Способ подавления отражённых волн на внеполосных частотах СВЧ тракта Российский патент 2025 года по МПК H01P1/36 

Изобретение относится к технике устройств СВЧ и может быть использовано в связи, радиолокации, измерительных приборах с многоканальным СВЧ трактом для устранения переотражений между каскадами усиления, преобразования и частотной селекции.

Известен способ подавления отражённых волн, основанный на применении волноводных и полосковых вентилей и циркуляторов на ферритах, позволяющих получить невзаимные свойства среды распространения падающих и отражённых волн, распространяющих в противоположных направлениях (А.А. Микаэлян. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах, ГЭИ, М.: 1963; С.Б. Карбовский, В.Н. Шахгеданов. Ферритовые циркуляторы и вентили. М.: Советское радио, 1970).

Известен СВЧ-вентиль (Пат. №2809942. СВЧ-вентиль на основе интегрированного в подложку волновода. Демшевский В.В. и др. 13.06.2023), построенный на основе упомянутого способа использования невзаимных свойств подмагниченного феррита. СВЧ-вентиль содержит ферритовую подложку между двумя плечами с микрополосковыми выводами. Каждое плечо содержит волновод, интегрированный в ферритовую подложку с верхней и нижней металлизацией. Третье плечо содержит закороченный участок, в котором расположена радиопоглощающая нагрузка. Недостатком способа подавления отражённых волн, применённого в СВЧ-вентиле по патенту №2809942 является ограниченность диапазона частот, в котором осуществляется подавление отражённых волн ±11% от центральной частоты и невозможность подавления паразитных полос пропускания источника отражённых волн без рассогласования СВЧ тракта, т.к. свойства невзаимности сохраняются в полосе пропускания вентиля порядка ±11% от центральной частоты, а за нижней и верхней границами частотного диапазона вентиль оказывается рассогласованным.

Известны волноводные вентили фазового типа, реализующие способ внесения невзаимного фазового сдвига в один из двух каналов распространения электромагнитной волны с последующим сложением волн в двух каналах на выходе устройства (Пат. №2297080. Волноводный вентиль фазового типа. Немоляев А.Н. 04.10.2005). Применённый способ внесения невзаимного фазового сдвига не позволяет расширить диапазон частот, в котором достигается согласование самого вентиля по причине частотной зависимости разностного фазового сдвига, следовательно, будет рассогласован и тракт СВЧ, в котором включается вентиль. Полоса частот микрополосковых вентилей составляет 1:1.25 (http://magneton.ru/produkcziya/svch-priboryi/svch-ventili).

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа, является способ построения фазового вентиля, описанный в работе Вольман В.И., Паменов Ю.В. Техническая электродинамика. М.: связь 1971. 467с. Способ заключается в применении двухканальной системы в виде первого и второго волноводов, соединенных по широкой стенке, делении электромагнитной волны, поступающей на вход первого волновода в первом 3 дБ сонаправленном щелевом мосте между первым и вторым волноводом. В первом волноводе установлена подмагничиваемая внешним магнитным полем ферритовая пластина, в результате чего вносится невзаимный разностный фазовый сдвиг 180° при изменении направления распространении волны в первом волноводе. Во втором волноводе установлена диэлектрическая пластина с взаимными свойствами, поэтому волна с выхода первого 3 дБ щелевого моста распространяется с одинаковым фазовым сдвигом при изменении направления. Этот фазовый сдвиг равен фазовому сдвигу падающей волны в отрезке первого волновода с ферритовой пластиной. Между выходом первого и второго волновода и отрезками волноводов с ферритовой и диэлектрической пластинами выполнен второй щелевой мост. На вход второго щелевого моста поступает падающая волна со сдвигом фазы 90°. В результате часть падающей волны, поступающей из первого волновода во второй волновод и падающая волна, образовавшаяся во втором волноводе при делении падающей волны в первом щелевом мосте, поступают на выход второго волновода с одинаковыми фазами, и вносимое ослабление при передаче энергии падающей волны на выходе второго волновода минимально. На выходе первого волновода фазы волн, пришедших со входа первого волновода и с выхода второго щелевого моста сдвинуты на 180°, следовательно, при движении падающих волн на выход первого волновода мощность не поступает. При появлении от источника отражённой волны на выходе второго волновода, который становится входом для отражённой волны, образуется волна, распространяющаяся в обратном направлении от выхода к входу волноводов. Часть энергии отражённой волны поступает через второй щелевой мост на вход первого волновода, проходя через отрезок первого волновода с ферритом и приобретает фазовый сдвиг на 180° больше, чем при распространении падающей волны. Вторая часть энергии отражённой волны во втором волноводе, проходя через первый щелевой делитель, оказывается на входе первого волновода в противофазе с первой частью. В результате энергия не поступает на вход первого волновода, а переходит на вход второго волновода. Таким образом, при подаче на выход второго волновода отражённой волны, мощность этой волны поступает на вход второго волновода и при наличии там согласованной нагрузки поглощается.

