СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ СИММЕТРИРУЮЩИЙ ФИДЕР
ULTRA BROADBAND BALANCING FEEDER

Заявляемое устройство относится к областям техники, использующим импульсные сверхширокополосные (СШП) сигналы, например СШП радары, и может быть использовано в радиотехнических системах различного назначения для согласования электрически несимметричного (относительно земли) выхода одного блока с электрически симметричным входом другого блока с одновременным формированием сигнала.
Известно симметрирующее устройство [1], состоящее из отрезка линии передачи волны, образованной двумя плоскими биметаллическими проводниками, расположенными в параллельных плоскостях, плоские проводники изготовлены из биметалла так, что внутренние поверхности плоских проводников выполнены из металла с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, а их внешние поверхности выполнены из металла с низкой проводимостью и высокой магнитной проницаемостью. Принцип действия устройства заключается в обеспечении затухания синфазной волны в поглощающем материале с сохранением противофазной составляющей.
Недостатком этого устройства является низкая степень симметрирования, связанная с тем, что известные материалы не обеспечивают ни полного пропускания, ни полного поглощения соответствующих составляющих сигнала.
Известно симметрирующее устройство [2], содержащее участок коаксиального кабеля, свернутого в спираль, и кольца из поглощающего материала. Принцип действия устройства заключается в затухании синфазной волны с сохранением противофазной составляющей.
Известно симметрирующее устройство [3], содержащее отрезки коаксиальной и симметричной двухпроводной линий различной электрической длины, а также четвертьволновый разомкнутый коаксиальный шлейф, соединенные и расположенные определенным образом.
Известно симметрирующее устройство [4], содержащее двухпроводную линию, разделенную на два участка, с определенными длинами, входными сопротивлениями и расположенные на разных расстояниях. Указанные параметры выбираются и могут быть изменены, исходя из длины волн.
Известно симметрирующее устройство [5], содержащее две резонансные цепи, соединенные через трансформатор.
Недостатком устройств [2-5] является ограниченный диапазон рабочих частот, что делает их неприемлемыми для СШП применений.
Известно симметрирующее устройство [6]. Структура симметрирующего трансформатора сформирована микрополосковыми линиями передачи и имеет, по крайней мере, одну инвертирующую и одну неинвертирующую линии передачи. Линии передачи выполнены так, чтобы сформировать сбалансированные линии передачи относительно земли. Ферритовые кольца, помещенные вокруг микрополосковых линий, и конденсаторно-резистивные цепи улучшают работу симметрирующего трансформатора на низких частотах.
Недостатками такого устройства являются высокая сложность его проектирования и изготовления с учетом настройки на требуемый частотный диапазон.
Наиболее близким к заявляемому является широкополосный симметрирующий фидер [7], содержащий микрополосковый разветвитель, разделяющий сигнальный вход фидера на две микрополосковые линии, окончание первой микрополосковой линии является первым выходом фидера. В основе этого устройства положено инвертирование входного сигнала за счет инвертирующих пар полосковых линий.
Недостатками этого устройства являются:
- Невозможность работы на постоянном токе, поскольку экранный вход и инвертирующая выходная линия передачи сигнала закорочены.
- Высокое выходное сопротивление фидера не позволяет подключить к нему низкоомную нагрузку. Этот недостаток связан с тем, что выход инвертирующей линии передачи принципиально должен быть разнесен в пространстве от выхода неинвертирующей линии. Заметим, что расстояние между микрополосковыми линиями определяет выходное сопротивление фидера.
Все рассмотренные выше аналоги в той или иной степени используют конструкции, параметры которых которые рассчитаны на определенный частотный диапазон. Ни в одном из приведенных аналогов не рассматриваются задержки, вносимые линиями передачи, что свидетельствует либо о пренебрежимо малой длине этих линий, либо об относительно узком спектре рассматриваемых сигналов.
Генераторы импульсных СШП сигналов, как правило, вырабатывают видеоимпульс или перепад амплитуд, которые в дальнейшем различными способами, в частности дифференцированием, преобразуется в радиоимпульс. СШП сигнал обычно формируется по отношению к общему проводу (к земле), т.е. является асимметричным. Передача такого сигнала к антенне традиционно осуществляется при помощи асимметричного фидера, например коаксиального кабеля. Однако излучающая антенна оказывается симметричной, что требует построения устройства («balun» - balanced/unbalanced), согласующего асимметричную часть схемы с симметричной.
Задачей, решаемой заявляемым устройством, является создание простого симметрирующего фидера для СШП сигналов, обладающего малым выходным сопротивлением и способного, кроме того, сформировать СШП сигнал.
