МНОГОСТУПЕНЧАТОЕ ЧАСТОТНО-РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
MULTISTEP FREQUENCY DIVISION DEVICE

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в широкополосных приемопередающих комплексах, а также в многоканальных приемопередающих устройствах релейной и спутниковой связи.
Известно устройство [1, стр.64], содержащее параллельное включение канальных фильтров (КФ), в котором для компенсации влияния фильтров друг на друга в точке соединения предлагается подсоединить специальный компенсирующий двухполюсник. Недостатком этого устройства является реализуемость лишь для относительно невысоких частот.
Известно также многоступенчатое частотно-разделительное устройство (ЧРУ) [2, стр.108-109, рис.3.1.б], выбранное в качестве прототипа, содержащее параллельное соединение фильтров. В прототипе кроме КФ используются также фильтры с полосой пропускания, включающей полосы пропускания двух и более КФ, отрезки длинных линий, длины которых и фазовые набеги не нормируются, и несколько настраиваемых взаимных разветвителей (ВР) длинных линий. При этом часть ВР длинных линий, к которым подключены через отрезки длинных линий только КФ и нагрузки КФ, расположены в первой ступени устройства, также имеются ВР длинных линий, которые расположены вне первой ступени, что и определяет такой характерный признак как многоступенчатость. Недостатком прототипа является наличие фильтров с полосой пропускания, включающей полосы пропускания двух и более КФ, между ВР длинных линий разных ступеней. Фильтры между ВР длинных линий разных ступеней требуют настройки, увеличивают габариты, массу и стоимость ЧРУ.
Предлагаемое многоступенчатое ЧРУ, предназначено для подключения с минимальными потерями к одному антенно-фидерному устройству (АФУ) мощных передатчиков и высокочувствительных приемников при общем числе приемников и передатчиков три и более. Для того чтобы, мощные передатчики существенно не уменьшали чувствительности приемников нужны КФ, которые обеспечивают в полосах запирания затухание более 70÷80 дБ. Для приемников разъем АФУ является входом (источником), разъем КФ - выходом (нагрузкой), для передатчиков разъем КФ является входом, разъем АФУ - выходом. Поскольку одни и те же разъемы для одних сигналов являются источниками, а для других нагрузками, далее будем использовать один термин «нагрузка».
Для реализации заявляемого многоступенчатого ЧРУ знание частотных зависимостей коэффициентов отражения одних КФ на различных частотах в полосах запирания других КФ является обязательным, при этом сопротивления нагрузок, а также сопротивления отрезков длинных линий равны волновому сопротивлению КФ, направление распространения сигнала не является существенным фактором. КФ, через которые проходят сигналы передатчиков, даже при минимальных потерях 1÷2 дБ рассеивают значительные мощности.
Техническим результатом заявляемого устройства является снижениие затрат при построении многоступенчатых ЧРУ для разделения сигналов различных частот, а также упрощение настройки и улучшение массогабаритных показателей.
Предложено многоступенчатое ЧРУ, состоящее из параллельно включенных КФ, отрезков длинных линий и ВР длинных линий, причем отрезки длинных линий через ВР длинных линий нескольких ступеней объединяют сигналы нагрузок всех КФ на нагрузку устройства, ВР длинных линий первой ступени попарно объединяют частотные диапазоны ближайших КФ, ВР длинных линий второй и последующих ступеней попарно объединяют ближайшие частотные диапазоны среди которых есть хотя бы один частотный диапазон, включающий полосы пропускания такого числа КФ, который не менее номера ступени, и отличающееся тем, что волновое сопротивление отрезков длинных линий и сопротивление нагрузок равны волновому сопротивлению КФ, фазовые набеги в длинных линиях всех ступеней нормируются, при этом длины отрезков длинных линий выполнены из условия обеспечения во ВР длинных линий минимальных отражений на центральной частоте сопрягаемых диапазонов частот путем учета фазовой характеристики коэффициента отражения КФ в полосах запирания, а сами ВР длинных линий не содержат элементов настройки.
