СВЧ-мультиплексор
MICROWAVE MULTIPLEXER

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к СВЧ-мультиплексорам, предназначенным для сложения СВЧ-сигналов в широком частотном диапазоне.
Известно устройство - многоканальный мультиплексор, который имеет квадратную форму и включает в себя множество коаксиальных портов ввода СВЧ-сигнала, которые подключены к соответствующим цепочкам связанных резонаторов, имеющих электромагнитную связь с общим, центрально расположенным, суммирующим резонатором (трансформатором), предназначенным для передачи общего группового сигнала на выходной коаксиальный высокочастотный разъем (Патент США №6624723, кл. H01P 1/213, 2003).
Однако применение такого устройства из-за наличия коаксиальных элементов ввода и вывода энергии ограничено диапазоном частот от 1 до 4 ГГц.
На частотах выше 4 ГГц могут быть использованы мультиплексоры, выполненные на основе полосно-пропускающих фильтров, содержащих цепочки связанных диэлектрических резонаторов и волноводные вводы и вводы СВЧ-сигналов.
Известен также мультиплексор, содержащий корпус, входной высокочастотный разъем, соединенный со входным трансформатором, выходной высокочастотный разъем, параллельно установленные полосно-пропускающие фильтры с различными полосами пропускания, выполненные на линиях с распределенными параметрами, каждый из которых снабжен регулировочными элементами (Патент Японии №61-50524, кл. H01P1/213, 1986).
Недостатком данного устройства является то, что при его технической реализации технологически трудно разместить в одной плоскости все полосно-пропускающие фильтры и волноводные вводы и выводы СВЧ-сигнала.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является перестраиваемый СВЧ–мультиплексор, предназначенный для сложения нескольких СВЧ-сигналов, спектры которых занимают различные неперекрывающиеся полосы частот (патент США №6806791, кл. H01P1/20, Н01P5/12, 2004). Это устройство имеет несколько коаксиальных вводов СВЧ сигналов, которые электромагнитно связаны с полосно-пропускающими фильтрами и суммирующим резонатором (трансформатором), позволяющим передать общий групповой сигнал на выходной высокочастотный разъем. Полосно-пропускающие фильтры представляют собой выполненные в одном прямоугольном корпусе параллельные ряды цепочек связанных резонаторов, начинающихся от коаксиальных вводов СВЧ-сигналов и заканчивающихся суммирующим резонатором (трансформатором), выполненным на основе коаксиальной резонансной линии, замкнутой на концах и расположенной перпендикулярно направлению расположения цепочек связанных резонаторов. Полосно-пропускающие фильтры содержат регулировочные элементы перестройки частоты и связи. Каждый из резонаторов в этих цепочках имеет резонансный элемент в виде внутреннего проводника, помещенного в экранирующую полость, ограниченную в направлении распространения сигнала плоскими поперечными диафрагмами с выполненными в них щелями связи. Внутренние проводники в цепочке связанных резонаторов могут быть выполнены из металла и/или керамики. Суммирующий резонатор имеет элемент связи с общим коаксиальным выводом СВЧ-сигнала.
Недостатками данного устройства являются его значительные габаритные размеры, что связано с плотным расположением цепочек связанных резонаторов в одной плоскости при количестве частотных каналов более двух. В этом случае длина центрального проводника коаксиальной резонансной линии в суммирующем резонаторе становится значительной, что может привести к ухудшению надежности работы этого устройства в условиях повышенной температуры и больших ударных нагрузках. Кроме того, полосно-пропускающие фильтры характеризуются большой разницей в крутизне скатов амплитудно-частотной характеристики, причем, как правило, крутизна ската верхних частот существенно хуже (скат является более пологим), чем крутизна ската нижних частот характеристики фильтра. Кроме того, из-за наличия коаксиальных элементов ввода и вывода энергии применение известного мультиплексора ограничено уровнем передаваемой мощности общего группового СВЧ-сигнала менее 50 Вт.
