МАЛОГАБАРИТНЫЙ НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ
SMALL-SIZE DIRECTIONAL COUPLER

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиопередающих системах KB диапазона.
Известен направленный ответвитель НО с повышенной направленностью [1]. Полезная модель содержит первую и связанную с ней электромагнитной связью вторую полосковую линию, нагрузочный резистор, резистивную цепь, трансформирующий отрезок полосковой линии, контактную площадку, заземленную через металлизированное отверстие. В данный прототип введены первый и второй фазирующий отрезки, подключенные к обоим портам второй полосковой линии и резистивная цепь, через которую фазирующие отрезки соединены между собой. К точке соединения резистивной цепи и второго фазирующего отрезка подключен трансформирующий отрезок полосковой линии, нагрузочный резистор включен между точкой соединения первого фазирующего отрезка с резистивной цепью и контактной площадкой, заземленной через металлизированное отверстие. Длина области связи полосковых линий составляет λ/10, а длины первого фазирующего отрезка и второго фазирующего отрезка составляют соответственно λ/10 и А/12, где λ - длина волны, соответствующая средней частоте диапазона рабочих частот, в среде, в которой происходит распространение.
Известен противонаправленный ответвитель диапазона до 20 ГГц [2]. Данный ответвитель реализован на плавных нерегулярных связанных полосковых линиях, расположенных на противоположных сторонах подложки и смещенных в разные стороны относительно продольной оси структуры. На концах области связи полосковые линии имеют повороты на 90°, которые представляют собой неоднородности. Повороты выполнены с внешними скосами.
Для улучшения согласования дополнительно введены согласующие проводящие элементы в виде клинообразных пятиугольников, лежащих в плоскостях соответствующих линий передач в области сильной связи и замкнутые посредством перемычек на корпус. Длина области с двумя расходящимися полосковыми линиями - не менее λ/8 на верхней частоте диапазона.
С целью расширения рабочего диапазона и улучшения частотных характеристик НО согласующие клинообразные пятиугольные элементы в топологии платы выполнены из резистивного материала с удельным поверхностным сопротивлением 33-75 Ом, что позволяет значительно расширить диапазон рабочих частот, сохранить хорошее согласование входных и выходных портов, равномерность коэффициентов ослабления в первичной линии и переходного ослабления, подавление на высоких частотах волн высших типов.
Известен также НО, используемый для беспроводного оборудования, описанный в патентном документе [3]. Указанное техническое решение включает в себя два фильтра нижних частот и фильтр верхних частот. Фильтры нижних частот содержат конденсаторы и катушки, подключенные между внешними электродами клеммами и первичной линией. Фильтр верхних частот, содержащий конденсатор, подключен параллельно к первичной линии и катушкам между внешними электродами клеммами. Частотные фильтры используются для коррекции амплитудно-частотной характеристики НО в заданных частотных диапазонах. НО реализован в виде печатных проводников, нанесенных на внутренние слои многослойной платы.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является четвертьволновый микрополосковый НО улучшенной направленности [4]. Прототип содержит диэлектрическую подложку, имеющую проводящее покрытие на одной стороне и основной токонесущий проводник на другой стороне, образующий первичную линию и равный одной четверти длины волны, и U-образный проводник с двумя портами, основание которого равно четверти длины волны; дискретно регулируемый конденсатор, подключенный между U-образным проводником и основным токонесущим проводником. Возможна реализация НО с двумя вторичными линиями. Изобретение легко регулируется, охватывает широкий диапазон частот, имеет большую пропускную способность и простую конструкцию.
Все вышеперечисленные технические решения имеют общий недостаток, заключающийся в их реализации в виде печатных проводников на диэлектрической подложке, вследствие чего имеют малую проходящую мощность.
Задача изобретения состоит в разработке НО KB диапазона со слабой связью и высоким уровнем проходящей мощности.