Недостаток такого способа заключается в ограничении диапазона частот подавления отражённой волны, т.к. фазовые сдвиги сигналов зависят от частоты, и, следовательно, нарушаются условия распространения мощности по каналам. Сам фазовый вентиль вносит рассогласование в тракт СВЧ за пределами его полосы пропускания.

Техническим результатом является подавление отражённых волн от источника отражённых волн путём включения между входом СВЧ тракта и источником отражённых волн поглотителя отражённых волн. Источник отражённых волн и поглотитель отражённых волн имеют частотную характеристику типа полосно-пропускающих фильтров с разной зависимостью коэффициентов отражения на частотах запирания. Источник отражённых волн имеет коэффициент отражения в полосах запирания близкий к единице, а поглотитель отражённых волн в полосах запирания имеет минимальный коэффициент отражения.

Указанный результат достигается тем, что поглотитель отражённых волн выполнен двухканальным с противонаправленной связью между каналами, одни диагональные порты каналов нагружены буферными резонансными нагрузками, а другие диагональные порты служат входом тракта СВЧ с широкой полосой частот, а выход поглотителя отражённых волн соединён со входом источника отражённых волн, в результате чего коэффициент отражения от входа тракта СВЧ в полосе пропускания остается минимальным, а в полосах запирания уменьшается до минимального значения, при этом также уменьшается коэффициент передачи в паразитных полосах частот источника отражённых волн.

Основной технической задачей, решаемой заявленным изобретением, является расширение частотного диапазона, в котором способ позволяет подавлять отражённые волны на внеполосных частотах СВЧ тракта и снижать мощность паразитных полос пропускания источника отражённых волн.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в СВЧ тракт вводится поглотитель отражённых волн между входом СВЧ тракта и входом источника отражённых волн, имеющим коэффициент отражения , близкий к единице в нижнем диапазоне частот полосы заграждения , первую полосу частот пропускания с коэффициентом передачи с минимальным ослаблением и минимальным коэффициентом отражения , вторую полосу частот заграждения с коэффициентом отражения , близким к единице, и вторую паразитную полосу частот с коэффициентом передачи . Поглотитель отражённых волн выполнен двухканальным с противонаправленной связью между каналами 3 дБ и электрической длиной каждого канала 90°. Одни диагональные порты каналов нагружены буферными резонансными нагрузками с импедансом , выбираемым так, что в полосах частот и , а в полосе частот модуль стремится к нулю, другие порты каналов, левый служит входом СВЧ тракта, на него подается сигнал с широким диапазоном частот … , правый служит выходом поглотителя отражённых волн, на него поступает падающая волна, прошедшая со входа СВЧ тракта с коэффициентом передачи , близким к единице, и отражённая волна от входа источника отражённых волн с коэффициентом , близким к единице в частотных диапазонах и , отражённая волна от источника отражённых волн делится поровну между связанными каналами и поглощается на буферных резонансных нагрузках, т.к. на частотах диапазонов и , причем равно характеристическому сопротивлению источника отражённых волн. Вследствие этого отражённая волна от входа источника отражённых волн не поступает на вход поглотителя отражённых волн, и коэффициент отражения от входа ПОВ минимален в диапазоне частот , падающая волна со входа поглотителя отражённых волн делится поровну между каналами, ее составляющие отражаются от портов, нагруженных на и поступают на выход поглотителя отражённых волн с нулевой разностью фаз с минимальным ослаблением, и, соответственно, на выход источника отражённых волн с минимальным ослаблением. В диапазоне частот , поглотитель отражённых волн вносит дополнительное ослабление сигнала в паразитной полосе пропускания источника отражённых волн.