Задача настоящего изобретения заключается в создании мультиплексора, работающего с увеличенным количеством частотных каналов при небольших габаритах, увеличенной крутизне скатов его амплитудно-частотной характеристики (повышенной избирательности) и при повышенном уровне мощности группового СВЧ-сигнала.
Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов мультиплексора при увеличении крутизны скатов его амплитудно-частотной характеристики с сохранением частотного диапазона полосы пропускания и повышением уровня мощности выходного СВЧ-сигнала.
Поставленная задача решается тем, что в СВЧ–мультиплексоре, содержащем расположенные в одном корпусе не менее трех устройств для раздельного ввода СВЧ-сигналов, устройство общего вывода СВЧ-сигнала, суммирующий резонатор, выход которого связан со входом устройства общего вывода СВЧ-сигнала, не менее трех параллельно расположенных полосно-пропускающих фильтров, каждый из которых на входе связан с соответствующим устройством для раздельного ввода СВЧ-сигналов, а на выходе – с суммирующим резонатором, при этом суммирующий резонатор представляет собой закороченный на концах отрезок передающей линии, расположенный перпендикулярно направлению распространения СВЧ-сигнала, а каждый из полосно-пропускающих фильтров выполнен в виде цепочки связанных резонаторов, снабженных резонансными элементами и регулировочными элементами перестройки частоты и связи, согласно предлагаемому техническому решению резонаторы каждой цепочки полосно-пропускающего фильтра расположены с образованием двух ярусов, при этом выход последнего резонатора первого яруса связан со входом резонатора второго яруса посредством щели связи, а устройства раздельного ввода СВЧ-сигналов и устройство вывода СВЧ-сигнала выполнены в виде волноводов, отделенных от соответствующих входных резонаторов цепочек полосно-пропускающих фильтров и суммирующего резонатора, поперечной диафрагмой с щелями связи, при этом волновод каждого из устройств раздельного ввода СВЧ- сигналов снабжен резонансным элементом в виде стержня из диэлектрического материала, размещенным на поперечной диафрагме волновода, и регулировочными элементами перестройки частоты и связи, размещенными в стенке волновода, при этом резонансный элемент ориентирован вдоль направления распространения СВЧ-сигнала и выполнен с возможностью настройки на граничные частоты полосы пропускания мультиплексора; суммирующий резонатор выполнен в виде закороченного на концах отрезка волновода и снабжен регулировочным элементом перестройки частоты и связи; устройство вывода общего СВЧ-сигнала выполнено в виде волновода и снабжено регулировочным элементом перестройки связи.
Резонансные элементы полосно-пропускающих фильтров могут быть выполнены в виде стержней цилиндрической формы из диэлектрического материала и/или металла.
Резонансные элементы полосно-пропускающих фильтров могут быть закреплены на корпусе мультиплексора.
Резонансные элементы полосно-пропускающих фильтров могут быть выполнены из высокочастотного керамического материала с относительной диэлектрической проницаемостью ε’<20, например из алюмооксидной керамики, и могут быть закреплены на корпусе мультиплексора через дополнительные керамические элементы, выполненные, например, из кварца.
Резонансные элементы, расположенные в резонаторах цепочки полосно-пропускающих фильтров, могут быть закреплены на стенках резонаторов, являющихся общими для резонаторов первого и второго ярусов цепочки.
Резонансные элементы устройств раздельного ввода СВЧ-сигналов могут быть выполнены в виде стержней цилиндрической формы.
Резонансные элементы устройств раздельного ввода СВЧ-сигналов могут быть установлены на общей плоской поперечной диафрагме таким образом, что их оси проходят через середину щелей связи, выполненных в поперечной диафрагме.
Количество связанных резонаторов полосно-пропускающего фильтра может быть выбрано равным от 2 до 11.
Число резонаторов, расположенных во втором ярусе цепочки каждого из полосно-пропускающих фильтров, может быть выбрано на единицу меньше, чем в первом ярусе.
n01
10
Суммирующий резонатор может представлять собой закороченный на концах отрезок прямоугольного волновода с рабочим видом колебаний H (где n - количество частотных каналов), а волноводы устройств для раздельного ввода и общего вывода СВЧ-сигналов могут иметь прямоугольную форму поперечного сечения и характеризоваться рабочим видом колебаний H.
