СЕЛЕКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ НА ВСТРЕЧНЫХ СТЕРЖНЯХ С ПОДАВЛЕНИЕМ ВЫСШИХ ГАРМОНИК
SELECTIVE DEVICE FOR PROTECTION AT OPPOSITE RODS WITH SUPPRESSION OF HIGHER HARMONICS

Предлагаемое устройство относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано в радиоэлектронной аппаратуре для защиты от пробоя каскадов приемного тракта как диодный ограничитель высокого уровня мощности с частотной селекцией входного сигнала, обеспечивающий высокое затухание на входе приемного устройства в режиме высокого уровня мощности и в режиме приема вне полосы пропускания с учетом 2-й, 3-й и 5-й гармоник.
Известно микрополосковое защитное устройство «Диодный ограничитель мощности СВЧ» [1], содержащий входную и выходную линию передачи, между которыми расположены каскадно-соединенные системы микрополосковых линий (МПЛ), шунтированные ограничительными диодами. Системы МПЛ выполняются в виде резонатора на связанных МПЛ, при этом каждая линия шунтирована по крайней мере одним ограничительным диодом, установленным на расстоянии, близком к четверти длины волны от одного из концов резонатора. Ограничительные диоды переходят в режим передачи при высоком уровне мощности на входе вне зависимости от источника сигнала управления. Таким образом, повышение уровня максимально допустимой мощности достигается за счет построения входной ступени на основе проходного резонатора на нескольких связанных МПЛ.
Недостатками такого устройства являются:
- слабые селективные свойства конструкции, состоящей всего из одного резонатора;
- отсутствие регулировки резонансного контура по частоте и коэффициенту стоячей волны по напряжению (КСВН);
- высокая чувствительность электрических параметров к технологическим допускам на ширину МПЛ и длину резонатора.
- максимально допустимая мощность на входе ограничена.
Наиболее близким по техническому решению к заявленному устройству защиты является «Селективное устройство защиты на встречных стержнях» [2], выполненное на базе полосно-пропускающего фильтра (ППФ) на встречных стержнях и спроектированное по методу [3], содержит входную и выходную линии связи, три полосковых (стержневых) резонатора с параллельной электромагнитной связью, включенных встречно, короткозамкнутых на одном конце и разомкнутых на другом, образуя емкостную связь резонаторов с корпусом устройства. Крайние резонаторы соединены с входом и выходом устройства с помощью кондуктивных линий через ВЧ коаксиальные соединители, расположенные на корпусе, снабженном подстроечными винтами. В крайнем левом входном резонаторе относительно корпуса включены ограничительные СВЧ-диоды, расположенные попарно и симметрично относительно точки присоединения конструктивной линии связи к резонаторам. На выходном крайне правом резонаторе установлен СВЧ ограничительный диод и конструктивная емкость, величина которой равна емкости СВЧ-диода, причем СВЧ-диод и конструктивная емкость расположены симметрично относительно точки присоединения кондуктивной линии связи в непосредственной близости между собой. СВЧ ограничительный диод подключены к среднему резонатору со стороны его короткозамкнутого конца на расстоянии, равном длине от точки подключения кондуктивной линии связи резонаторов до точки их заземления. Ограничительные диоды в режиме большого входного сигнала полностью всеми тремя короткозамкнутыми на корпус резонаторами перекрывают вход устройства защиты и дают максимальный уровень ослабления сигнала. В режиме приема устройство работает как обычный полосно-пропускающий фильтр с небольшими потерями на основной частоте без подавления высших гармоник: 3-й, 5-й и более высших.
Недостаток прототипа - недостаточно высокий уровень технических характеристик, а именно: низкая помехозащищенность из-за малого подавления нечетных гармоник – 3-й и 5-й, всего лишь на 2-3 дБ, значит, есть необходимость использовать два устройства: ППФ и фильтр нижних частот (ФНЧ), как следствие - нежелательное увеличение массы и габаритов, высокий КСВН.
