БЕЗРАЗРЫВНЫЙ СУММАТОР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РАДИОЧАСТОТНЫМИ СИГНАЛАМИ И СИСТЕМА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ РАДИОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЙ СУММАТОР
SWITCHLESS COMBINER FOR ADDRESSING OF RADIOFREQUENCY SIGNALS AND SYSTEM FOR TRANSMISSION OF RADIOFREQUENCY SIGNALS COMPRISING SAID COMBINER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к сумматору для маршрутизации радиочастотных сигналов в целом и радиочастотных сигналов, передаваемых вещательной станцией, в частности.
Изобретение также относится к устройству для передачи радиочастотных сигналов, содержащему безразрывный сумматор (сумматор, не содержащий переключателя и действующий без разрыва цепей суммируемых сигналов - прим. перев.), для применения в радиовещании и в телевизионном вещании.
Уровень техники
На фиг. 1 представлена обобщенная схема известной системы 5 передачи, содержащей безразрывный сумматор 1 радиочастотных сигналов, в частности, сигналов телевизионного вещания, первый передатчик 2 и второй передатчик 3, передающих одну и ту же программу в целях обеспечения резервирования или повышения мощности передачи.
Первый и второй передатчики 2, 3 соединены с безразрывным сумматором 1, содержащим первый вход 6 и второй вход 7, первый выход 8 и второй выход 9. Первый и второй передатчики 2, 3 соединены, соответственно, с первым и вторым входами 6, 7 посредством линий передачи 12, 12'. Передающая антенна 15 соединена с первым выходом 8 безразрывного сумматора 1, а второй выход 9 соединен с так называемой пассивной нагрузкой 17, именуемой также поглощающей нагрузкой, что позволяет выборочно подводить к передающей антенне 15:
- мощность только от первого передатчика 2, при этом второй передатчик 3 подключен к пассивной нагрузке 17;
- мощность только от второго передатчика 3, при этом первый передатчик 2 подключен к пассивной нагрузке 17;
- суммарную мощность первого и второго передатчиков 2, 3, при этом к пассивной нагрузке 17 не подключено ничего;
- нулевую мощность, при этом суммарная мощность первого и второго передатчиков 2, 3 подводится к пассивной нагрузке 17.
Следует отметить, что элемент с числовым обозначением 15 и элемент с числовым обозначением 17 не обязательно должны быть, соответственно, передающей антенной и поглощающей нагрузкой. Они могут быть, например, двумя передающими антеннами, или двумя поглощающими нагрузками, или другими передатчиками и т.д.
Указанные выше варианты конструкции могут быть реализованы при двух действующих передатчиках 2, 3 таким образом, что, например, первый передатчик 2 может быть поставлен на техническое обслуживание без прерывания вещания, которое обеспечивается вторым передатчиком 3 (с половинной мощностью, если в обычных условиях передатчики работают совместно).
Безразрывные сумматоры известны в технике и в них использована система, подобная кулисе тромбона, в которой изменение фазы сигналов передатчиков в плечах безразрывного сумматора позволяет изменять результат сложения на выходе сумматора, иными словами, это делает возможным изменение процентного соотношения мощностей каждого из сигналов, получаемых от передатчиков.
Также известны системы, в которых для изменения фазы сигнала, передаваемого по волноводу, применяется диэлектрик. В частности, в патенте US 6882244 раскрыта система для переключения сигналов в волноводах, содержащая безразрывный сумматор. Диэлектрический материал расположен в полости волновода и фаза сигнала изменяется в зависимости от размеров введенной части диэлектрика. В частности, чем большая часть диэлектрика введена, тем больше изменяется фаза волны, представляющей электрический сигнал. Применение диэлектрического материала определяется также тем, что этот материал не излучает тепло при длительной работе.
При этом в патенте US 6882244 не предложено решений для изменения фазы сигнала в системе с металлическими проводниками, в частности, с коаксиальными проводниками. Более того, следует учитывать применяемый диэлектрический материал и диэлектрическую проницаемость.
В настоящее время существует несколько типовых решений для изменения задержки фазы на пути сигнала.
Простейший способ внесения задержки фазы на пути сигнала заключается в направлении сигнала по линии с постоянным импедансом, имеющей такую длину, что сигнал, распространяющийся со скоростью, равной обычной скорости для такой физической среды, задерживается при прохождении используемого проводящего элемента на время, равное желаемому времени задержки.
Другой способ заключается в направлении сигнала по линии с постоянным импедансом, электрическая длина которой изменяется путем изменения материала, а следовательно, и его диэлектрической проницаемости, использованного для изготовления самой линии, поскольку скорость распространения волны зависит от диэлектрической проницаемости материала, из которого изготовлен диэлектрик.
Для исключения искажений сигнала линия должна обладать известным постоянным импедансом, совместимым с окружающими элементами цепи.