На фиг. 1 приведена схема реализации способа, на которой показаны: поглотитель отражённых волн (ПОВ) с каналами К1 и К2, имеющими противонаправленную связь, в частности, 3дБ, порт 2 канала К2 и порт 3 канала К1 нагружены импедансом буферных резонансных нагрузок (БРН), порт 1 являет одновременно входом СВЧ тракта и входом ПОВ, порт 4 служит выходом ПОВ, соединенным с портом 5 источника отражённых волн (ИОВ), являющимся входом ИОВ, порт 6 является выходом ИОВ и выходом СВЧ тракта.

На фиг. 2-8 показаны эпюры зависимости коэффициентов передачи и отражения от частоты в следующих обозначениях:

- нижний диапазон частот запирания ИОВ;

- верхний диапазон частот запирания ИОВ;

- первая полоса частот пропускания ИОВ;

- вторая (паразитная) полоса частот пропускания ИОВ;

- Диапазон частот на входе поглотителя отражённых волн;

- коэффициент отражения от источника отражения волн (ИОВ) в диапазоне ;

- коэффициент отражения от ИОВ в диапазоне ;

- коэффициент отражения от ИОВ в диапазоне ;

- коэффициент отражения от ИОВ в диапазоне ;

- Коэффициент отражения от входа поглотителя отражённых волн (ПОВ) во всем частотном диапазоне ;

- коэффициента передачи ИОВ по поддиапазонам;

- коэффициент передачи ПОВ со входа на выход, соединяемый со входом ИОВ;

- коэффициент передачи со входа ПОВ на буферные резонансные нагрузки (БРН) в портах 2 и 3 ПОВ;

- коэффициент отражения от входа СВЧ тракта в виде каскадного соединения поглотителя отражённых волн и источника отражённых волн;

- коэффициент передачи от входа к выходу СВЧ тракта в виде каскадного соединения поглотителя отражённых волн и источника отражённых волн;

- характеристическое сопротивление ИОВ;

- резонансные частоты буферных резонансных нагрузок БРН;

- импеданс БРН;

- реактивная составляющая импеданса буферной резонансной нагрузки;

- активная составляющая сигналов.

На фиг. 2 показана эпюра частотного плана в виде характерной зависимости от частоты коэффициента передачи из порта 5 в порт 6 ИОВ , , , по поддиапазонам соответственно , , , в режиме автономной работы.

На фиг. 3 показана эпюра частотного плана в виде характерной зависимости от частоты коэффициента отражения от порта 5 ИОВ , , , в режиме автономной работы по поддиапазонам соответственно , , , .

На фиг. 4 показана зависимость коэффициента передачи поглотителя отражённых волн из порта 1 в порт 4 ПОВ , , , по поддиапазонам , , , в режиме автономной работы.

На фиг. 5 показана частотная зависимость коэффициента отражения от порта 1 поглотителя отражённых волн (вход СВЧ тракта) , , , по поддиапазонам , , , в режиме автономной работы.

На фиг. 6 показана частотная зависимость коэффициентов передачи отражённой волны попадающей в порт 4 от источника отражённой волны, в порты 2 и 3 ПОВ, в которых включены буферные резонансные нагрузки (БРН), по поддиапазонам частот.

На фиг. 7 показана частотная зависимость коэффициента передачи каскадного соединения ПОВ и ИОВ из порта 1 (вход СВЧ тракта) в порт 6 ИОВ (выход СВЧ тракта) , , , по поддиапазонам , , , .

На фиг. 8 показана частотная зависимость коэффициента отражения каскадного соединения ПОВ и ИОВ от порта 1 (вход СВЧ тракта) , , , по поддиапазонам , , , .

На фиг. 9 показан пример исполнения источника отражённых волн в виде полосно-пропускающего фильтра, построенного на основе связанных линий с полуволновым резонатором.

На фиг. 10 показана условная схема и частотные характеристики полосно-пропускающего полуволнового фильтра как источника отражённых волн.

