ЧАСТОТНО-РАЗВЯЗЫВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
FREQUENCY-DOMAIN DECOUPLER

Изобретение относится к технике сверхвысокой частоты (СВЧ) и предназначено для работы в качестве частотного делителя сигнала общего источника на два сигнала с различными диапазонами частот или частотного сумматора двух каналов мощного источника (или двух мощных источников), работающих в различных диапазонах частот.
Из уровня техники известно частотно-разделительное устройство (Патент на изобретение RU №2054760, опубликовано 20.02.1996, МПК: Н01Р 1/213). Устройство содержит N последовательно соединенных каналов, каждый из которых включает мост, подключенный выходными плечами к полезным нагрузкам через ячейки с равными входными импедансами из последовательно соединенных усилителя и полосового фильтра, при этом второе входное плечо моста предыдущего канала соединено с первым входным плечом моста последующего канала, первое входное плечо моста первого канала является входом устройства, а второе входное плечо моста последнего канала соединено с балластной нагрузкой, отличающееся тем, что усилители в ячейках выполнены с несогласованным в рабочей полосе частот входным импедансом.
К недостаткам данного устройства можно отнести большие габаритные размеры, не позволяющие поместить его на изделии с малыми свободными объемами.
Известно частотно-разделительное устройство (Патент на полезную модель RU №99675, опубликовано 20.11.2010, МПК: Н03Н 7/19 (2006.01)). Частотно-разделительное устройство содержит два трехдецибельных делителя, соответствующие входы и выходы которых попарно соединены между собой напрямую и через фазовращатель, а также соединенную с одним из делителей нагрузку. При этом делители выполнены в виде моноблоков на основе линий с электромагнитной связью, а нагрузка выполнена в виде моноблока на основе микрополоскового резистора. Причем, соответствующие входы и выходы делителей соединены между собой и с нагрузкой гибкими коаксиальными кабелями разной длины, при этом кабель между делителем и нагрузкой имеет произвольную длину, а разность длин кабелей между делителями зависит от величины разделяемых частот и определяется соотношением L=|150/(F1-F2)|, где L - разность длин кабелей между делителями, м; F1, F2 - частоты электромагнитных колебаний, МГц.
Недостатком данного устройства является то, что использование гибких коаксиальных кабелей между трехдецибельными делителями приводит к необходимости подбора длины этих кабелей в зависимости от величины разделяемых частот, что существенно увеличивает технологический цикл изготовления и делает это устройство недостаточно универсальным и повторяемым.
Известно многоканальное частотно-разделительное устройство (Патент RU №2206153, опубликовано 10.06.2003, МПК: Н01Р 1/213), предназначенное для соединения двух или более источников, работающих на различных частотах, с общим источником, с возможностью обеспечения предварительной взаимной развязки источников. Устройство состоит из N по числу каналов полосно-пропускающих фильтров и соединительной линии, включающей короткозамкнутый отрезок линии, (N-1) последовательных отрезков линии и линию связи. Точки подключения источников распределены вдоль соединительной линии и отделены друг от друга последовательными отрезками линии, а совокупности последовательных и короткозамкнутого отрезков образуют для каждого из каналов источников короткозамкнутые четвертьволновые отрезки линии.
Недостатком этого частотно-разделительного устройства является технологическая сложность изготовления, большие габаритные размеры устройства, выполненного из полосно-пропускающих фильтров и соединительной линии, включающей короткозамкнутый отрезок линии, последовательных отрезков линии и линию связи.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является частотно-разделительное устройство для соединения нескольких источников или нагрузок, работающих на различных частотах, с общей нагрузкой или источником («Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях» Л.Г.Малорацкий, Л.Р.Явич, Москва, 1972 г., стр.153). Устройство выполнено на диэлектрической подложке по микрополосковой технологии в виде двух гибридных колец. Такое частотно-разделительное устройство относится к типу балансного восьмиполюсника и применяется для деления или суммирования мощности в широком диапазоне частот. Каждое гибридное кольцо имеет четыре согласованных, попарно развязанных входа-выхода, а также дополнительные радиоэлементы навесного монтажа для согласования с другим гибридным кольцом.