Регулировочные элементы перестройки частоты и связи могут быть выполнены в виде металлических винтов, расположенных под прямым углом к резонансным элементам мультиплексора.
Устройство общего вывода СВЧ-сигнала может содержать резонансный элемент в виде стержня из диэлектрического материала, установленный на поперечной диафрагме на выходе суммирующего резонатора и ориентированный вдоль направления распространения СВЧ-сигнала.
Резонаторы полосно-пропускающих фильтров могут быть выполнены круглой, квадратной или эллиптической формы в проекции на горизонтальную плоскость.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на Фиг.1 представлена схема расположения резонаторов и устройств раздельного ввода и общего вывода СВЧ-сигналов для мультиплексора с тремя полосно-пропускающими фильтрами, общий вид; на Фиг.2 – схематическое изображение конструкции мультиплексора в разрезе А-А на Фиг.1; на Фиг.3 – схематическое изображение конструкции мультиплексора в разрезе Б-Б на Фиг.2; на Фиг.4 – схематическое изображение конструкции мультиплексора в разрезе В-В на Фиг.2; на Фиг.5 – амплитудно-частотная характеристика мультиплексора при наличии диэлектрического резонансного элемента в устройствах раздельного ввода СВЧ-сигнала (сплошная линия) и при его отсутствии (пунктирная линия); на Фиг. 6, 7 – пример конструктивного выполнения резонатора с резонансным элементом из металла, размещенным в экранирующей полости, поперечный и продольный разрез относительно линии распространения СВЧ-сигнала, соответственно; на Фиг.8 - пример конструктивного выполнения резонатора с резонансным элементом из диэлектрического материала, размещенным в экранирующей полости; на Фиг.9 - устройство раздельного ввода СВЧ-сигнала, продольный разрез, на Фиг.10-11 – устройство раздельного ввода СВЧ-сигнала, поперечный разрез; на Фиг.12 – график зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) от частоты на входе первого частотного канала мультиплексора.
Позициями на чертежах обозначены:
1 – корпус мультиплексора;
2 – устройство для раздельного ввода СВЧ-сигнала;
3 – устройство общего вывода СВЧ-сигнала;
4 – суммирующий резонатор (трансформатор);
10
5 – отрезок прямоугольного волновода с рабочим видом колебаний Hустройства для раздельного ввода СВЧ-сигнала;
6 – цепочка связанных резонаторов полосно-пропускающего фильтра;
7 – резонансный элемент, выполненный в виде стержня из диэлектрического материала, расположенный в резонаторе цепочки полосно-пропускающего фильтра;
8 – резонансный элемент, выполненный в виде металлического стержня, расположенный в резонаторе цепочки полосно-пропускающего фильтра;
9 – экранирующая полость резонатора;
10 – регулировочный элемент перестройки частоты;
11 – регулировочный элемент перестройки связи;
12 – плоская поперечная диафрагма, разделяющая резонаторы в цепочке полосно-пропускающего фильтра;
13 – щель связи, выполненная в плоской поперечной диафрагме;
14 – первый ярус цепочки связанных резонаторов полосно-пропускающего фильтра;
15 – второй ярус цепочки связанных резонаторов полосно-пропускающего фильтра (15.1, 15.2, 15.3 – вторые ярусы цепочек связанных резонаторов первого, второго и третьего полосно-пропускающего фильтра соответственно);
16 – металлическая перегородка, разделяющая резонаторы первого и второго ярусов цепочки связанных резонаторов полосно-пропускающего фильтра;
17 – последний резонатор первого яруса цепочки связанных резонаторов полосно-пропускающего фильтра;
18 – первый резонатор второго яруса цепочки связанных резонаторов полосно-пропускающего фильтра;
19 – щель связи между последним резонатором первого яруса цепочки связанных резонаторов полосно-пропускающего фильтра и первым резонатором второго яруса данной цепочки;
20 – входной резонатор (первый резонатор первого яруса) цепочки связанных резонаторов полосно-пропускающего фильтра;
21 – выходной резонатор (последний резонатор второго яруса) цепочки связанных резонаторов полосно-пропускающего фильтра;
22 – поперечная диафрагма, отделяющая устройства раздельного ввода СВЧ-сигналов от входных резонаторов и устройство общего вывода СВЧ-сигнала от суммирующего резонатора (общая плоская поперечная диафрагма);
23 – резонансный элемент устройства ввода СВЧ-сигнала;
24 – входная щель связи, выполненная в общей плоской поперечной диафрагме, связывающая устройство раздельного ввода СВЧ-сигнала и входной резонатор цепочки полосно-пропускающего фильтра;
25 – выходная щель связи, выполненная в общей плоской поперечной диафрагме, связывающая суммирующий резонатор и устройство общего вывода СВЧ-сигнала;
26 – регулировочный элемент перестройки частоты устройства ввода СВЧ-сигнала;
27 – регулировочный элемент перестройки связи устройства ввода СВЧ-сигнала;
28 – регулировочный элемент перестройки связи устройства общего вывода СВЧ-сигнала;
10
29 - отрезок прямоугольного волновода с рабочим видом колебаний Hустройства общего вывода СВЧ-сигнала.
