачу сигнала более чем по четырем пересекающимся линиям, обнаружено не было.

Технической проблемой, решаемой данным изобретением, является расширение арсенала технических средств за счет обеспечения возможности непрерывной передачи сигналов в шести пересекающихся направлениях без их взаимодействия друг с другом, а также создание простой и надежной конструкции кроссовера с помощью набора однотипных направленных ответвителей с полной связью.

Техническим результатом изобретения является создание кроссовера без применения многослойных подложек и навесных элементов, что позволяет расширить арсенал кроссоверов и устройств с их применением (диаграммообразующих схем).

Технический решение достигается тем, что двенадцатипортовый кроссовер, характеризующийся тем, что содержит двенадцать входных линий и тринадцать направленных ответвителей с полной связью, диэлектрическую подложку, одна поверхность которой металлизирована, а на другой, первый вход первого направленного ответвителя соединен с первым входом устройства, второй вход первого направленного ответвителя соединен со вторым входом устройства, третий вход первого направленного ответвителя соединен с первым входом третьего направленного ответвителя, четвертый вход первого направленного ответвителя соединен с первым входом второго направленного ответвителя, второй вход второго направленного ответвителя соединен с третьим входом устройства, третий вход второго направленного ответвителя соединен со вторым входом третьего направленного ответвителя, четвертый вход второго направленного ответвителя соединен с первым входом шестого направленного ответвителя, третий вход третьего направленного ответвителя соединен со вторым входом пятого направленного ответвителя, четвертый вход третьего направленного ответвителя соединен с первым входом седьмого направленного ответвителя, первый вход пятого направленного ответвителя соединен со вторым входом четвертого направленного ответвителя, третий вход пятого направленного ответвителя соединен со вторым входом восьмого направленного ответвителя, четвертый вход пятого направленного ответвителя соединен со вторым входом седьмого направленного ответвителя, первый вход четвертого направленного ответвителя соединен с четвертым входом устройства, третий вход четвертого направленного ответвителя соединен с шестым входом устройства, четвертый вход четвертого направленного ответвителя соединен с первым входом восьмого направленного ответвителя, третий вход восьмого направленного ответвителя соединен с восьмым входом устройства, четвертый вход восьмого направленного ответвителя соединен с первым входом двенадцатого направленного ответвителя, второй вход шестого направленного ответвителя соединен с пятым входом устройства, третий вход шестого направленного ответвителя соединен со вторым входом девятого направленного ответвителя, четвертый вход шестого направленного ответвителя соединен с первым входом десятого направленного ответвителя, третий вход седьмого направленного ответвителя соединен с первым входом девятого направленного ответвителя, третий вход девятого направленного ответвителя соединен со вторым входом одиннадцатого направленного ответвителя, четвертый вход девятого направленного ответвителя соединен с третьим входом десятого направленного ответвителя, второй вход десятого направленного ответвителя соединен с седьмым входом устройства, четвертый вход десятого направленного ответвителя соединен с девятым входом устройства, первый вход одиннадцатого направленного ответвителя соединен с четвертым входом седьмого направленного ответвителя, третий вход одиннадцатого направленного ответвителя соединен со вторым входом двенадцатого направленного ответвителя, четвертый вход одиннадцатого направленного ответвителя соединен со вторым входом тринадцатого направленного ответвителя, третий вход двенадцатого направленного ответвителя соединен с десятым входом устройства, четвертый вход двенадцатого направленного ответвителя соединен с первым входом тринадцатого направленного ответвителя, третий вход тринадцатого направленного ответвителя соединен с одиннадцатым входом устройства, четвертый вход тринадцатого направленного ответвителя соединен с двенадцатым входом устройства.

Волновые сопротивления направленных ответвителей с полной связью рассчитываются таким образом, чтобы обеспечить передачу входного сигнала на выход, расположенный диагонально, с минимальной передачей сигнала на два других выхода. Чем лучше настроен ответвитель, тем больший процент входного сигнала достигнет желаемого выхода. Конструкция направленных ответвителей может быть различной. Однако если используются шлейфные квадратурные ответвители, то чем больше шлейфов в ответвителе, тем шире полоса частот, в которой входной сигнал передается на желаемый выход. Однако это также приведет к увеличению габаритов устройства.

На фиг. 1 показана схема двенадцатипортового кроссовера, состоящего из тринадцати направленных ответвителей (1А-13А), соединенных особым образом.

На фиг. 2 представлен пример конструкции двенадцатипортового кроссовера (одна из возможных топологий, полученная по схеме на фиг.1).

На фиг. 3 показаны частотные характеристики двенадцатипортового кроссовера (фиг. 2) полученные в программе Cadence AWR - график S-параметров от частоты.

На диэлектрической подложке, с одной стороны (фиг. 2) расположена топология двенадцатипортового кроссовера, состоящего из двенадцати подводящих линий (входных/выходных отрезков) и тринадцати направленных ответвителей с полной связью (осуществляющих передачу входного сигнала на порт расположенных по диагонали и тем самым имитирующих работу двух пересекающихся линий), а с другой стороны полностью металлизированная поверхность.