На фиг. 11 приведены частотные зависимости коэффициента передачи и коэффициента отражения поглотителя отражённых волн в режиме автономного использования.

На фиг. 12 показаны частотные зависимости коэффициента передачи от входа к выходу СВЧ тракта в виде каскадного соединения поглотителя отражённых волн и источника отражённых волн и коэффициент отражения от входа СВЧ тракта с введеным в схему поглотителем отражённых волн по схеме фиг. 1.

Предлагаемый способ подавления отражённых волн на внеполосных частотах СВЧ тракта состоит в следующей последовательности действий. В режиме автономного функционирования определяется частотный план зависимостей коэффициента передачи и коэффициента отражения источника отражённых волн со входом 5 и выходом 6. Пример такого частотного плана показан на фиг. 2. Выделяются полосы частот запирания , и и основная полоса частот пропускания . Кроме этого выделяется паразитная полоса пропускания на частотах . В качестве источника отражённых волн может быть полуволновый фильтр на связанных линиях, частотная зависимость и которого формируется таким образом, что в полосах частот , и коэффициент передачи , минимален вследствие того, что коэффициенты отражения , на этих частотах близки к единице (фиг. 3). В поддиапазоне частот коэффициент передачи стремится к единице, т.к. коэффициент отражения стремится к нулю. В поддиапазоне возникает паразитная полоса с коэффициентом передачи меньше, чем .

Далее формируются частотные планы зависимости коэффициента передачи и коэффициента отражения поглотителя отражённых волн. Примеры таких частотных планов показаны на фиг. 4 и фиг. 5.

На фиг. 4 показана частотная зависимость коэффициента передачи поглотителя отражённых волн при передаче из порта 1 в порт 4 , , , в поддиапазонах , , , в режиме автономной работы как четырехполюсника, нагруженного на согласованное сопротивление.

На фиг. 5 показана частотная зависимость коэффициента отражения от порта 1 поглотителя отражённых волн , , , по поддиапазонам , , , в режиме включения ПОВ как четырехполюсника, нагруженного на согласованное сопротивление. Обеспечение основной функции подавления отражённых обеспечивается тем, что во всем диапазоне частот коэффицинент отражения минимален, как показано на рис. 5.

Полосы частот запирания , назначаются с минимальным коэффициентом передачи и , полоса частот пропускания с максимальным коэффициентом передачи . Границы полос запирания и полосы пропускания должны совпадать или быть близкими к границам полос запирания , и пропускания , выявленным для источника отражённых волн. Коэффициент передачи в полосе (фиг. 5) берется минимальным для подавления паразитной полосы пропускания источника отражённых волн.

Свойства формирования единственной полосы пропускания поглотителя отражённых волн и поглощения отражённых волн, поступающих со стороны порта 4, достигаются формированием специальной частотной характеристики буферных резонансных нагрузок, включаемых в диагональные порты 2 и 3 каналов К1 и К2. При этом формируются частотные зависимости коэффициентов передачи отражённой волны, попадающей в порт 4 от источника отражённой волны, показанные на фиг. 6. В диапазоне частот в порты 2 и 3 буферных резонансных нагрузок мощность не поступает по причине почти полного отражения волн от импеданса БРН. Для этого в диапазоне импеданс БРН либо близок к нулю, либо достаточно большой чтобы волны отразились от портов 2 и 3 с коэффициентом, близким к единице. Отражённые от портов 2 и 3 волны попадают в порт 4. Таким образом образуется полоса пропускания ПОВ а диапазоне и частотные свойства ПОВ и ИОВ в этом диапазоне совпадают. В частотных диапазонах , импеданс БРН имеет преимущественно реален и близок к сопротивлению согласованной нагрузки, что приводит к поглощению мощности в портах 2 и 3 с перекачкой долей мощности от одного порта в другой в силу электромагнитной противонаправленной связи между каналами К1 и К2.