10
СВЧ – мультиплексор содержит расположенные в металлическом прямоугольном корпусе 1, по крайней мере, три устройства раздельного ввода СВЧ-сигнала 2, устройство общего вывода СВЧ-сигнала 3, суммирующий резонатор 4 (трансформатор), выход которого связан со входом устройства общего вывода СВЧ-сигнала 3, и, по крайней мере, три параллельно расположенных полосно-пропускающих фильтра, каждый из которых на входе связан с соответствующим устройством раздельного ввода СВЧ-сигнала 2, а на выходе – с суммирующим резонатором 4. В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройства ввода 2 и вывода 3 СВЧ-сигналов имеют вид отрезков прямоугольных волноводов 5, 29 с рабочим видом колебаний H, при этом число отрезков прямоугольных волноводов устройств ввода сигнала равно числу n частотных каналов мультиплексора. Конструктивное выполнение мультиплексора с тремя частотными каналами представлено на Фиг. 1-4.
n01
Суммирующий резонатор 4 представляет собой закороченный (замкнутый) на концах отрезок волновода, расположенный перпендикулярно направлению распространения СВЧ-сигнала и имеющий длину, кратную половине длины волны СВЧ-сигнала, на которую настроен данный резонатор. При этом отрезок волновода суммирующего резонатора 4 имеет, преимущественно, прямоугольную форму поперечного сечения и характеризуется рабочим видом колебаний H(где n - количество частотных каналов).
n01
Полосно-пропускающие фильтры представляют собой параллельно установленные цепочки связанных резонаторов 6. Каждый из резонаторов цепочки представляет собой экранирующую полость 9, ограниченную в направлении распространения СВЧ-сигналов плоскими поперечными диафрагмами 12. В частных вариантах выполнения изобретения экранирующие полости могут быть выполнены прямоугольной, круглой, эллиптической, квадратной формы. В плоских поперечных диафрагмах 12 выполнены щели связи 13, расположенные в местах, соответствующих максимуму высокочастотного (ВЧ) электрического поля рабочего вида колебаний H(где n - количество частотных каналов), возбуждаемого в суммирующем резонаторе 4. Посредством щелей связи 13 осуществляется электромагнитная связь между резонаторами. Форму и размеры щелей связи 13, а также толщину диафрагм 12 выбирают исходя из требуемых характеристик мультиплексора.