1
N
IJ
IM
К
В общем случае предлагаемое устройство содержит N канальных фильтров (КФ, …, КФ), К ступеней, включающих взаимные разветвители длинных линий BP, где I - номер ступени, принимает значения от 1 до К, a J - порядковый номер ВР длинных линий, принимает значения от 1 до N-1 и отрезки длинных линий L, где I - номер ступени, принимает значения от 1 до К, а М - порядковый номер отрезков длинных линий, принимает значения от 1 до 2(N-1). Нумерация ВР длинных линий и отрезков длинных линий такова: меньший номер - меньшая ступень, внутри ступени меньший номер - меньшая частота. Максимальное число КФ, подключение которых обеспечивается К ступенями ВР длинных линий, равно 2, то есть при К=2 Nмакс=4, при К=3 Nмакс=8 и т.д. Минимальное число КФ, подключение которых обеспечивается К ступенями ВР длинных линий, равно (К+1), то есть при К=2 Nмин=3, при К=3 Nмин=4 и т.д.
Принцип реализации многоступенчатого ЧРУ: сначала по фазам коэффициентов отражения от КФ находят длины отрезков длинных линий первой ступени ЧРУ, затем с учетом фаз коэффициентов отражения от ВР длинных линий первой ступени находят длины отрезков длинных линий второй ступени ЧРУ, затем с учетом фаз коэффициентов отражения от ВР второй ступени находят длины отрезков длинных линий третьей ступени ЧРУ и т.д. Отрезки длинных линий различных ступеней компенсируют фазы коэффициентов отражений от КФ или ВР длинных линий предыдущей ступени за счет набега фазы отраженного сигнала. Отраженный сигнал проходит отрезок длинной линии дважды: туда и обратно, поэтому набег фазы в длинной линии в два раза меньше фазы коэффициента отражения. Набеги фазы в отрезках длинных линий нормируются на центральных частотах сопрягаемых диапазонов. Так как сопрягаемые диапазоны на различных ступенях разные, то для учета изменения центральных частот требуется пересчет фазовых набегов с центральных частот предыдущих диапазонов на центральные частоты последующих диапазонов.
При заданном числе КФ число ступеней многоступенчатого ЧРУ максимальное, когда ВР длинных линий первой ступени объединяют частотные диапазоны лишь двух КФ ближайших частотных диапазонов, а частотные диапазоны всех других КФ объединяются не на первой ступени.
При заданном числе КФ число ступеней многоступенчатого ЧРУ минимальное, когда на первой ступени сопрягается максимально возможное число КФ: при числе КФ 4 или 5 - четыре, при числе КФ 6 или 7 - шесть и т.д.
Пример реализации изобретения иллюстрируется фиг.1, где изображено простейшее двухступенчатое трехканальное ЧРУ, предназначенное для подключения с минимальными потерями к одной нагрузке АФУ трех мощных нагрузок - передатчиков. Конструктивно ВР длинных линий представляют собой 6-полюсники, КФ и отрезки длинных линий - 4-полюсники, конструктивное исполнение длинных линий не конкретизируется.
1
2
3
11
11
12
22
23
24
1
2
3
Двухступенчатое трехканальное ЧРУ, показанное на фиг.1, содержит: три канальных фильтра КФ, КФ, КФ, 1-ую ступень, включающую взаимный разветвитель длинных линий ВР и отрезки длинных линий L и L, 2-ую ступень, включающую взаимный разветвитель длинных линий ВР и отрезки длинных линий L и L, нагрузку АФУ, три нагрузки канальных фильтров КФ, КФ, КФ. Волновое сопротивление КФ, а также сопротивление отрезков длинных линий и сопротивление нагрузок равно W.
Пути распространения сигналов:
1
1
11
11
23
22
- между нагрузками КФ и АФУ: КФ, L, ВР, L, BP;
2
2
12
11
23
22
- между нагрузками КФ и АФУ: КФ, L, ВР, L, BP;
3
3
24
22
- между нагрузками КФ и АФУ: КФ, L, BP.