В сформированной схеме, показанной на фиг. 1, состоящей из каскадного соединения поглотителя отражённых волн и источника отражённых волн двух связанных каналов К1 и К2 с противонаправленной электромагнитной связью, сохраняются частотные свойства поглотителя отражённых волн. Получаемая частотная зависимость коэффициента передачи каскадного соединения ПОВ и ИОВ из порта 1 (вход СВЧ тракта) в порт 6 ИОВ (выход СВЧ тракта) показана на фиг. 7. Коэффициенты передачи , , , по поддиапазонам , , , показывают сохранение свойства частотной селекции тракта СВЧ по типу полосно-пропускающего фильтра с дополнительным подавлением паразитной полосы частот, свойственной источнику отражённых волн. На фиг. 8 показана частотная зависимость коэффициента отражения каскадного соединения ПОВ и ИОВ от порта 1 (вход СВЧ тракта) , , , по поддиапазонам , , , . Из этих зависимостей видно, что в широком диапазоне частот отражения, возникающие на частотах запирания ИОВ, погашаются в ПОВ.

Параметры поглотителя отражённых волн определяются таким образом, что электрические длины канала 1 и канала 2 на центральной частоте полосы пропускания могут изменяться в широких пределах, например, от 30° до 120°, так как частота определяется буферной резонансной нагрузкой при построении БРН в виде RLC-цепи, состоящей из последовательного LC-колебательного контура (контуров) и шунтирующего этот контур сопротивления . Резонанс приводит к устремлению импеданса на частоте . При этом, концы каналов 2 и 3, исполняемых, например в виде полосковых линий, оказываются закороченными, и мощность сигнала в диапазоне частот проходит с минимальным отражением в порт 4. В диапазонах и , поэтому каналы оказываются нагруженными на и мощность входного сигнала в диапазонах частот и поглощается на . При этом получается минимальным коэффициент отражения во всем диапазоне частот , что отражено на фиг. 8. Каскадное включение поглотителя отражённых волн и источника отражённых волн приводит к незначительному увеличению вносимого ослабления сигнала в диапазоне частот пропускания и значительному ослаблению в полосе частот (фиг. 7). При этом, коэффициент отражения при подключенном к порту 4 ИОВ остается на низком уровне, так как отражённая от ИОВ волна не проходит на вход ПОВ (порт. 1), а гасится на буферных резонансных нагрузках.

Таким образом, принцип работы поглотителя отражённых волн основывается на взаимодействии распределенной двухканальной системы с бесконечным числом собственных колебаний и системы в виде нагрузок с конечным, в пределе, с единственной собственной частотой. Свойство взаимности поглотителя отражённых волн позволяет организовать поглощение внеполосных частот СВЧ тракта на буферных резонансных нагрузках с сохранением и улучшением частотно-селективных свойств источника отражённых волн и СВЧ тракта в целом.

В качестве примера реализации способа подавления отражённых волн на внеполосных частотах СВЧ тракта рассмотрено каскадирование источника отражённых волн в виде полосно-пропускающего фильтра, построенного на основе связанных линий с полуволновым резонатором (фиг. 9) [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. - М.: Связь, 1971. 388 с.], и поглотителя отражённых волн предлагаемого типа. Были рассчитаны частотные характеристики полуволнового фильтра со схемой и размерами полосок, показанными на фиг. 9.

Фильтр выполнен на подложке с относительной диэлектрической проницаемостью . Размеры полосок: мм; мм; мм. Погонная емкость полоски c шириной пФ/м, погогонная индуктивность мкГн/м. Частотные характеристики отрезка связанных полосковых линий с шириной полосок рассчитывались со следующими первичными параметрами в виде матриц емкостей и индуктивностей:

матрица емкостей пФ/м;

матрица индуктивностей мкГн/м.

На фиг. 10 показана условная схема и частотные характеристики фильтра как источника отражённых волн. В полосе прозрачности фильтр согласован, но вне ее коэффициент отражения дБ, т.е. сигнал отражается почти полностью. Частотный план источника отражённых волн в виде фильтра (фиг. 10) соответствует планам, показанным на фиг. 2 и фиг. 3.

Поглотитель отражённых волн построен в соответствии с фиг. 1. Он включает отрезок связанных полосковых линий, образующих каналы К1 и К2, электромагнитно связанных, тип связи - противонаправленная. Буферные резонансные нагрузки в портах 2 и 3 выполнены из элементов с сосредоточенными параметрами, представляющими частотно-избирательную RLC-цепь в виде -последовательного колебательного контура, шунтированного сопротивлением . Входное сопротивление RLC-цепи на частоте резонанса последовательного колебательного контура стремится к нулю, а на частотных интервалах и асимптотически приближается к .