Изменение задержки фазы обычно достигается двумя способами:
1) изменением физической длины линии, при котором также изменяется длина проводящего элемента, поскольку все остальные условия остаются неизменными, и если физическая длина проводящего элемента удваивается, то вносимая задержка также удваивается; или
2) изменением электрической длины самой линии.
Электрическая длина представляет собой длину передающей среды, выраженную количеством длин волны сигнала, распространяющегося в передающей среде. В более общем виде электрическая длина выражается величиной λ длины волны, которая связана со скоростью v распространения и частотой ƒ следующим выражением:
λ=v/ƒ.
В частности, электрическая длина указывает на то, насколько передающая среда смещает или задерживает сигнал на определенной частоте.
Раскрытие изобретения
Одна цель настоящего изобретения заключается в обеспечении безразрывного сумматора простой и экономичной конструкции, содержащего устройство для реализации задержки фазы электрических сигналов, передаваемых через него, и соответствующего способа.
Другая цель изобретения заключается в обеспечении безразрывного сумматора, содержащего устройство для реализации задержки фазы электрических сигналов, передаваемых через него, и соответствующего способа, при этом фаза сигналов и, соответственно, их мощность может изменяться без воздействия на по меньшей мере один передатчик указанных сигналов.
Эти и другие цели изобретения достигаются благодаря безразрывному сумматору, содержащему устройство для реализации задержки фазы электрических сигналов, передаваемых через него, и соответствующему способу, описанным в приложенной формуле изобретения, составляющей неотъемлемую часть настоящего описания.
Вкратце, настоящее изобретение позволяет изменять электрическую длину линии задержки, состоящей из линии передачи с постоянным импедансом, в составе безразрывного сумматора, путем изменения результирующей диэлектрической проницаемости самой линии передачи при сохранении постоянного импеданса. На практике электрическая длина линии передачи с постоянным импедансом зависит от длины самой линии передачи и от диэлектрической проницаемости εr материала, из которого изготовлена линия.
Поскольку длина линии передачи с постоянным импедансом постоянна и равна L, результирующую диэлектрическую проницаемость материала линии возможно изменять путем введения, по меньшей мере, части линии в диэлектрическую среду со второй диэлектрическую проницаемостью, большей диэлектрической проницаемости воздуха, в котором находится остальная часть линии.
Для обеспечения других значений диэлектрической проницаемости возможна, например, замена воздуха другими материалами с другой диэлектрической проницаемостью, что не влияет на принцип действия и входит в объем настоящего изобретения. Существенным является применение двух различных материалов с различной диэлектрической проницаемостью.
Изменение длины части проводящего элемента, находящегося в материале, характеризующемся второй диэлектрической проницаемостью, приводит к изменению электрической длины самого элемента. Для сохранения постоянного импеданса линии проводящий элемент расположен в полости устройства с размерами, управляемыми таким образом, чтобы импеданс сохранялся постоянным.
Следовательно, изменение электрической длины означает изменение задержки фазы сигнала, передаваемого по линии передачи.
Прочие признаки сформулированы в приложенной формуле изобретения, составляющей неотъемлемую часть настоящего описания.
Краткое описание чертежей
Указанные выше цели поясняются в последующем подробном описании безразрывного сумматора, содержащего устройство для реализации задержки фазы электрических сигналов, передаваемых через него, и соответствующего способа, со ссылкой на приложенные чертежи.
На фиг. 1 представлена схема системы передачи из уровня техники.
На фиг. 2 представлен продольный разрез устройства для изменения электрической длины линии передачи сигнала.
На фиг. 2А и фиг. 2B представлены поперечные разрезы по линиям, соответственно, 2А-2А' и 2B-2B' на фиг. 2.
На фиг. 3 представлены различные режимы работы безразрывного сумматора в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
На фиг. 2, 2А и 2B показано устройство 10 для реализации задержки фазы сигнала. Задержка фазы достигается путем изменения электрической длины линии 12, передачи с постоянным импедансом, в частности, линии передачи по существу постоянной толщины и ширины, выполненной с возможностью передачи электрического сигнала, такого как сигналы, подаваемые на безразрывный сумматор.
Устройство 10 содержит металлический корпус 14, например, выполненный из алюминия или стали, расположенный в по существу продольном направлении D.
Устройство 10 может содержать кожух 13, предназначенный для экранирования устройства 10 от среды, расположенной снаружи кожуха 13.
Металлический корпус 14 содержит наружную стенку 16, предпочтительно имеющую постоянное поперечное сечение, и внутреннюю стенку 22, 22', образующую полость 20.
Наружная стенка 16 и внутренняя стенка 22, 22' прерываются с образованием щели 24. Полость 20 и щель 24 расположены, по меньшей мере, на части длины устройства 10.