Техническим результатом предлагаемого устройства является улучшение технических характеристик изделия, а именно: повышение помехозащищенности за счет подавления 3-й и 5-й гармоники до 40 дБ без повышения уровня потерь в режиме приема и при сохранении прежних габаритных размеров, совмещение функций ППФ и ФНЧ в одном корпусе, кроме того, уменьшение КСВН до значений, не превышающих 1,25.
0
0
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известное устройство, содержащее входную и выходную линии связи, три полосковых (стержневых) резонатора с параллельной электромагнитной связью и длиной, близкой к четверти длины волны на средней частоте рабочего диапазона, причем резонаторы включены встречно, короткозамкнутые на одном конце и разомкнутые на другом, образуя емкостную связь с корпусом, при этом крайние резонаторы соединены с входом и выходом устройства с помощью кондуктивных линий связи через высокочастотные коаксиальные соединители, расположенные на замкнутом корпусе, снабженном подстроечными винтами, кроме того, во входной крайний левый резонатор включены относительно корпуса два СВЧ ограничительных диода симметрично относительно точки присоединения кондуктивной линии связи в непосредственной близости между собой и один СВЧ-диод подключен к выходному крайнему правому резонатору со стороны его разомкнутого конца, на среднем резонаторе установлен СВЧ-диод, подключенный к нему со стороны короткозамкнутого его конца на расстоянии, равном длине от точки подключения кондуктивной линии связи резонаторов до точки их заземления, а к выходному крайнему правому резонатору подключена конструктивная емкость, величина которой равна емкости СВЧ-диода, расположенного с ней парно и симметрично относительно точки присоединения кондуктивной линии связи, дополнительно введены подключенные на входе и выходе устройства две полосковые линии с волновым сопротивлением Z и две конструктивные емкости на них в виде металлических шайб толщиной 4-5 мм, имеющие зазор с корпусом устройства, причем волновое сопротивление полосковых линий Z меньше, чем волновое сопротивление кондуктивной линии связи, а также введена разомкнутая полосковая линия, близкая к четверти длины волны на средней точке рабочего диапазона частот, с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению кондуктивной линии связи, включенная между первым (входным) и средним резонаторами.
На фиг. 1 приведен общий вид конструкции заявленного устройства защиты. Устройство защиты содержит три полосковых (стержневых) резонатора 1 с параллельной электромагнитной связью, включенных встречно, короткозамкнутых на одном конце и разомкнутых на другом, образуя емкостную связь резонаторов 1 с корпусом 4. Крайние резонаторы 1 соединены с входом и выходом устройства с помощью кондуктивной линии связи 2 и отрезков полосковых линий 8, последовательно соединенных с ВЧ разъемами 5.
В крайние входной и выходной резонаторы 1 включены относительно корпуса 4 СВЧ ограничительные диоды 3. Во входном крайнем левом резонаторе 1 расположены симметрично относительно точки подключения кондуктивной линии связи 2 два СВЧ-диода 3. Так как размеры корпуса позволяют разместить большее количество диодов 3, то в целях увеличения мощности входного сигнала их количество можно увеличить до 4 или 6. На выходном крайнем правом резонаторе установлен СВЧ ограничительный диод 3 и конструктивная емкость 7, выполненная в виде металлического штыря, соединенного, например, резьбой М8 с корпусом 4, образующего емкостную связь между корпусом и резонатором. Резонаторы 1, кондуктивные линии связи 2 и отрезки полосковых линий 8 размещены в заземленном корпусе 4, снабженном высокочастотными коаксиальными соединителями 5 и подстроечными винтами 6 с резьбовым соединением, например М8. СВЧ ограничительный диод 3 подключен к среднему резонатору со стороны его короткозамкнутого конца на расстоянии, равном длине от точки подключения кондуктивной линии связи 2 к корпусу 4.
На входном и выходном отрезках полосковой линии 8 расположены конструктивные емкости 9, каждая из которых представляет собой металлический диск толщиной 4-5 мм и диаметром, меньшим, чем внутренняя высота корпуса, для того чтобы создать емкостную связь между внутренним проводником отрезка полосковой линии 8 и корпусом устройства.