Для решения этой задачи по п.1 формулы изобретения у сверхширокополосного симметрирующего фидера, содержащего микрополосковый разветвитель, разделяющий сигнальный вход фидера на две микрополосковые линии, а окончание первой микрополосковой линии является первым выходом фидера, вторая микрополосковая линия имеет задержку распространения сверхширокополосного сигнала, а ее окончание является вторым выходом фидера.
По п.2 формулы изобретения волновое сопротивление микрополосковых линий выбирается таким, чтобы сверхширокополосные сигналы на выходах фидера имели одинаковую амплитуду.
Существенными отличиями заявляемого устройства от известных аналогов по п.1 формулы изобретения являются:
вторая микрополосковая линия имеет задержку распространения СШП сигнала больше задержки в первой микрополосковой линии. Такое решение позволяет получить инверсный СШП сигнал за счет задержки.
В прототипе инвертирование входного сигнала осуществляется за счет смены функций сигнальной и экранной микрополосковых линий передачи к концу фидера.
Использование окончания второй микрополосковой линии в качестве выхода фидера позволяет разместить выходы фидера близко друг другу, получить малое выходное сопротивление фидера, а следовательно, подключить его к низкоомной нагрузке (антенне).
В прототипе выходы фидера пространственно разнесены, поскольку второй выход фидера должен располагаться под расширенной частью второй микрополосковой линии. Такая конструкция приводит к тому, что выходное сопротивление фидера оказывается высоким, что затрудняет его согласование с низкоомной нагрузкой.
Существенным отличием заявляемого устройства от известных аналогов по п.2 формулы изобретения является то, что волновое сопротивление микрополосковых линий выбирается так, чтобы сверхширокополосные сигналы на выходах фидера имели одинаковую амплитуду. Такой подход позволяет скомпенсировать потери, связанные с увеличением протяженности и формой второй микрополосковой линии.
В прототипе вторая микрополосковая линия также имеет изменяющееся по ее длине волновое сопротивление, однако, цель существенного расширения этой микрополосковой линии заключается в построении инвертирующей схемы. При этом, чем шире вторая микрополосковая линия на выходе, тем лучше инвертирование, и тем больше выходное сопротивление фидера.
Заявляемое устройство иллюстрируют следующие графические материалы.
Фиг.1 - схема фидера по п.1 формулы изобретения, где:
1. Микрополосковый разветвитель.
2. Сигнальный вход фидера.
3. Первая микрополосковая линия.
4. Вторая микрополосковая линия.
5. Первый симметричный выход.
6. Линия задержки СШП сигнала.
7. Второй симметричный выход
8. Экран.
9. Диэлектрик.
Фиг.2 - схема фидера по п.2 формулы изобретения.
Фиг.3 - временная диаграмма формирования симметричного радиосигнала при максимальной задержке во второй микрополосковой линии.
Фиг.4 - временная диаграмма формирования симметричного радиосигнала при минимальной задержке во второй микрополосковой линии.
Фиг.5 - временная диаграмма формирования выходного симметричного видеоимпульса.
Сверхширокополосный симметрирующий фидер по п.1 формулы изобретения, фиг.1, выполнен в виде несимметричных микрополосковых линий. С одной стороны диэлектрика 9 расположен экран 8, а с другой - сигнальный вход 2 фидера, который является входом микрополоскового разветвителя 1, который разделяется на две микрополосковых линии 3 и 4. Эти микрополосковые линии могут иметь одинаковое волновое сопротивление в месте подключения к разветвителю 1. Выходы 5 и 7 микрополосковых линий 3 и 4 являются симметричными выходами фидера. Простейшим вариантом построения заявляемого фидера является реализация задержки за счет увеличения длины полосковой линии 4. В этом случае длина сигнальной линии 4 должна быть больше длины линии 3 за счет участка 6. Величина задержки может быть различной и зависит от входного сигнала и требований к формируемому СШП сигналу.
Сверхширокополосный симметрирующий фидер по п.2 формулы изобретения, фиг.2, может быть выполнен аналогичным образом. Однако неизбежные потери, возникающие во второй 4, более длинной линии передачи СШП сигнала, вызовут уменьшение амплитуды задержанного сигнала на ее выходе 7. Это приведет к появлению постоянной составляющей в выходном сигнале на симметричных выходах 5-7. Если эта разность существенна, то для ее компенсации следует либо увеличить волновое сопротивление микрополосковой линии 4, например путем ее сужения от разветвителя 1 до выхода 7, фиг.2, либо путем уменьшения волнового сопротивления первой микрополосковой линии 3, путем ее расширения от разветвителя 1 к выходу 5. Указанные изменения волнового сопротивления обычно осуществляются в виде плавных изменений ширины соответствующих микрополосковых линий. Третьим путем решения указанной проблемы является изменение волнового сопротивления микрополосковых линий 3 и 4 на выходе разветвителя 1, т.е. использования асимметричного разветвителя 2. На фиг.2 изображен первый путь решения этой проблемы, где микрополосковая линия 4 плавно сужается от выхода разветвителя 1 до выхода 7. Заметим, что в этом случае волновое сопротивление микрополосковых линий 3 и 4 в месте их соединения с разветвителем 1 одинаково. Выходное сопротивление фидера зависит от расстояния между микрополосковыми линиями 3 и 4 и может быть сделано достаточно малым.