Полость 20 содержит первую часть 21 с первым поперечным сечением и вторую часть 23 со вторым поперечным сечением, превышающим первое поперечное сечение.
Вторая часть 23 полости 20 содержит диэлектрический элемент 27 с пазом 25, расположенным соответственно щели 24 металлического корпуса 14.
Диэлектрический элемент 27 занимает вторую часть 23 полости 20 и выполнен из диэлектрического материала, например, из тефлона (политетрафторэтилена), также называемого фторопластом, диэлектрическая проницаемость которого превышает диэлектрическую проницаемость воздуха.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения, к которому относится следующий пример, металлический корпус 14 представляет собой параллелепипед, а первое и второе сечения полости 20 имеют прямоугольную или квадратную форму.
В альтернативном варианте металлический корпус 14 имеет цилиндрическую форму, а первое и второе сечения полости 20 имеют круглую форму.
Устройство 10 также содержит перемещающее средство 11, выполненное в конструктивном единстве с металлическим корпусом 14, обеспечивающее перемещение металлического корпуса 14 в продольном направлении D.
Перемещающее средство 11 может приводиться в движение вручную или посредством червячно-шестеренного механизма с моторным приводом и редуктором, или шаговым двигателем (не показаны), или другим приводным механизмом, электрическим или пневматическим.
Перемещающее средство 11 может управляться извне металлического корпуса 14 с целью воздействия посредством соответствующего механического соединения на диэлектрический элемент 27 таким образом, чтобы перемещать диэлектрический элемент 27 совместно с металлическим корпусом 14 в продольном направлении D.
Дальнейшее описание иллюстрирует способ в соответствии с изобретением для изменения электрической длины линии 12 передачи с постоянным импедансом.
Как показано на фиг. 2А, предполагается, что сечение линии 12 передачи имеет толщину w и что ее первый край 26 расположен на первом расстоянии z от внутренней стенки 22 металлического корпуса 14, а второй край 28 расположен на втором расстоянии y от внутренней стенки 22 металлического корпуса 14. В этом случае ширина первого сечения d первой части 21 полости 20 составит:
d=z+w+y.
Если первое расстояние z равно второму расстоянию y, то импеданс вдоль линии 12 передачи остается постоянным.
Следует отметить, что импеданс остается постоянным при параллельном перемещении металлического корпуса 14 по отношению к линии 12 передачи.
Например, если предположить, что диэлектрическая среда представляет собой воздух, толщина w линии 12 передачи равна 1 мм, а ширина линии 12 передачи приблизительно равна 7,5 мм, то для обеспечения импеданса, равного 50 Ом, первое расстояние z и второе расстояние y должны составлять по 3 мм. Первая часть 21 полости 20 будет выполнять функцию воздушного зазора вокруг линии 12 передачи, расположенной в первой диэлектрической среде, в данном случае, в воздухе.
Подобные соображения относятся и ко второй части 23 полости 20.
Как показано на фиг. 2B, для сохранения постоянства импеданса проводящего элемента линии 12 передачи важно обеспечить, чтобы расстояние z' от внутренней стенки 22' металлического корпуса 14 до первого края 26 проводящего элемента линии 12 передачи было в действительности равным расстоянию y' до второго края 28 проводящего элемента линии 12 передачи. Например, если предположить, что диэлектрический материал представляет собой фторопласт с диэлектрической проницаемостью, равной 2,1, требуемый импеданс по прежнему равен 50 Ом, а размеры линии 12 передачи равны указанным ранее, то необходимо обеспечить, чтобы выполнялось условие
z'=y'=5,65 мм.
На основе простых и ясных правил геометрии можно заключить, что импеданс имеет постоянную величину по всей длине металлического корпуса 14. В целом, необходимо обеспечить центровку линии 12 передачи в полости 20 и расположение краев 26, 28 на одинаковом расстоянии от внутренней стенки 22, 22' металлического корпуса 14.
При сдвигании металлического корпуса 14 вдоль линии 12 передачи электрическая длина линии изменяется, что вызывает изменение задержки фазы сигнала, передаваемого по линии 12 передачи.
На фиг. 3 представлена иллюстрация эффекта, получаемого на линии 12 передачи посредством устройства 10 в соответствии с изобретением.
В первом рабочем положении 41 металлический корпус 14 расположен таким образом, что линия 12 передачи полностью окружена второй диэлектрической средой, в частности, фторопластом. Положение 41 иллюстрирует случай, когда фазовая задержка сигнала, передаваемого в линии 12 передачи, равна нулю.
Во втором рабочем положении 42 первая часть элемента линии 12 передачи окружена первой диэлектрической средой, а вторая часть элемента линии 12 передачи окружена второй диэлектрической средой.