1
2
3
2
1
3
2
3
1
11
22
11
12
24
11
22
Для того чтобы минимальные потери в полосах пропускания КФ были менее 2 дБ при затухании более 70 дБ в полосах запирания, как компромиссный вариант, используются 7-звенные КФ [3, стр.103] на воздушных полосковых линиях с длиной длинной линии, равной одной восьмой длины волны, и имеющие гребенчатую конструкцию. Такие КФ имеют относительно высокую собственную добротность резонаторов и небольшую трудоемкость настройки. При заданных полосах пропускания, например у КФ и КФ 4%, а у КФ 6%, отношение центральной частоты КФ к центральной частоте КФ составляет 1,0792, отношение центральной частоты КФ к центральной частоте КФ составляет 1,6055, отношение центральной частоты КФ к центральной частоте КФ составляет 1,7327. Для удобства реализации ВР и BP набеги фазы в отрезках длинных линий L, L, L увеличены на 180°, что дает общий дополнительный набег фазы 360°. В качестве отрезков длинных линий используются отрезки жесткого коаксиального кабеля РК50-2-25. Конструкции ВР и BP совпадают и представляют собой сборный из двух половинок экранированный корпус минимальных габаритов с пазами для двух перпендикулярно расположенных жестких коаксиальных линий.
1
2
11
22
1
2
1
2
3
2
1
3
11
12
11
2
1
3
22
3
1
2
3
11
12
11
3
3
1
2
23
24
11
1
2
23
3
24
Изобретение работает следующим образом. Сигналы из нагрузок КФ и КФ (фиг.1) проходят через ВР и BP, поэтому для КФ и КФ учитываются фазы коэффициентов отражения на двух частотах в полосах запирания. Фазы коэффициентов отражения от КФ: 51° на центральной частоте полосы пропускания КФ и 291° на центральной частоте полосы пропускания КФ. Фазы коэффициента отражения от КФ: 21° на центральной частоте полосы пропускания КФ и 304° на центральной частоте КФ. Первая ступень ЧРУ реализуется так, что длины отрезков длинных линий первой ступени L и L, с набегом фазы, соответственно 205,5°=180°+(51/2)° и 190,5°=180°+(21/2)°, обеспечивают минимальные отражения в ВР первой ступени для полос пропускания соответственно КФ и КФ. Сигнал из нагрузки КФ проходит только через BP, поэтому для КФ учитывается фаза коэффициентов отражения только на одной частоте в полосе запирания. Учет фаз коэффициентов отражения КФ, КФ, КФ и набегов фазы в L и L производится на необходимых частотах в полосах запирания: фаза коэффициента отражения от ВР на центральной частоте полосы пропускания КФ составляет 354°, фаза коэффициента отражения от КФ на центральной частоте диапазона частот, включающего полосы пропускания КФ÷КФ, составляет 69°. Вторая ступень ЧРУ реализуется так, что длины отрезков длинных линий второй ступени L и L, с набегом фазы, соответственно 177°=(354/2)° и 214,5°=180°+(69/2)° обеспечивают минимальные отражения в ВР второй ступени для полос пропускания соответственно КФ÷КФ через L и КФ через L.
11
11
12
3
3
11
12
1
2
11
12
11
3
Учет фазы коэффициента отражения от ВР требует пересчета набегов фазы в отрезках длинных линий L и L на центральную частоту полосы пропускания КФ через отношения центральных частот КФ. С учетом пересчета отношений центральных частот полос пропускания КФ рассчитываем фазовые набеги на центральной частоте КФ для отрезка длинной линии L 329,9°=1,6055*205,5° и для отрезка длинной линии L 330,1°=1,7327*190,5°. С учетом фаз коэффициентов отражения от КФ и от КФ фазы коэффициентов отражения на выходе отрезков длинных линий L и L составляют 351,28°=(291-329,9*2)°+720° и 3,8°=(304-330,1*2)°+360°, соответствующие им нормированные проводимости равны соответственно плюс 0,081 и минус 0,033. Пересчет суммарной нормированной проводимости плюс 0,048 в фазу коэффициента отражения и дает искомомое значение фазы коэффициента отражения от ВР на центральной частоте полосы пропускания КФ 354°.