Работа СШП симметрирующего фидера по п.1 формулы изобретения происходит следующим образом. Асимметричные выходы (сигнальный и экранный) источника СШП сигнала подключаются к входу микрополоскового разветвителя 1 и экрану 8 соответственно.
Импульсный СШП сигнал, фиг.1 и 2, распространяется от входа 2 разветвителя 1 и разделяется, в простейшем случае - поровну, на микрополосковые линии 3 и 4. Через время распространения по микрополосковой линии 3 СШП сигнал достигает выхода 5. В этот момент сигнал на выходе 5, фиг.3, 4, имеет положительную полярность по отношению к нулевому сигналу на выходе 7.
и
По микрополосковой лини 4 этот импульс поступает на выход 7 с задержкой по отношению к сигналу на выходе 5 на величину , где k - выбранный коэффициент, t - длительность СШП импульса, C - скорость света, ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика 9. Если в качестве входного сигнала фидера используется видеоимпульс, фиг.3 и 4, то коэффициент k целесообразно выбрать в диапазоне (0,5÷1). Такой выбор означает, что временной сдвиг СШП сигналов на выходах 5 и 7 меньше, чем на длительность импульса (k=0,5) приведет к неоправданным потерям энергии входного сигнала. Задержка, большая, чем длительность импульса (k=1) приведет к искажению формы СШП импульса, вызовет появление постоянной составляющей в каждом из разнесенных выходных СШП импульсах. Импульс, поступивший на выход 7, оказывается отрицательным по отношению к выходу 5. Таким образом, на выходах 5-7 будет сформирован симметричный радиоимпульс из входного видеоимпульса. На фиг.3 приведена временная диаграмма описанного процесса, при k=1, а на фиг.4 - при k=0,5. При k=1 длительность формируемого СШП радиоимпульса в два раза больше длительности исходного видеоимпульса. При k=0,5 входной СШП радиоимпульс в полтора раза длиннее исходного видеоимпульса, но при этом имеет «крутой» ниспадающий фронт, что увеличивает ширину спектра формируемого сигнала в полтора раза.
фр.
фр.
Если в качестве входного СШП сигнала используется положительный перепад сигнала с длительностью фронта t, фиг.5, а задержка 6 в микрополосковой линии 4 выбрана равной t, то на выходах 5-7 будет сформирован симметричный (не привязанный к земле) видеоимпульс. Симметричная антенна продифференцирует этот сигнал, в результате чего будет излучен радиоимпульс.
По п.2 формулы изобретения требуется скомпенсировать асимметрию СШП сигналов на выходах 5 и 7 микрополосковых линий 3 и 4 из-за разной их формы и протяженности. Эту задачу можно решить за счет изменения волнового сопротивления, в частности, микрополосковой линии 4, фиг.2. При этом СШП сигналы на выходах 5 и 7 окажутся одинаковыми по амплитуде, сдвинутыми по времени на выбранный интервал и образующими симметричный радиоимпульс, фиг.3, 4, без постоянной составляющей или симметричный видеоимпульс, фиг.5.
Заявляемый фидер целесообразно применять при требуемых задержках СШП сигналов в десятки-сотни пикосекунд. При этом увеличение длины микрополосковых линий оказывается небольшим. Например, если в качестве диэлектрика выступает воздух с ε=1 (что потребует соответствующего конструктивного исполнения фидера), то задержка в 33 пс потребует увеличения длины второй микрополосковой линии 6 лишь на 1 см. Необходимость в применении п.2 формулы изобретения зависит от характеристик СШП сигнала и требований по точности, предъявляемых к системе.
Таким образом, заявляемый фидер имеет простую конструкцию, легко настраивается на длительность входного СШП сигнала, позволяет получить симметричные СШП сигнал из несимметричных, а также формирует СШП сигналы: радиоимпульс из однополярного видеосигнала или видео импульс из перепада.
Литература
1. Патент RU 2020663.
2. Патент RU 90212.
3. Патент RU 2255393.
4. Патент US 5565881.
5. Патент WO 03049288.
6. Патент US 5523728.
7. Патент US 5172082.