В зависимости от требуемой задержки фазы, например, 90°, металлический корпус 14 просто сдвигается вдоль линии 12 передачи в нужное положение. Импеданс линии 12 передачи остается постоянным в силу геометрических характеристик устройства 10.
В третьем рабочем положении 43 металлический корпус 14 расположен таким образом, что линия 12 передачи полностью окружена первой диэлектрической средой, в частности, воздухом. В этом положении задержка фазы сигнала может составлять, например, 180°.
В примере, представленном на фиг. 3, предполагается, что первая диэлектрическая среда представляет собой воздух, а вторая диэлектрическая среда представляет собой фторопласт.
Очевидно, что по мере увеличения части линии 12 передачи, окруженной второй диэлектрической средой, фазовая задержка сигнала, передаваемого в линии 12 передачи, изменяется.
Из всего приведенного выше также очевидно, что реализация в безразрывном сумматоре линии задержки с применением устройства 10 и линии 12 передачи с постоянным импедансом может быть весьма перспективной.
Как показано на фиг. 2, для реализации линии, электрическая длина которой между точками 34, 36 цепи 32, например, на печатной плате, может изменяться, необходимо электрически соединить точки 34, 36 цепи 32 с помощью линии передачи с постоянным импедансом, содержащей часть линии 12 передачи, расположенную внутри устройства 10, и двух проводящих элементов 37, 38, соединяющих указанные точки 34, 36 с частью линии 12 передачи, расположенной внутри устройства 10.
В частности, если линия задержки входит в состав безразрывного сумматора, то устройство 10 в соответствии с изобретением позволяет изменять задержку фазы сигнала в безразрывном сумматоре без необходимости замены его линии для удовлетворения требования четвертьволновой длины. На практике для изменения электрической длины линии достаточно сместить устройство 10 вдоль линии 12 передачи, а изменение электрической длины означает изменение задержки фазы сигнала, распространяющегося по линии 12 передачи, как показано на фиг. 3.
Из приведенного выше описания ясны признаки настоящего изобретения и очевидны его преимущества.
Первое преимущество безразрывного сумматора с изменяемой задержкой фазы в соответствии с настоящим изобретением заключается в его экономичности и простоте изготовления.
Второе преимущество безразрывного сумматора и способа в соответствии с настоящим изобретением заключается в простоте их применения в новых или уже существующих схемах.
Еще одно преимущество безразрывного сумматора и способа в соответствии с настоящим изобретением заключается в возможности изменения электрической длины проводника без необходимости отключения безразрывного сумматора, содержащего указанное устройство, и/или без необходимости воздействия на, по меньшей мере, один передатчик сигнала.
Еще одно преимущество безразрывного сумматора и способа в соответствии с настоящим изобретением заключается в возможности изменения задержки фазы сигнала без необходимости изменения электрических соединений безразрывного сумматора, содержащего указанное устройство.
Безразрывный сумматор, содержащий устройство, выполненное с возможностью внесения задержки фазы проходящих через него электрических сигналов, и соответствующий способ, описанные здесь в виде примеров, могут подвергаться многочисленным модификациям без отклонения от сути изобретательского замысла. Также очевидно, что при практической реализации данного изобретения описанные подробности могут приобретать иной вид или могут заменяться другими технически эквивалентными элементами.
Например, первая часть 21 полости 20 может быть заполнена диэлектрическим материалом с вырезом, соответствующим щели 24, если такой диэлектрический материал имеет другую (например, меньшую) диэлектрическую проницаемость, чем вторая часть 23 полости 20.
Например, могут использоваться материалы, отличные от фторопласта, в частности, материалы на основе стекловолокна.
Например, настоящее изобретение может быть использовано для создания системы передатчиков сигналов, содержащей одну или большее количество цепей 32, содержащих один или большее количество соответствующих безразрывных сумматоров, выполненных с возможностью внесения задержки фазы в один или несколько сигналов.
Кроме того, безразрывный сумматор может содержать одно или большее количество описанных здесь устройств 10 при наличии одной или большего количества линий 12 передачи. Другими словами, устройство 10 может подключаться к линии 12 передачи, соединенной с первым передатчиком 2 и/или к линии 12' передачи, соединенной со вторым передатчиком 3. В последнем случае возможно изменять задержку фазы либо в одной из двух линий 12, 12' передачи, либо в обеих линиях 12, 12' передачи, для обеспечения возможности должного модулирования мощности сигналов на выходе безразрывного сумматора.
Поэтому должно быть совершенно ясно, что настоящее изобретение не ограничено безразрывным сумматором, содержащим устройство, выполненное с возможностью внесения задержки фазы в проходящие через него электрические сигналы, и соответствующим способом, а может подвергаться разнообразным модификациям, усовершенствованиям или заменам эквивалентных частей и элементов без отклонения от изобретательского замысла, явно указанного в следующей формуле изобретения.