СВЧ-ДИПЛЕКСЕР
MICROWAVE DIPLEXER

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для разделения, селекции и частотного уплотнения каналов радиотехнических и телекоммуникационных систем.
Известен СВЧ диплексер, выполненный на коаксиальных отрезках линий (книга: Алексеев О.В., Грошев В.Г., Чавка Г.Г. Многоканальные частотно-разделительные устройства и их применение. - Радио и связь, 1981. - 136 с. См. рис. 6.9 на стр. 110). Данное устройство содержит два каскадно включенных квадратурных моста на четвертьволновых коаксиальных отрезках линии. Кроме того, к общим точкам соединения квадратурных мостов подключены два одинаковых полуволновых разомкнутых коаксиальных шлейфа, обладающих фильтрующими свойствами. Описываемый СВЧ диплексер имеет высокое качество согласования по входу в метровом и дециметровом диапазоне длин волн. Однако его полоса рабочих частот не превышает 10% по отношению к центральной частоте рабочего диапазона. Такая величина полосы пропускания соответственно определяется полосой пропускания квадратурного моста и полосовыми свойствами полуволнового разомкнутого коаксиального шлейфа.
Известен также СВЧ диплексер (см. патент РФ №2488200, Н01Р 1/213, опубль. 20.07.2013 г., Бюл. №20), содержащий диэлектрическую подложку, одна сторона которой металлизирована и выполняет функцию заземляемого основания, а на вторую нанесены полосковые проводники, образующие двухмодовые резонаторы, и расположены три емкости, связывающие три порта с крайними двухмодовыми резонаторами. Один из полосковых проводников имеет Т-образную форму, и частоты его первых двух мод колебаний настроены на центральные частоты полос пропускания низкочастотного и высокочастотного каналов. Остальные полосковые проводники расщеплены продольной щелью с одного конца и принадлежат одной из двух групп, формирующих полосы пропускания низкочастотного и высокочастотного каналов, в которых расщепленные полосковые проводники электромагнитно связаны между собой и с полосковым проводником Т-образной формы. Электромагнитно связанные полосковые проводники являются резонаторами двух полосно-пропускающих эллиптических фильтров, которые образуют каналы диплексера, различающиеся частотами полос пропускания. Описываемый СВЧ микрополоскововый диплексер имеет хорошие частотно-селективные свойства, кроме того полосы пропускания эллиптических фильтров можно расположить близко по частоте. Недостатком данного устройства, выполненного на основе полосовых фильтров с двухмодовыми резонаторами, является узкая полоса рабочих частот, не более 20%.
N
Кроме того, известен также СВЧ диплексер, являющийся прототипом предлагаемого изобретения (книга: Алексеев О.В., Грошев В.Г., Чавка Г.Г. Многоканальные частотно-разделительные устройства и их применение. - Радио и связь, 1981. - 136 с. См. рисунок 2.3 на стр. 17). Прототип содержит фильтр нижних частот и фильтр верхних частот, каждый из которых выполнен на сосредоточенных катушках индуктивности и конденсаторах. При этом входы обоих фильтров, начинающиеся соответственно с продольно включенных индуктивных и емкостных элементов, соединены между собой и являются входом СВЧ диплексера. Выход фильтра нижних частот является низкочастотным выходом СВЧ диплексера, а выход фильтра верхних частот является высокочастотным выходом СВЧ диплексера. Данное устройство обеспечивает режим согласования по входу в метровом и начале дециметрового диапазона частот. Однако на более высоких частотах из-за влияния паразитных индуктивностей конденсаторов фильтров качество согласования ухудшается. Например, для диплексера с сопротивлениями нагрузок R=50 Ом на взаимно дополняющих фильтрах с частотой стыковки 2,5 ГГц значение емкости в последовательно включенном конденсаторе фильтра верхних частот равно
где С'=0,7071 - нормированное значение емкости диплексера на взаимно дополняющих фильтрах при аппроксимации Баттерворта;
- частота стыковки фильтров диплексера;
N
R -сопротивление нагрузок диплексера.
Далее учтем, что типичное значение паразитной индуктивности выводом  конденсаторов, используемых в СВЧ диапазоне, составляет величину, порядка  нГ. В этом случае частота паразитного
резонанса, ограничивающего диапазон частот качественного согласования равна
Таким образом, недостатком прототипа является ухудшение качества согласования по входу в верхней части дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн из-за влияния паразитной индуктивности выводов конденсаторов, входящих в состав фильтра верхних частот.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является улучшение качества согласования по входу СВЧ диплексера в верхней части дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн.