Поставленная задача достигается тем, что в направленном ответвителе, содержащем корпус, а также первичную и вторичную линии, состоящие из проводников и образующие область электромагнитной связи, согласно изобретению дополнительно введен металлический экран, закрепляемый винтами на коротких боковых сторонах корпуса, двухсторонняя печатная плата с реализованной на ней схемой амплитудно-частотного корректора, закрепленная винтами параллельно верхней и нижней крышкам корпуса, а также диэлектрические вставки, проводники первичной и вторичной линии выполнены с одной стороны двухсторонней печатной платы в виде отрезков круглой металлической проволоки, диаметр проводника первичной линии в 4-5 раз больше диаметра проводника вторичной линии, причем первичная линия выполнена соединенной непосредственно с центральными жилами соединителей, расположенных на коротких боковых стенках корпуса методом пайки, а проводники вторичной линии через сквозные отверстия в двухсторонней печатной плате выполнены выведенными на ее обратную сторону и с помощью пайки соединенными с токонесущими проводниками печатной платы, при этом одно плечо каждого проводника вторичной линии выполнено соединенным через нагрузку 50 Ом с экранным проводником на печатной плате и корпусом, а другое - с входом схемы амплитудно-частотного корректора. В направленном ответвителе металлический экран выполнен фрезерованным П-образной формы или гнутым И-образной формы, под экраном расположены одна или несколько диэлектрических вставок. В направленном ответвителе область электромагнитной связи, реализованная на элементах с распределенными параметрами, имеет длину равную λ/15.
Достигаемым техническим результатом является возможность использования в системах с большей проходящей мощностью. Экспериментально проведена проверка работоспособности конструкции при уровне проходящей мощности 5 кВт.
На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемого направленного ответвителя, содержащая первичную линию 1, вторичную линию 2, металлический экран 3, диэлектрические вставки 4, металлический корпус 5, крышки 6, схема амплитудно-частотного корректора, реализованная на двухслойной печатной плате 7. На фиг. 2 представлена структурная схема направленного ответвителя. На фиг. 3 - схема амплитудно-частотного корректора, представленного в виде Т-образного перекрытого четырехполюсника. На фиг. 4 - использованная в предлагаемом техническом решении электрическая схема амплитудно-частотного корректора.
Длина области электромагнитной связи конструкции на основе элементов с распределенными параметрами определяется диапазоном рабочих частот НО, в котором его амплитудно-частотная характеристика АЧХ должна иметь минимальную неравномерность. В классическом случае длина области связи должна быть равна λ/4, в настоящей конструкции используется укороченная область электромагнитной связи, длина которой составляет λ/15.
Для увеличения развязки между выходами первичной 1 и вторичной линии 2 область электромагнитной связи закрывается экраном 3, также в область связи между проводниками первичной и вторичной линии вводятся диэлектрические вставки 4, как показано на фиг. 1. Размеры, форма и свойства материала диэлектрической вставки оказывают влияние на уровень развязки между выходами первичной и вторичной линии и, как следствие, на величину направленности ответвителя. В качестве материала диэлектрических вставок 4 может использоваться фторопласт. С точки зрения защиты конструкции НО от механических внешних воздействующих факторов диэлектрическая вставка дополнительно фиксирует проводники, образующие область электромагнитной связи. В конструкции может быть использована одна или несколько вставок. Место расположения и количество вставок определяется экспериментально на этапе настройки.
Первичная линия 1 выполняется большего в 4-5 раз диаметра, чем вторичная 2. Длины, материалы линий одинаковые.
Конструкция НО реализована в металлическом корпусе 5, имеющем габариты 130×80×60 мм и закрывающемся сверху и снизу металлическими крышками 6, каждая из которых фиксируется к корпусу 5 в четырех местах винтами.
Вход и выходы НО согласованы на волновое сопротивление 50 Ом. Подключение к корпусу 5 НО осуществляется при помощи радиочастотных коаксиальных соединителей. Материал деталей корпуса 5 и крышек 6 - сплав алюминия Д16. Покрытие деталей корпуса 5 и крышек 6 - Хим. Окс. э.
Для обеспечения минимальной неравномерности АЧХ НО использована цепь амплитудно-частотной коррекции. Схема коррекции реализована на двухслойной печатной плате 7.