Между входным и средним резонаторами размещена разомкнутая полосковая линия 10 длиной, близкой к четверти длины волны на средней точке рабочего диапазона частот, и с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии связи. Эта линия путем перемещения между резонаторами выполняет роль подстройки по КСВН на средней точке рабочего диапазона частот. Кроме того, две конструктивные емкости 9, размещенные на отрезках полосковых линий 8 на входе и выходе устройства, и полосковая разомкнутая линия 10 образуют емкости для пятизвенного ФНЧ. Индуктивностями этого фильтра являются кондуктивные линии связи 2, расположенные на входе и выходе устройства. На фиг. 2 приведена эквивалентная схема ФНЧ, размещенного в общем корпусе, где конструктивные емкости 9 обозначены как С1 и С5, полосковая разомкнутая линия 10 - как С3, а кондуктивные линии связи 2 обозначены как L2 и L4. Причем для фильтра необходимо выполнение следующих условий: C1=С5, L2=L4, С3=4С1. Размеры и номиналы элементов устройства рассчитывались с помощью [4].
пр
Устройство защиты работает следующим образом. При большом уровне мощности на входе устройства защиты СВЧ-диоды на всех трех резонаторах открываются (режим передачи) и своим небольшим сопротивлением (r≤1 Ом) закорачивают вход устройства на корпус, отражая падающую мощность обратно в передатчик. Уровень просачивающейся мощности на вход приемника составляет не более 2-3 мВт. Верхний предел входной непрерывной мощности составляет 240-250 Вт. При входной мощности малого уровня (режим приема), поступающей на вход устройства, диоды закрыты и устройство работает как обычный ППФ на встречных стержнях с потерями менее 1,5 дБ при КСВН≤1,25. Включенные на входе и выходе устройства конструктивные емкости вместе с емкостью разомкнутой линии, включенной между первым и вторым резонаторами, позволяют реализовать свойства ФНЧ, который улучшает согласование на входе устройства на нижних частотах и увеличивает ослабление сигнала на верхних частотах, т.е. подавляет высшие гармоники диапазона частот от 40 дБ до 60 дБ.
На фиг. 3 показан результат эксперимента по измерению затухания в зависимости от частоты. Из результатов видно, что вторая гармоника, находящаяся между 3-й и 4-й точками испытывает ослабление примерно равное 40 дБ, вызванное наличием ППФ. Третья гармоника, находящаяся между 5-й и 6-й точками, испытывает ослабление до 40 дБ за счет добавления ФНЧ, также можно наблюдать, что общие потери совмещенного устройства не превышают 1,5 дБ.
Таким образом, благодаря включению в прототип конструктивных емкостей в виде металлических шайб, а также разомкнутой полосковой линии, близкой к четверти длины волны на средней точке рабочего диапазона частот, и с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению кондуктивной линии связи, улучшились технические характеристики изделия, а именно: повысилась помехозащищенность за счет подавления 3-й и 5-й гармоник до 40 дБ вместо 2-3 дБ у прототипа, потери в режиме приема остались на прежнем уровне при сохранении прежних габаритных размеров устройства, а также были совмещены функции ППФ и ФНЧ в одном корпусе, кроме того, уменьшился КСВН до значений, не превышающих 1,25.
Источники информации
1. Патент №2258278, заявл. №2003125468/09 от 24.06.2009 г. Шаповалова В.В., Ильичев Н.В. Диодный ограничитель мощности СВЧ-сигнала.
2. Патент на полезную модель №156173 по заявке №2014145365 от 07.06.2011 г. Кустов О.В., Пигарев В.Г. Селективное устройство защиты на встречных стержнях. Н01Р 1/22.
3. Маттей Д.Л. Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Под редакцией Л.В. Алексеева. М.: Связь. 1972 г. ч. 2. с 97-102.
4. Халяпин Б.Д. Коаксиальные и полосковые фильтры СВЧ. М.: Связь. 1969 г.