К недостаткам такого частотно-разделительного устройства можно отнести большие габариты и сложность настройки согласования гибридных колец между собой из-за наличия навесных радиоэлементов. При этом устройство на гибридных кольцах может использоваться только в одном из режимов - режиме деления или режиме суммирования высокочастотных сигналов.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей частотно-развязывающего устройства, уменьшение его габаритов, упрощение технологического процесса изготовления, улучшение взаимной развязки источников, минимизация потерь полезного сигнала и повышение стабильности параметров при климатическом воздействии.
Технический результат достигается тем, что частотно-развязывающее устройство для соединения нескольких источников или нагрузок, работающих на различных частотах, с общей нагрузкой или источником выполнено по микрополосковой технологии на печатной плате. При этом микрополосковая структура, включающая два разомкнутых кольца, размещена на печатной плате. Каждое разомкнутое кольцо содержит два плеча настройки и два согласованных входа-выхода, причем один из согласованных входов-выходов является общим для двух разомкнутых колец. Каждое плечо настройки заканчивается элементами настройки. Частотно-развязывающее устройство выполнено с возможностью одновременного использования в качестве частотного сумматора двух источников сигналов, работающих в различных частотных диапазонах, и общего источника, а также частотного делителя сигнала общего источника сигналов на два сигнала с различными диапазонами частот.
Сущность изобретения поясняется рисунками Фиг.1 - Фиг.3, где
Фиг.1 - печатная плата частотно-развязывающего устройства с микрополосковой структурой;
Фиг.2 - печатная плата частотно-развязывающего устройства с микрополосковой структурой, установленная в корпусе;
Фиг.3 - внешний вид корпуса частотно-развязывающего устройства с крышкой.
Частотно-развязывающее устройство выполнено на печатной плате 1 (Фиг.1) по микрополосковой технологии. Выполнение частотно-развязывающего устройства по микрополосковой технологии позволяет минимизировать его габариты, упростить технологию изготовления и настройку устройства. Микрополосковая структура выполнена в виде двух разомкнутых колец 2, 3, расположенных на одной стороне печатной платы 1, которые выполняют функцию выделения полезного сигнала определенного диапазона частот, обеспечивают минимальные потери выделенного сигнала, а также необходимую развязку между источниками сигналов.
Разомкнутое кольцо 2 имеет два согласованных входа-выхода 4, 5 и два плеча настройки 6, 7. Разомкнутое кольцо 3 имеет два согласованных входа-выхода 5, 8 и два плеча настройки 9, 10. При этом один из согласованных входов-выходов 5 является общим для двух разомкнутых колец 2, 3.
Согласованные входы-выходы 4, 5, 8 позволяют добиться максимального прохождения сигнала, потери мощности в данном устройстве составляют не более 1%.
Плечи настройки 6, 7 разомкнутого кольца 2 и плечи настройки 9, 10 разомкнутого кольца 3 позволяют выделять полезный сигнал определенного диапазона частот и фильтруют сигналы других диапазонов, то есть выполняют функции полосового фильтра. Каждое плечо настройки заканчивается элементами настройки 11 в виде квадратов, выполненных по микрополосковой технологии, количество которых определяется требуемой частотой, элементы настройки соединяются между собой посредством нанесения индиевой фольги. При этом плечи настройки могут иметь различную конфигурацию (могут быть вытянуты как по горизонтальной, так и по вертикальной оси), что позволяет минимизировать габариты печатной платы, на которой расположены разомкнутые кольца. Наличие элементов настройки 11, выполненных по микрополосковой технологии, исключает наличие радиоэлементов объемного монтажа, что также позволяет уменьшить габариты печатной платы. При этом настройка частотно-развязывающего устройства осуществляется путем подбора определенного количества регулировочных элементов 11 и соединения их между собой посредством нанесения индиевой фольги. Подбор определенного количества регулировочных элементов 11 и соединение их посредством индиевой фольги позволяет упростить и ускорить настройку устройства на определенную частоту.
Печатная плата 1 с микрополосковой структурой в виде двух разомкнутых колец установлена горизонтально внутри корпуса 12, на внешней поверхности которого установлены коаксиальные высокочастотные разъемы 13, 14, 15, (Фиг.2, 3), соединенные с входами-выходами 4, 5, 8 разомкнутых колец 2, 3 на печатной плате 1. В верхней торцевой части корпуса 12 установлена крышка 16, закрепленная посредством крепежных элементов 17 (Фиг.3).
Построение частотно-развязывающего устройства на двух разомкнутых кольцах, выполненных по микрополосковой технологии, позволяет исключить необходимость использования навесных радиоэлементов, а, следовательно, уменьшить его габариты, упростить технологию изготовления, повысить стабильность параметров при климатическом воздействии, улучшить взаимную развязку источников, минимизировать потери полезного сигнала.
Данное частотно-развязывающее устройство позволяет осуществлять работу в двух режимах: режиме частотного суммирования сигналов и режиме частотного деления сигналов.
В режиме частотного суммирования сигналов на коаксиальные высокочастотные разъемы 13 и 15 с различных источников сигналов (или каналов одного источника) поступают СВЧ сигналы (Фиг.2, 3), которые далее попадают на входы-выходы 4, 8 разомкнутых колец 2, 3 на печатной плате 1. Из сигналов, проходящих каждый через свое разомкнутое кольцо, настроенных на определенный диапазон частот, выделяется полезный сигнал необходимого диапазона частот. С общего для двух разомкнутых колец 2, 3 входа-выхода 5 (Фиг.1) через коаксиальный высокочастотный разъем 14 снимается частотно-суммированный сигнал с выделенными полезными сигналами.
В режиме частотного деления на коаксиальный высокочастотный разъем 14 (Фиг.2, 3) с общего источника сигнала подается СВЧ сигнал, который поступает далее на общий для разомкнутых колец 2, 3, вход-выход 5. Из сигнала, проходящего через разомкнутые кольца 2, 3, настроенные на определенный диапазон частот, выделяются полезные сигналы необходимого диапазона частот и подаются далее на входы-выходы 4, 8 разомкнутых колец 2, 3 (Фиг.1) и соединенные с ними коаксиальные высокочастотные разъемы 13, 15.
Использование данного устройства одновременно в качестве частотного сумматора двух источников сигналов, работающих в различных частотных диапазонах, и общего источника, а также частотного делителя сигнала общего источника сигналов на два сигнала с различными диапазонами частот, позволяет расширить функциональные возможности устройства, обеспечивает его универсальность.
Примером промышленного применения изобретения может служить частотно-развязывающее устройство СВЧ, работающее в дециметровом диапазоне частот в составе модуля приемо-передающего усилительного.
При проведении испытаний частотно-развязывающего устройства СВЧ были получены следующие результаты:
- потери полезного сигнала не более 0,2 дБ;
- неравномерность коэффициента передачи не более 0,05 дБ;
- КСВН не более 1,2;
- величина подавления сигнала соседнего канала (развязка между каналами) не менее 28 дБ.
При этом частотно-развязывающее устройство может работать как при повышенной рабочей температуре (+75°С), так и при пониженной рабочей температуре (-60°С).
Частотно-развязывающее устройство СВЧ, выполненное по микрополосковой технологии в виде двух разомкнутых колец, позволило получить минимальные размеры устройства, например, размеры печатной платы в данном случае составляют 17×35 мм, а также добиться высокой стабильности параметров при климатическом воздействии, проведенные испытания показали изменение параметров в пределах 1%, что является важнейшим фактором при разработке современной аппаратуры.
Построение частотно-развязывающего устройства на двух разомкнутых кольцах позволило улучшить взаимную развязку между каналами, минимизировать потери полезного сигнала и добиться высокой равномерности полезного сигнала в полосе частот.
Частотно-развязывающее устройство может быть использовано как в качестве частотного сумматора двух источников СВЧ сигналов, работающих в различных частотных диапазонах с общим источником, так и в качестве частотного делителя сигнала общего источника на два сигнала с различными диапазонами частот. Тем самым обеспечивается расширение функциональных возможностей частотно-развязывающего устройства, за счет универсальности его использования.