Один из возможных вариантов крепления платы 7 к корпусу 5 - четырьмя стойками, на которых затем винтами фиксируется одна из крышек 6, вторая крышка 6 фиксируется также винтами в четырех местах непосредственно к корпусу 5. Экран 3, закрывающий область связи, образованную проводниками первичной 1 и вторичной 2 линии, крепится к плате 7 в шести местах винтами, по три точки крепления с каждой длинной стороны экрана 3. Экран 3 полностью закрывает первичную 1 и вторичную 2 линии и фиксируется на коротких сторонах корпуса 5 в местах крепления соединителей восемью винтами.
Соединители первичной 1 и вторичной 2 линии крепятся к корпусу четырьмя винтами каждый.
Первичная линия 1 соединена непосредственно с центральными жилами соединителей, расположенных на коротких стенках корпуса 5 методом пайки.
Проводники вторичной линии 2 через сквозные отверстия в плате 7 выводятся на обратную сторону, где отрезками проволоки, закрепленными методом пайки, соединяются с токонесущими проводниками печатной платы 7. При этом одно плечо каждого проводника вторичной линии 2 соединяется через нагрузку 50 Ом с экранным проводником на печатной плате 7 и корпусом 5, другое - с входом схемы амплитудно-частотного корректора, как показано на структурной схеме, представленной на фиг. 2.
НО работает следующим образом.
При возбуждении одного из плеч первичной линии 1 большая часть мощности передается в другое плечо этой линии, а оставшаяся часть - в одно из плеч вторичной линии 2. При этом во второе плечо вторичной линии, соединенное через нагрузку 50 Ом с корпусом 5, мощность не передается, и оно оказывается развязанным относительно возбуждаемого плеча первичной линии 1. Таким образом, при подаче сигнала на вход первичной линии 1 НО входная мощность распределяется в выходных плечах вторичной линии 2 с переходным затуханием - 60 дБ, при этом плечи вторичной линии 2, соединенные с корпусом 5, остаются развязанными относительно возбуждаемого плеча первичной линии 1. Уровень переходного затухания можно варьировать, изменяя взаимное расположение проводников первичной 1 и вторичной 2 линии, а также применяя диэлектрические вставки 4, выполненные из материала с диэлектрической проницаемостью, отличной от проницаемости исходного материала. Затем ответвленный сигнал, возбуждаемый во вторичной линии 2, попадает на вход схемы амплитудно-частотного корректора.
Принцип работы амплитудно-частотного корректора заключается в том, что при уменьшении затухания тракта передачи с ростом частоты цепь коррекции, имеющая затухание рассчитывается таким образом, чтобы их сумма в диапазоне спектра сигнала практически оставалась постоянной величиной.
Амплитудно-частотный корректор представляет собой схему Т-образного перекрытого четырехполюсника фиг. 3, у которого два плеча Z1 и Z2 - двухполюсники с реактивными элементами, а два остальных плеча R -резистивные. Для минимизации неравномерности АЧХ НО была использована схема амплитудно-частотного корректора, представленная на фиг. 4, в которой двухполюсник Z1 представляет собой параллельный контур, состоящий из индуктивности L2 И резистора R3, а двухполюсник Z2 - последовательный контур, состоящий из индуктивности L3 и резистора R4. Вход схемы амплитудно-частотного корректора обозначен цифрами "1" и "2", выход -цифрами "3" и "4" на фиг. 4. Емкость входных конденсаторов С1-С3 выбирается из соображений минимизации неравномерности АЧХ на частоте 1,5 МГц. Номинал резистора R6 выбирается таким образом, чтобы минимизировать уровень КСВН выхода амплитудно-частотного корректора.
Источники информации
1. Патент РФ 145537, Н01Р 5/18, 08.04.2014 г.
2. Андронов Е.В. Сверхширокополосный направленный ответвитель с резистивными согласующими элементами [текст] / Е.В. Андронов., Г.Г. Гошин, О.Ю. Морозов, А.В. Семенов, А.В. Фатеев. // Сб. трудов 20 международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» - 2010.-е. 639-640.
3. Патент Японии JP-8-237012, Н01Р 5/18, 28.11.2014 г.
4. Патент США US 4216446 А, H01P 5/18, 05.08.1980 г.