Резонаторы каждой из цепочек полосно-пропускающих фильтров снабжены резонансными элементами 7, 8 (внутренними проводниками), размещенными в экранирующих полостях 9, и регулировочными элементами перестройки частоты 10 и связи 11, расположенными в стенках резонаторов (при выполнении резонаторов прямоугольной формы – в их широких стенках) и обеспечивающими получение заданной формы амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в мультиплексоре, при этом регулировочные элементы перестройки связи 11 расположены в местах соединения соседних резонаторов цепочки. Резонансные элементы 7, 8 могут быть выполнены в виде стержней цилиндрической формы (в форме цилиндров) и могут быть закреплены непосредственно на металлическом корпусе 1 мультиплексора. В одном из вариантов осуществления изобретения, по крайней мере, часть резонансных элементов может быть выполнена из диэлектрика 7, а другая часть – из металла 8. В другом варианте осуществления изобретения все резонансные элементы могут быть выполнены из диэлектрика. В качестве материала диэлектрика может быть использован высокочастотный керамический материал с относительной диэлектрической проницаемостью ε’<20, например алюмооксидная керамика. При этом резонансные элементы полосно-пропускающих фильтров, выполненные из высокочастотного керамического материала, могут быть закреплены на корпусе мультиплексора через дополнительные керамические элементы, выполненные, например, из кварца, для повышения температурной стабильности и улучшения их электрических и эксплуатационных свойств.
Длины резонансных элементов 8 цепочки фильтров выбраны в пределах 50 - 80% четверти длины волны, поскольку резонансная частота без введения регулировочных элементов должна быть выше требуемой частоты для каждого резонатора фильтра.
Резонаторы каждой цепочки 6 полосно-пропускающего фильтра расположены с образованием двух ярусов 14 и 15, что позволяет уменьшить габариты мультиплексора при большом числе каналов. При этом последний резонатор 17 первого яруса 14 электромагнитно связан с первым резонатором 18 второго яруса 15 посредством щели связи 19. Число резонаторов, расположенных в первом ярусе 14, может быть выбрано равным от двух до шести, а число резонаторов, расположенных во втором ярусе 15, может быть выбрано равным на единицу меньше, чем в первом, что обусловлено сохранением симметрии расположения устройств раздельного ввода и общего вывода СВЧ-сигналов при наличии суммирующего резонатора. Таким образом, общее число резонаторов в каждом полосно-пропускающем фильтре может варьироваться от трех до одиннадцати, исходя из требований, предъявляемых к амплитудно-частотной характеристике мультиплексора. Поскольку число резонансных элементов 7 и 8 определяет число резонансных звеньев фильтра, формирующих его частотную характеристику, то это число ограничено допустимым значением ослабления полезного сигнала в полосе пропускания фильтра и не превышает 11.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения резонаторы первого и второго ярусов расположены с образованием общей металлической перегородки 16 (стенки), разделяющей резонаторы, расположенные в первом и втором ярусах, при этом резонансные элементы 7, 8 могут быть закреплены непосредственно на металлической перегородке 16, а резонаторы в ярусах могут быть расположены друг напротив друга с совпадением осей резонансных элементов, закрепленных на их общей перегородке 16, либо со смещением относительно друг друга.
Волноводы устройств ввода 2 и вывода 3 СВЧ-сигналов отделены от входных резонаторов 20, установленных на входах цепочек связанных резонаторов и от суммирующего резонатора 4, общей плоской поперечной диафрагмой 22, формирующей узкие стенки отрезков 5, 29 прямоугольных волноводов устройств ввода и вывода СВЧ сигналов. При этом в диафрагме 22 выполнены входные щели связи 24, посредством которых осуществляется электромагнитная связь между устройствами ввода СВЧ-сигналов 2 и входными резонаторами 20, расположенными на входах цепочек связанных резонаторов, и выходная щель связи 25, посредством которой осуществляется электромагнитная связь между суммирующим резонатором 4 и устройством вывода СВЧ-сигнала 3. Расположение щелей связи 24 и 25 выбирают исходя из условия наилучшего согласования полосно-пропускающих фильтров с устройствами ввода и вывода СВЧ- сигналов (с достижением наименьшего значения КСВ в месте сопряжения устройства ввода с входным резонатором). Для конструкции трехканального мультиплексора общее число дополнительных щелей связи 24 равно трем.