Поставленная задача достигается тем, что в СВЧ диплексер, содержащий, фильтр нижних частот и фильтр верхних частот, входы которых соединены вместе, введены входная и две одинаковых выходных несимметричных микрополосковых линии, а порядок обоих фильтров выбран равным 2, при этом последовательно включенный индуктивный элемент фильтра нижних частот выполнен в виде короткозамкнутого шлейфа симметричной ленточной двухпроводной линии на диэлектрике, который установлен перпендикулярно входной несимметричной микрополосковой линии, а параллельно включенный емкостной элемент фильтра нижних частот выполнен в виде разомкнутого шлейфа несимметричной микрополосковой линии и соединен с первой выходной несимметричной микрополосковой линией, при этом последовательно включенный емкостной элемент фильтра верхних частот выполнен в виде разомкнутого шлейфа симметричной ленточной двухпроводной линии на диэлектрике, который установлен перпендикулярно входной несимметричной микрополосковой линии, а параллельно включенный индуктивный элемент фильтра верхних частот выполнен в виде короткозамкнутого шлейфа несимметричной микрополосковой линии и соединен со второй выходной несимметричной микрополосковой линией, при этом длина всех разомкнутых и короткозамкнутых шлейфов одинакова и равна
где:  - длина разомкнутых и короткозамкнутых шлейфов;
CT
λ - длина волны входного СВЧ сигнала, соответствующая частоте стыковки фильтра нижних частот и фильтра верхних частот;
а их волновые сопротивления также одинаковы и равны
где: ρ - волновое сопротивление шлейфов.
На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемого СВЧ диплексера (вид сверху). На фиг. 2 показано соединение короткозамкнутого шлейфа симметричной ленточной двухпроводной линии на диэлектрике и входной несимметричной микрополосковой линии, которые расположены перпендикулярно друг другу (вид сбоку). На фиг. 3 показана эквивалентная схема СВЧ - диплексера на отрезках линий. На фиг. 4 приведена частотная зависимость коэффициента передачи для низкочастотного выхода. На фиг. 5 приведена частотная зависимость коэффициента передачи для высокочастотного выхода.
Предлагаемый СВЧ диплексер содержит входную несимметричную микрополосковую линию 1, первую выходную несимметричную микрополосковую линию 2, вторую выходную несимметричную микрополосковую линию 3, короткозамкнутый шлейф в виде симметричной ленточной двухпроводной линии 4, разомкнутый шлейф в виде несимметричной микрополосковой линии 5, разомкнутый шлейф в виде симметричной ленточной двухпроводной линии 6, короткозамкнутый шлейф в виде несимметричной микрополосковой линии 7. Короткозамкнутый шлейф в виде симметричной ленточной двухпроводной линии 4, расположенной на диэлектрике, установлен перпендикулярно входной несимметричной микрополосковой линии 1 и включен в разрыв ее полоска. Разомкнутый шлейф в виде несимметричной микрополосковой линии 5 подключен к первой выходной несимметричной микрополосковой линии 2 в месте подключения короткозамкнутого шлейфа в виде симметричной ленточной двухпроводной линии 4. Разомкнутый шлейф в виде симметричной ленточной двухпроводной линии 6, расположенной на диэлектрике, установлен перпендикулярно входной несимметричной микрополосковой линии 1и включен в разрыв ее полоска. Короткозамкнутый шлейф в виде несимметричной микрополосковой линии 7 подключен ко второй выходной несимметричной микрополосковой линии 3 в месте подключения разомкнутого шлейфа в виде симметричной ленточной двухпроводной линии 6.
Предлагаемый СВЧ диплексер работает следующим образом. Входной СВЧ сигнал подводится к входной микрополосковой несимметричной линии 1. Низкочастотные составляющие спектра входного СВЧ сигнала через фильтр нижних частот (ФНЧ), выполненный на шлейфах 4 и 5, попадают в первую выходную несимметричную микрополосковую линию 2, которая является низкочастотным выходом СВЧ диплексера. Высокочастотные составляющие спектра входного СВЧ сигнала через фильтр верхних частот (ФВЧ), выполненный на шлейфах 6 и 7, попадают во вторую выходную несимметричную микрополосковую линию 3, которая является высокочастотным выходом СВЧ диплексера.