1
2
11
12
11
3
24
22
11
12
23
11
За счет объединения конструктивных элементов могут быть уменьшены габариты многоступенчатого ЧРУ. Например, если конструктивно объединить КФ, КФ, L, L, ВР и КФ, L, BP, что возможно при использовании воздушных полосковых длинных линий вместо длинных линий на основе жесткого коаксиального кабеля, то дополнительные набеги фазы 360°=(180*2)° для реализации конструкции ВР не нужны. В этом случае фазы коэффициентов отражения на выходе отрезков длинных линий L и L равны 209,2° и 268°, соответствующие им нормированные проводимости равны 3,834 и 1,033. Суммарная проводимость равна 4,87 и вторая ступень ЧРУ реализуется так, что длина отрезка длинной линии второй ступени L обеспечивает набег фазы 101,2°=(203,2/2)° вместо 177°=(354/2)° за счет изменения фазы коэффициента отражения от ВР.
2
1
2
3
11
12
11
1
2
3
23
24
22
При сохранении принципа реализации ступеней ЧРУ возможны различные варианты построения многоступенчатых ЧРУ в целом. Выбор варианта многоступенчатого ЧРУ с наименьшими потерями мощности сигналов в ЧРУ зависит от отношения центральных частот КФ. Иногда выбор варианта с наименьшими потерями мощности сигналов в ЧРУ очевиден. Например, если в рассмотренном двухступенчатом трехканальном ЧРУ отношение центральной частоты КФ к центральной частоте КФ не 1,0792, а 1,5, то на первой ступени следует объединять КФ и КФ с помощью L, L, ВР, а на второй ступени следует объединять КФ с диапазоном частот КФ÷КФ с помощью L, L, ВР. В общем случае выбор варианта с наименьшими потерями мощности сигналов в ЧРУ производится путем сравнения результатов реализации нескольких вариантов.
Далее приведем примеры записи вариантов реализации многоступенчатых ЧРУ по составу построения, при этом сначала записываются КФ, которые при меньших номерах объединяются на первой ступени, после элементов первой ступени записываются элементы второй ступени, затем третьей ступени и т.д. ВР записываются после перечисления отрезков длинных линий на входе ВР. Если имеется КФ, который объединяется не на первой ступени, то он записывается перед ступенью, на которой с этим КФ объединяется частотный диапазон, включающий полосы пропускания такого числа КФ, который не менее номера ступени. При этом нагрузка АФУ всегда завершает перечисление и в составе не указывается, а под КФ понимаются КФ с нагрузками.
1
2
11
12
11
3
4
13
12
12
25
26
23
Таким образом, четырехканальное ЧРУ может быть выполнено в двухступенчатом исполнении состава КФ, КФ, L, L, ВР, КФ, КФ, L, L, BP, L, L, BP и 4-х вариантах трехступенчатого исполнения и записано следующим образом:
1
2
11
12
11
3
23
24
22
4
35
36
33
- КФ, КФ, L, L, ВР, КФ, L, L, ВР, КФ, L, L, ВР;
2
3
11
12
11
1
23
24
22
4
35
36
33
- КФ, КФ, L, L, ВР, КФ, L, L, ВР, КФ, L, L, BP;
3
4
11
12
11
2
23
24
22
1
35
36
33
- КФ, КФ, L, L, ВР, КФ, L, L, ВР, КФ, L, L, BP;
2
3
11
12
11
4
23
24
22
1
35
36
33
- КФ, КФ, L, L, ВР, КФ, L, L, ВР, КФ, L, L, BP.
Пример исполнения ЧРУ последнего варианта приведен на фиг.2.
Пятиканальное ЧРУ может быть выполнено в 4-х вариантах трехступенчатого исполнения и в 7-ми вариантах четырехступенчатого исполнения и.т.д.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет снизить затраты при построении многоступенчатых ЧРУ для разделения сигналов различных частот, а также упростить настройку и улучшить массогабаритные показатели.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Алексеев О.В., Грошев Г.В., Чавка Г.Г. Многоканальные частотно-разделительные устройства и их применение. - М.: Радио и связь, 1981. - 136 с.
2. Модель A.M. Фильтры СВЧ в радиорелейных системах. - М.: Связь, 1967. - 352 с.
3. Миниатюрные устройства УВЧ и ОВЧ-диапазонов на отрезках линий / Э.В.Зеля, А.Л.Фельдштейн, Л.Р.Явич, В.С.Брилон. - М.: Радио и связь, 1989. - 112 с.