Внутри отрезков волноводов 5 устройств раздельного ввода СВЧ-сигналов 2 установлены резонансные элементы 23, выполненные в виде цилиндров (стержней) из диэлектрического материала (например, высокочастотной керамики), играющие одновременно роль окон связи, и закрепленные на общей плоской поперечной диафрагме 22, например, посредством паевого соединения. Резонансная частота элемента 23 определяется величиной диэлектрической проницаемости материала цилиндра, его длиной и диаметром, а также расположением в прямоугольном волноводе 5. В предпочтительном варианте осуществления изобретения дополнительные резонансные элементы 23 закреплены в середине узких стенок волноводов 5, при этом их оси проходят через середины входных щелей связи 24, выполненных в общей плоской поперечной диафрагме 22, что обеспечивает наименьшие значения коэффициента стоячей волны (КСВН) и наилучшие условия согласования.
В широких стенках волноводов 5 устройств ввода СВЧ-сигналов 2 выполнены отверстия, предназначенные для размещения в них регулировочных элементов перестройки частоты 26 и связи 27, при этом отверстия выполнены таким образом, что их оси расположены перпендикулярно поверхности широких стенок волноводов. Отверстия для размещения регулировочных элементов перестройки частоты 26 и связи 27 могут быть снабжены резьбой. Регулировочные элементы перестройки частоты 26 и связи 27 могут быть выполнены в виде штырей или винтов, выполненных с возможностью перемещения в отверстиях широких стенок под прямым углом к резонансным элементам 23. При этом регулировочные элементы перестройки частоты 16 расположены вблизи свободных концов резонансных элементов 23 (в области максимума электрического поля). Аналогичным образом могут быть выполнены регулировочные элементы перестройки частоты 10 и связи 11, расположенные в стенках резонаторов полосно-пропускающих фильтров и суммирующего резонатора, а также регулировочный элемент перестройки связи 28 устройства вывода СВЧ-сигнала 3.
Мультиплексор работает следующим образом.
10
На отдельные устройства ввода СВЧ-сигнала 2, которые выполнены в виде отрезков прямоугольных волноводов 5 с рабочим видом колебаний H, а их число равно числу n частотных каналов мультиплексора, поступают СВЧ-сигналы, спектры которых занимают различные неперекрывающиеся полосы частот.
Электромагнитная энергия, поступая по каждому из входных волноводов 5, возбуждает сначала дополнительные продольно установленные резонансные элементы 23, резонансные характеристики которых имеют максимумы на частотах среза амплитудно-частотной характеристики соответствующего фильтра. Далее происходит последовательное возбуждение связанных резонаторов первых ярусов 14 полосно-пропускающих фильтров мультиплексора и затем последовательное возбуждение связанных резонаторов вторых ярусов 15. Далее осуществляется передача электромагнитной энергии от выходных резонаторов полосно-пропускающих фильтров 21 (последних резонаторов в каждой цепочке), расположенных во втором ярусе 15, в суммирующий резонатор 4. При этом передача электромагнитной энергии от резонатора к резонатору осуществляется через щели связи 13, выполненные в поперечных диафрагмах 12. Суммирующий резонатор 4 передает высокочастотную энергию в виде общего группового сигнала, представляющего собой суперпозицию сигналов, поступивших в него из выходных резонаторов 21 фильтров, через выходную щель связи 25 на устройство общего вывода СВЧ-сигнала 3, которое осуществляет передачу группового СВЧ-сигнала в нагрузку. Получение заданной формы АЧХ в мультиплексоре обеспечивается за счет изменения положения регулировочных элементов перестройки частоты 10 и регулировочных элементов перестройки связи 11.