Учитывая, что СВЧ диплексер содержит параллельно включенные ФНЧ и ФВЧ, содержащие короткозамкнутые и разомкнутые шлейфы, в соответствии с эквивалентной схемой фиг.3 определим входную проводимость каждого фильтра:
N
где: R - сопротивление нагрузок СВЧ диплексера;
- волновое сопротивление шлейфов 4, 5, 6, 7;
- электрическая длина шлейфов 4, 5, 6, 7;
CT
λ - длина волны входного СВЧ сигнала в диэлектрике, соответствующая частоте стыковки ФНЧ и ФВЧ;
- частота стыковки ФНЧ и ФВЧ;
НЧ
ВЧ
ω - граничная частота ФНЧ; ω - граничная частота ФВЧ. Далее находим входную проводимость СВЧ диплексера
Подставив в (4) соотношения (2) и (3) и проведя алгебраические преобразования получим
Из соотношения (5) следует, что при указанных в формуле изобретения длины  и волновых сопротивлений  шлейфов 4, 5, 6 и 7 предлагаемый СВЧ диплексер теоретически оказывается согласованным по входу в полосе частот от 0 до бесконечно большой величины. Практически за счет использования в ФВЧ и ФНЧ короткозамкнутых и разомкнутых шлейфов 4, 5, 6 и 7 с указанными в формуле изобретения параметрами максимальная частота качественного согласования по входу определяется граничной частотой используемых в указанных шлейфах несимметричных микрополосковых и симметричных ленточных двухпроводных линий, не имеющих паразитных индуктивностей выводов. Для несимметричных микрополосковых и симметричных ленточных двухпроводных линий граничная частота находится в верхней части сантиметрового диапазона от 10 до 15 ГГц. Это в три раза больше, чем частота, определяемая соотношением (1) для прототипа. Шлейфы 4 и 6 на симметричных ленточных двухпроводных линиях с волновым сопротивлением  выполнены на диэлектрике и поэтому имеют жесткую конструкцию. Данные шлейфы (4 и 6) установлены перпендикулярно несимметричной микрополосковой линии передачи 1, как показано на фиг. 2. При этом общая конструкция предлагаемого СВЧ диплексера является объемной. При выборе большого значения диэлектрической проницаемости диэлектрика геометрические размеры СВЧ диплексера в верхней части дециметрового и сантиметрового диапазона становятся небольшими, что обеспечивает хорошие массогабаритные показатели.
На фиг. 4 и фиг. 5 приведены частотные зависимости коэффициента передачи соответственно для низкочастотного и высокочастотного выхода СВЧ диплексера, полученные методом компьютерного моделирования с помощью эквивалентной схемы, показанной на фиг. 3. Значения коэффициента передачи близкие к 1 (отражения отсутствуют) обеспечивают высокое качество согласования в полосе пропускания фильтров, а, следовательно, и высокое качество согласования по входу предлагаемого диплексера. Отметим, что за счет выбора длины и волнового сопротивления короткозамкнутых и разомкнутых шлейфов как указано в формуле изобретения, в соответствии с соотношением (1) высокое качество согласования обеспечивается во всей полосе частот, в том числе и в полосе частот стыковки фильтров СВЧ диплексера. Как видно из частотных зависимостей фиг. 4 и фиг. 5, СВЧ диплексер, выполненный с использованием шлейфов 4, 5, 6, и 7, имеет периодически повторяющиеся частотные характеристики. Это позволяет использовать СВЧ диплексер не только как фильтровую структуру ФНЧ-ФВЧ, но и структуру с полосовыми фильтрами, имеющими смежные полосы пропускания в верхней части дециметрового и сантиметрового диапазона.
Таким образом, за счет использования короткозамкнутых и разомкнутых шлейфов на несимметричных микрополосковых и симметричных ленточных двухпроводных линиях, не имеющих паразитных индуктивностей выводов, и установки диэлектрика симметричных ленточных двухпроводных линий перпендикулярно входной несимметричной микрополосковой линии, предлагаемый СВЧ диплексер обеспечивает улучшение согласования по входу в верхней части дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн.