ЧАСТОТНО-РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
FREQUENCY-SEPARATING DEVICE

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к частотно-избирательным устройствам, и может применяться для объединения или разделения сигналов с различными несущими частотами.
Известен диплексер с фильтрами на встречных стержнях (см. Кобрин К.В., Рудаков В.А. и др. Разработка диплексера с фильтрами на встречных стержнях для систем мобильной связи // Материалы 28-й Международной Конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, 9-15 сентября 2018, с. 753-758), который реализован на основе двух фильтров на встречных стержнях прямоугольного сечения и коаксиального делителя мощности и состоит из верхней и нижней крышек с выемками, образующими корпус диплексера, и металлической вставки, на которой расположены гребневые структуры обоих фильтров и коаксиальный делитель мощности, при этом порты диплексера выполнены в виде стандартных коаксиальных разъемов с волновым сопротивлением 50 Ом, а конструкция устройства не содержит подстроечных элементов.
Недостатками данного устройства являются возбуждение входных стержней фильтров посредством коаксиального делителя мощности, увеличивающего габариты конструкции, и отсутствие подстроечных элементов, позволяющих минимизировать влияние погрешностей изготовления на частотную характеристику.
Близким аналогом заявляемого устройства является частотный разделитель (авторское свидетельство №720587 A1 (SU), опубл. 05.03.1980, бюл. №9), содержащий корпус с входным и выходными разъемами, внутри которого размещены возбуждающая линия, закороченная на одном конце, и связанные с ней стержневые фильтры, настроенные на разные частоты и разделенные экранами, причем резонаторы стержневых фильтров установлены параллельно возбуждающей линии, с целью улучшения частотной характеристики фильтры расположены в несколько слоев и центры их первых резонаторов лежат на окружности, концентричной возбуждающей линии, причем длина возбуждающей линии выбрана равной длине резонатора, настроенного на низкую частоту.
Недостатками данного технического решения являются сложность конструкции, а также увеличение вносимых потерь либо габаритов устройства при расположении стержневых фильтров в несколько слоев.
Наиболее близким аналогом, выделенным в качестве прототипа заявляемого устройства, является дуплексный фильтр (патент США №5151670 от 29.09.1992), который содержит корпус с входным и выходными разъемами, внутри которого размещены стержневые фильтры, настроенные на разные частоты и состоящие из резонаторов на основе отрезков связанных линий (стержней), короткозамкнутых на одном конце и разомкнутых на другом и расположенных параллельно друг другу, при этом фильтры связаны с общим стержнем, соединенным с входным разъемом, оконечные стержни фильтров соединены с выходными разъемами, а каждый из резонаторов имеет возможность подстройки с помощью фиксируемого регулировочного винта. Указанный прототип представляет собой двухканальное частотно-разделительное устройство. Корпус устройства выполнен на основе экструдированного алюминиевого профиля с прямоугольным поперечным сечением, размер широкой стенки которого определяется длиной стержней фильтра нижнего диапазона. Фильтр верхнего диапазона образован с помощью опорной пластины, закрепленной внутри корпуса и стержней, механически сопряженных с одной из узких стенок профиля и опорной пластиной. Стержни фильтров имеют цилиндрическую форму. Крепление стержней фильтров к узким стенкам корпуса и опорной пластине производится с помощью винтов. Для улучшения согласования входа и выходов устройства в общем и оконечных стержнях предусмотрены проволочные петли и фаски на торцевых поверхностях.
Недостатками прототипа являются снижение электрической прочности и увеличение вносимых потерь, что обусловлено применением согласующих проволочных петель и винтовых соединений в точках короткого замыкания стержней и крепления опорной пластины, увеличение габаритов конструкции из-за необходимости обеспечения равенства длин оконечных стержней и размещения фильтра верхнего диапазона внутри корпуса, размер которого определяется длиной стержней фильтра нижнего диапазона частот, а также проблематичность увеличения числа каналов в реализованном конструктиве. Кроме того, большое количество применяемых деталей, существенно усложняет конструкцию и процесс сборки устройства.
Целью изобретения является снижение вносимых потерь, повышение электрической прочности, упрощение конструкции, уменьшение габаритов, а также создание конструктива, обеспечивающего возможность увеличения числа каналов частотно-разделительного устройства.
Поставленная цель достигается за счет того, что частотно-разделительное устройство содержит корпус с входным и выходными разъемами, внутри которого размещены стержневые фильтры, настроенные на разные частоты и состоящие из резонаторов на основе отрезков связанных линий (стержней), короткозамкнутых на одном конце и разомкнутых на другом и расположенных параллельно друг другу, причем фильтры связаны с общим стержнем, соединенным с входным разъемом, оконечные стержни фильтров соединены с выходными разъемами, а каждый из резонаторов имеет возможность подстройки с помощью фиксируемого регулировочного винта. При этом корпус устройства выполнен совместно со стержнями фильтров в виде фрезерованной металлической пластины, закрытой с двух сторон металлическими крышками, а каждый из стержней имеет прямоугольное поперечное сечение.
Использование предлагаемого технического решения в части исполнения корпуса с прямоугольными стержнями в едином конструктиве позволяет реализовать как отдельный стержневой фильтр, так и многоканальное частотно-разделительное устройство, которые по сравнению с прототипом обеспечивают снижение вносимых потерь и повышение электрической прочности.
Сущность изобретения поясняется при помощи графического материала, где:
- на фиг.1 приведены разнесенный и главный виды конструкции отдельного стержневого фильтра;
- на фиг.2 приведена конструкция двухканального частотно-разделительного устройства: разнесенный вид, главный вид и сечение, поясняющее исполнение разъема;
- на фиг.3 приведена конструкция трехканального частотно-разделительного устройства: разнесенный вид, главный вид и сечение в месте установки регулировочного винта с фиксатором;
- на фиг.4 приведена конструкция четырехканального частотно-разделительного устройства;
- на фиг.5 представлены амплитудно-частотные характеристики отдельного стержневого фильтра, двухканального и трехканального частотно-разделительных устройств.
На фиг.1-4 введены следующие позиционные обозначения: 1 - корпус; 2 - входной разъем; 3 - выходной разъем; 4-7 - стержневой фильтр; 8-11-стержень; 12 - общий стержень; 13-16 - оконечный стержень; 17-21 -регулировочный винт; 22, 23 - фиксатор регулировочного винта; 24 - крышка; 25 - бурт; 26 - винт. Крышки 24 на главном виде конструкции фиг.1-3 не показаны.
Устройство представляет собой корпус (1), выполненный совместно с прямоугольными стержнями (8-16) в виде пластины с резьбовыми отверстиями под регулировочные винты (17-21), фиксаторы (22, 23) и разъемы (2, 3), образующей после соединения с крышками (24), конструкцию встречно-стержневых фильтров (4-7). При изготовлении пластины используется технология фрезерной обработки металла на станках с числовым программным управлением. Для уменьшения массы конструкции фрезерованная пластина, крышки (24) и регулировочные винты (17-21) изготавливаются на базе алюминиевых сплавов. По периметру корпуса (1) выполнен контактный бурт (25), обеспечивающий надежное электрическое соединение при механическом сопряжении пластины с крышками (24) посредством винтов (26). Законтривание регулировочных винтов (17) производится винтами-фиксаторами (22), регулировочных винтов (18-21) -фиксаторами в виде втулок с внешней резьбой (23). В крышке (24) предусмотрены сквозные отверстия под винты-фиксаторы (22). Разъемы устройства (2, 3) имеют коаксиальное исполнение в виде розеток, состоящих из корпуса, изолятора и контакта, как показано на фиг.2.
Следует отметить, что двухканальное частотно-разделительное устройство (фиг.2) по сравнению с прототипом имеет более компактную конструкцию. Кроме того, использование в составе устройства встречно-стержневых фильтров при соответствующем выборе количества стержней позволяет обеспечить различные варианты взаимного расположения входного и выходных разъемов для соединения с другими СВЧ-устройствами. Также возможна реализация частотно-разделительного устройства с числом каналов более четырех. При этом необходимо проработать вопрос размещения регулировочных винтов для подстройки фильтров, выполненных во внутренней части корпуса, в которых отсутствует доступ к узким стенкам, параллельным торцевым поверхностям стержней.
Устройство работает следующим образом.
Входной разъем (2) и выходные разъемы (3) подключаются к фидерному тракту аппаратуры, в составе которой применяется устройство. При наличии многочастотного сигнала в фидере, соединенном с входным разъемом (2) общий стержень (12) возбуждает в каналах устройства - стержневых фильтрах (8-11) электромагнитные колебания на резонансных частотах соответствующих стержней (8-11), которые передают электромагнитную энергию сигнала на соответствующих частотах через оконечные стержни (13-16) на выходные разъемы (3).
Отличие заявляемого устройства от наиболее близкого аналога, выделенного в качестве прототипа, заключается в том, что корпус (1) выполнен совместно со стержнями (8-11) фильтров (4-7) в виде фрезерованной металлической пластины, закрытой с двух сторон металлическими крышками (24), каждый из стержней (8-11) имеет прямоугольное поперечное сечение, а реализованный конструктив, обеспечивает возможность увеличения числа каналов.
Такое построение существенно упрощает конструкцию частотно-разделительного устройства и снижает трудоемкость его изготовления за счет унификации конструктивного исполнения резонаторов (8-11) и стержневых фильтров (4-7).
Конструктивный расчет стержневых фильтров частотно-разделительного устройства предполагает использование известных графиков зависимости геометрических размеров связанных стержней от величин погонных емкостей, определяемых на этапе синтеза. Синтез стержневых фильтров производился классическим методом (см. Леонченко В.П., Фельдштейн А.Л., Шепелянский Л.А. Расчет полосковых фильтров на встречных стержнях. Справочник. М, «Связь», 1975, с. 33-36) с помощью программы расчета независимых электрических параметров, отвечающих заданным требованиям. В процессе синтеза рассчитываются необходимое количество четвертьволновых резонаторов и основные размеры конструкции стержневого фильтра, определяющие его электрические параметры. Анализ и оптимизация частотно-разделительного устройства выполнены в пакете прикладных программ численного электродинамического моделирования с использованием метода конечных элементов в частотной области.
Предлагаемое изобретение внедрено в серийное производство. Типовые амплитудно-частотные характеристики серийных образцов стержневого фильтра, двухканального и трехканального частотно-разделительных устройств представлены, соответственно, на верхнем, среднем и нижнем графиках фиг.5. Потери, вносимые в полосе пропускания стержневого фильтра, не превышают 0,4 дБ, в полосе пропускания каждого из каналов двухканального и трехканального частотно-разделительных устройств - 0,5 дБ и 0,3 дБ, соответственно. Развязка между выходами двухканального частотно-разделительного устройства составляет не менее 62 дБ, между выходами трехканального варианта - не менее 35 дБ. Разработанные устройства обеспечивают необходимый коэффициент запаса электрической прочности при входной импульсной мощности до 10 кВт.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации предлагаемого изобретения, является снижение вносимых потерь, повышение электрической прочности, упрощение конструкции, уменьшение габаритов, а также конструктивное построение, обеспечивающее возможность увеличения числа каналов частотно-разделительного устройства.