р
р
н
в
н
в
Диэлектрический резонансный элемент 23 реализует эффект резонансной согласованной поглощающей нагрузки: его связь с суммирующим резонатором через цепочку резонаторов фильтра эквивалентна подключению последовательного колебательного контура, состоящего из индуктивности резонансного элемента 23 и переменной емкости элемента перестройки частоты 26. На Фиг.5 представлена амплитудно-частотная характеристика мультиплексора при наличии диэлектрического резонансного элемента в устройствах раздельного ввода СВЧ-сигнала (сплошная линия) и при его отсутствии (пунктирная линия). На центральной частоте f цепочка резонаторов и резонансные элементы устройств ввода СВЧ-сигналов представляют собой чисто активные сопротивления, причем сопротивление резонансных элементов устройств ввода СВЧ-сигналов имеет максимальное значение и не шунтирует фильтр. При изменении частоты активная компонента полного сопротивления резонансных элементов устройств ввода СВЧ-сигналов уменьшается по величине, а реактивная компонента резко возрастает, то есть характер реактивностей резонансных элементов устройств ввода СВЧ-сигналов и основной фильтровой системы противоположный. При дальнейшем изменении частоты от f до f или f происходит сначала еще больший рост реактивных составляющих, а затем резкий спад и вблизи частот f, f опять наступает компенсация реактивностей. На этой частоте резонансные элементы устройств ввода СВЧ-сигналов представляют уже малое активное сопротивление, следствием чего является меньшая крутизна верхнего ската по сравнению с нижним.
Изменяя в устройствах ввода 2 и вывода 3 СВЧ-сигналов положение регулировочных элементов перестройки частоты 26 и связи 27 можно перестраивать их частоту и условия связи с нагрузкой, что позволяет реализовать требуемый вид ската частотной характеристики фильтра. Волноводная конструкция вводов и выводов СВЧ-сигналов энергии, а также суммирующего резонатора обеспечивает устойчивость устройства к механическим нагрузкам при работе с уровнем выходной мощности больше 50 Вт на частотах выше 3-4 ГГц.
н
в
Наибольшую крутизну ската можно получить, выбрав керамические резонансные элементы 23 с резонансными частотами f, f, соответствующими краям полосы пропускания фильтра. Изменением положения регулировочных элементов перестройки связи 27 можно добиться наилучших условий для согласования мультиплексора с нагрузкой.
Таким образом, мультиплексор осуществляет полосовую фильтрацию СВЧ-сигналов на раздельных частотных входах и сложение нескольких сигналов с раздельных частотных входов на общий выход. Он работает с увеличенным количеством частотных каналов при небольших габаритах и массе, увеличенной крутизне скатов его амплитудно-частотной характеристики и при повышенном уровне мощности группового СВЧ- сигнала. Будучи пассивным взаимным СВЧ-устройством, мультиплексор может решать также и обратную задачу разделения общего группового сигнала, поступающего на вход устройства, на несколько сигналов, спектры которых занимают различные неперекрывающиеся полосы частот, передавая их на отдельные выводы СВЧ-сигналов.
Осуществление данного изобретения подтверждено примером конкретной реализации, описанным ниже.
Был изготовлен макет мультиплексора, предназначенного для работы в Кu- диапазоне (17-18 ГГц) и включающего три полосно-пропускающих фильтра. Каждый из фильтров представлял собой цепочку из пяти электромагнитно связанных резонаторов, расположенных в два яруса: 3 резонатора – в первом ярусе, 2 - во втором, при этом резонаторы первых ярусов всех фильтров образовали первый ярус мультиплексора, состоящий из 9 резонаторов, а резонаторы вторых ярусов всех фильтров образовали второй ярус мультиплексора, расположенный над первым, и состоящий из 6 резонаторов. В первом, втором и пятом резонаторах каждой цепочки 6 были установлены резонансные элементы в виде металлических цилиндров 8, а в третьем и четвертом резонаторах - резонансные элементы в виде керамических цилиндров 7, при этом металлические цилиндры 8 были закреплены на широкой стенке волновода, являющейся общей металлической перегородкой 16 для резонаторов первого и второго ярусов, а диэлектрические цилиндры 8 – на противоположных широких стенках резонаторов (Фиг.1) При таком расположении резонансных элементов достигались наилучшие условия для осуществления электромагнитной связи между смежными резонаторами, расположенными на разных ярусах. Экранирующие полости с металлическими резонансными элементами 8 были выполнены квадратной формы (наиболее простая форма с точки зрения конструктивного выполнения). При этом для изготовления мультиплексора с двумя ярусами осуществляли его сборку из двух частей, одна из которых содержала резонаторы первого яруса, а вторая - резонаторы второго яруса. Обе части скреплялись винтами таким образом, что щели связи последних резонаторов первого яруса совпадали со щелями связи первых резонаторов второго яруса с образованием одной общей щели связи 19 и общей стенки 16 между резонаторами первого и второго ярусов одной цепочки. В качестве материала корпуса мультиплексора использовалась медь.