Частотные зависимости коэффициента передачи и коэффициента отражения поглотителя отражённых волн в режиме автономного использования показаны на фиг. 11. Показанные зависимости соответствуют частотным планам, показанным на фиг. 4 и фиг. 5.

Введение в схему СВЧ тракта поглотителя отражённых волн по схеме фиг. 1 привело к значительному снижению отражения от входа СВЧ тракта, что демонстрирует сравнение фиг. 10 и фиг. 12.

Частотная зависимость коэффициента передачи (фиг. 12) имеет вид, характерный для полосно-пропускающего фильтра с периодически повторяющейся полосой пропускания. Первая полоса частот пропускания на средней частоте характеризуется вносимым ослаблением . На второй полосе пропускания . Таким образом, включением в СВЧ тракт поглотителя отражённых волн достигается эффект подавления отражённой волны на внеполосных частотах и подавления паразитной (второй) полосы частот.

Изобретение относится к технике устройств СВЧ. Способ подавления отражённых волн на внеполосных частотах СВЧ тракта, заключающийся в том, что в СВЧ тракт вводится поглотитель отражённых волн между входом СВЧ тракта и входом источника отражённых волн, поглотитель отражённых волн выполнен двухканальным с противонаправленной связью между каналами, одни диагональные порты каналов нагружены буферными резонансными нагрузками с импедансом $$Z_{БРН}=R_{БРН}+j{X}_{БРН}$$ , выбираемым так, что в полосах частот заграждения источника отражённых волн $$\Delta f_1$$ и $$\Delta f_2$$ $$Z_{БРН}=R_{БРН}$$ , а в полосе частот пропускания источника отражённых волн $$\Delta f_{01}$$ модуль $$Z_{БРН}$$ стремится к нулю, другие порты каналов, левый служит входом СВЧ тракта, на него подается сигнал с широким диапазоном частот $$\Delta f_1+\Delta f_{01}+\Delta f_2+\Delta f_{02}\mathrm{...}$$ , правый служит выходом поглотителя отражённых волн, на него поступает падающая волна, пришедшая со входа СВЧ тракта с коэффициентом передачи, близким к единице, и отражённая волна от входа источника отражённых волн с коэффициентом отражения, близким к единице в частотных диапазонах $$\Delta f_1$$ и $$\Delta f_2$$ , отражённая волна от источника отражённых волн делится между связанными каналами и поглощается на буферных резонансных нагрузках. Технический результат - подавление отражённых от источника волн. 12 ил.

Способ подавления отражённых волн на внеполосных частотах СВЧ тракта, заключающийся в том, что в СВЧ тракт вводится поглотитель отражённых волн между входом СВЧ тракта и входом источника отраженных волн, поглотитель отраженных волн выполнен двухканальным с противонаправленной связью между каналами, одни диагональные порты каналов нагружены буферными резонансными нагрузками с импедансом $$Z_{БРН}=R_{БРН}+j{X}_{БРН}$$ , выбираемым так, что в полосах частот заграждения источника отраженных волн $$\Delta f_1$$ и $$\Delta f_2$$ $$Z_{БРН}=R_{БРН}$$ , а в полосе частот пропускания источника отраженных волн $$\Delta f_{01}$$ модуль $$Z_{БРН}$$ стремится к нулю, другие порты каналов, левый служит входом СВЧ тракта, на него подается сигнал с широким диапазоном частот $$\Delta f_1+\Delta f_{01}+\Delta f_2+\Delta f_{02}\mathrm{...}$$ , правый служит выходом поглотителя отраженных волн, на него поступает падающая волна, пришедшая со входа СВЧ тракта с коэффициентом передачи, близким к единице, и отраженная волна от входа источника отраженных волн с коэффициентом отражения, близким к единице в частотных диапазонах $$\Delta f_1$$ и $$\Delta f_2$$ , отраженная волна от источника отраженных волн делится между связанными каналами и поглощается на буферных резонансных нагрузках.