Пример предлагаемой конструкции двенадцатипортового кроссовера, реализованного на подложке Rogers 3300 толщиной 1,024 мм (фиг. 2), работает на центральной частоте 1 ГГц. В этой конструкции используются четырехшлейфные направленные ответвители с полной связью (кроссоверами имитирующие пересечение двух линий). Коэффициент передачи на центральной частоте составляет 1.7 дБ (фиг. 3).

Двенадцатипортовый кроссовер согласно изобретению, работает следующим образом.

Допустим, входной сигнал с частотой 1 ГГц, поступающий на вход 2 двенадцатипортового кроссовера, подается на вход направленного ответвителя с полной связью 1А, проходя через который сигнал поступает на выход, расположенный по диагонали. Затем сигнал распространяется по линии передачи, соединяющей направленные ответвители с полной связью 1А и 3А. Сигнал, поступающий на вход направленного ответвителя с полной связью 3А, проходит через него и поступает на выход, расположенный диагонально, а затем поступает по линии передачи на вход направленного ответвителя с полной связью 7А. Сигнал, поступающий на вход направленного ответвителя с полной связью 7А, проходит через него и поступает на выход, расположенный диагонально, а затем поступает по линии передачи на вход направленного ответвителя с полной связью 11А. Далее сигнал, поступающий на вход направленного ответвителя с полной связью 11А, проходит через него и поступает на выход, расположенный диагонально, а затем поступает по линии передачи на вход направленных ответвителей с полной связью 13А. Сигнал, поступающий на вход направленного ответвителя с полной связью 13А, проходит через него и поступает на выход, расположенный диагонально, а затем поступает по линии передачи на 8-й выход двенадцатипортового кроссовера. При подаче сигнала на любой другой порт двенадцатипортовый кроссовер будет работать аналогичным образом.

Изобретение относится к СВЧ технике, в частности для обеспечения непрерывной передачи сигналов в шести пересекающихся направлениях без их взаимодействия друг с другом. Техническим результатом изобретения является создание кроссовера без применения многослойных подложек и навесных элементов, что позволяет расширить арсенал кроссоверов и устройств с их применением (диаграммообразующих схем). 3 ил.

1. Двенадцатипортовый кроссовер, характеризующийся тем, что содержит двенадцать входных линий и тринадцать направленных ответвителей с полной связью, диэлектрическую подложку, одна поверхность которой металлизирована, а на другой, первый вход первого направленного ответвителя соединен с первым входом устройства, второй вход первого направленного ответвителя соединен со вторым входом устройства, третий вход первого направленного ответвителя соединен с первым входом третьего направленного ответвителя, четвертый вход первого направленного ответвителя соединен с первым входом второго направленного ответвителя, второй вход второго направленного ответвителя соединен с третьим входом устройства, третий вход второго направленного ответвителя соединен со вторым входом третьего направленного ответвителя, четвертый вход второго направленного ответвителя соединен с первым входом шестого направленного ответвителя, третий вход третьего направленного ответвителя соединен со вторым входом пятого направленного ответвителя, четвертый вход третьего направленного ответвителя соединен с первым входом седьмого направленного ответвителя, первый вход пятого направленного ответвителя соединен со вторым входом четвертого направленного ответвителя, третий вход пятого направленного ответвителя соединен со вторым входом восьмого направленного ответвителя, четвертый вход пятого направленного ответвителя соединен со вторым входом седьмого направленного ответвителя, первый вход четвертого направленного ответвителя соединен с четвертым входом устройства, третий вход четвертого направленного ответвителя соединен с шестым входом устройства, четвертый вход четвертого направленного ответвителя соединен с первым входом восьмого направленного ответвителя, третий вход восьмого направленного ответвителя соединен с восьмым входом устройства, четвертый вход восьмого направленного ответвителя соединен с первым входом двенадцатого направленного ответвителя, второй вход шестого направленного ответвителя соединен с пятым входом устройства, третий вход шестого направленного ответвителя соединен со вторым входом девятого направленного ответвителя, четвертый вход шестого направленного ответвителя соединен с первым входом десятого направленного ответвителя, третий вход седьмого направленного ответвителя соединен с первым входом девятого направленного ответвителя, третий вход девятого направленного ответвителя соединен со вторым входом одиннадцатого направленного ответвителя, четвертый вход девятого направленного ответвителя соединен с третьим входом десятого направленного ответвителя, второй вход десятого направленного ответвителя соединен с седьмым входом устройства, четвертый вход десятого направленного ответвителя соединен с девятым входом устройства, первый вход одиннадцатого направленного ответвителя соединен с четвертым входом седьмого направленного ответвителя, третий вход одиннадцатого направленного ответвителя соединен со вторым входом двенадцатого направленного ответвителя, четвертый вход одиннадцатого направленного ответвителя соединен со вторым входом тринадцатого направленного ответвителя, третий вход двенадцатого направленного ответвителя соединен с десятым входом устройства, четвертый вход двенадцатого направленного ответвителя соединен с первым входом тринадцатого направленного ответвителя, третий вход тринадцатого направленного ответвителя соединен с одиннадцатым входом устройства, четвертый вход тринадцатого направленного ответвителя соединен с двенадцатым входом устройства.