Волновое сопротивление коаксиальной линии, которую образовывали внешний (экранирующая полость) и внутренний (металлический резонансный элемент) проводники с отношением размеров D/d, было выбрано примерно равным 70-75 Ом. Это условие обеспечивало наивысшую собственную добротность резонатора.
Размеры резонаторов, содержащих резонансные элементы, выполненные из металла, приведены на Фиг.6, 7, из диэлектрика - на Фиг.8. В качестве диэлектрического материала резонансных элементов 7 был выбран керамический материал – алюмооксидная керамика (ВК94-2) (высокоглиноземистая корундовая керамика), содержащая до 99,5% оксида алюминия (Al2O3), с диэлектрической проницаемостью, равной 8,6. Толщина диафрагм 12 была выбрана равной 1,5 мм.
Ввод СВЧ-энергии в каждом полосно-пропускающем фильтре осуществлялся при помощи прямоугольного волновода размером 13мм×6,5мм (Фиг.9). Связь с первыми резонаторами 20 в каждом из частотных каналов осуществлялась посредством входных щелей связи 20, выполненных в виде прямоугольных отверстий в общей плоской поперечной диафрагме 22. Выбором толщины диафрагмы 22 и размером прямоугольного отверстия была подобрана оптимальная добротность керамического резонатора в устройстве ввода СВЧ-сигнала, необходимая для согласования с нагрузкой.
10
Резонансные элементы 23 имели относительную диэлектрическую проницаемость, равную 8,6, и следующие геометрические размеры: диаметр - 4 мм, длину - 7 мм (исходя из условия, чтобы резонансная частота, без учета регулировочного элемента, была выше примерно на 20-30%). При этом резонансные элементы 23 были расположены в середине узкой стенки прямоугольных волноводов 5 ввода энергии, то есть находились в максимуме ВЧ электрического поля волноводов, возбуждаемого на виде колебаний H.
Регулировочные элементы перестройки частоты 10, 26 и регулировочные элементы перестройки связи 11, 27, 28 были выполнены в виде металлических винтов с резьбой М1,5.
Индуктивность резонансного элемента 23 (диэлектрического стержня) вместе с емкостью регулировочного элемента перестройки частоты 26 образовывали перестраиваемый последовательный колебательный контур, шунтирующий полосно-пропускающий фильтр за пределами рабочей части амплитудно-частотной характеристики мультиплексора.
Для данного мультиплексора был получен график зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) от частоты сигнала для устройства ввода энергии вместе с первым резонатором для одного звена полосно-пропускающей фильтровой системы (Фиг.12), где fн, fв -  нижняя и верхние частоты, определяющие полосовые свойства мультиплексора. Из графика видно, что в полосе пропускания мультиплексора, определяемой частотами fн, fв, величина КСВН не превышает 3.
Также был построен график зависимости амплитуды выходного сигнала А от частоты f (Фиг.5).
Проведенные эксперименты показали, что наиболее высокие значения собственной добротности резонатора наблюдались в случае симметричного расположения керамического цилиндра 23 в середине узкой стенки волновода 5, когда его ось совпадает с серединой входной щели связи 24.
Результаты испытаний также показали, что при настройке керамических резонансных элементов 23 на границы полосы пропускания мультиплексора крутизна скатов его амплитудно-частотной характеристики существенно увеличивается. При этом уровень мощности группового СВЧ-сигнала на выходе мультиплексора был равен 400 Вт.
Таким образом, удалось разработать мультиплексор с уменьшенными в 1,5 раза габаритами по сравнению с прототипом, обеспечивающий сложение трех сигналов и обладающий АЧХ, характеризующейся крутизной скатов, увеличенной до 15 % и уровнем выходной мощности, превышающим более чем в 3 раза уровень выходной мощности у прототипа.