RU2054760C1

RU2054760C1 - Frequency-division device

Info

Publication number: RU2054760C1
Application number: RU92002024A
Authority: RU
Inventors: М.Ф. Тюхтин; Д.И. Кузнецов
Original assignee: Казанский Авиационный Институт Им.А.Н.Туполева
Priority date: 1992-10-26
Filing date: 1992-10-26
Publication date: 1996-02-20

Abstract

FIELD: SHF equipment. SUBSTANCE: frequency-division device includes N channels connected in series. Each of them has bridge linked with output arms to useful loads through cells with different input impedances made from amplifier and band-pass filter connected in series. Cell amplifiers have input impedances unmatched in working frequency band. Amplifiers may have amplification factor growing from first channel to last one. EFFECT: improved operational stability and reliability. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике, а более конкретно к технике сверхвысоких частот (СВЧ), и может быть использовано в приемных системах спутникового телевидения (СТВ), радиосвязи и измерительной технике преимущественно для разделения между пользователями сигнала первой промежуточной частоты в приемных системах СТВ. The invention relates to radio engineering, and more particularly to microwave technology, and can be used in satellite television (STV) receiving systems, radio communications and measurement technology primarily for dividing the first intermediate frequency signal between the users in the STV receiving systems.

Известно частотно-разделительное устройство, содержащее каскадно соединенные направленные ответвители (в частности, с разной центральной частотой) с общей первичной линией передачи, подключенной одним концом к входному плечу, а другим к оконечной согласованной нагрузке, вторичная линия передачи каждого направленного ответвителя подключена одним концом к нагрузке, а другим к оконечной согласованной нагрузке. Подключенные генераторы и нагрузки согласованы по импедансу в рабочем диапазоне частот [1]
Известно устройство для сложения сигналов разных частот, содержащее выходное плечо и оконечную согласованную нагрузку, подключенные к одной из пар развязанных плеч мостового устройства (в частности, тандема из двух направленных ответвителей), к другой паре развязанных плеч которого подключены два входных плеча. К выходному плечу подключена, например, нагрузка, а к входным два генератора частоты с цепями внешнего возбуждения. Подключенные генераторы и нагрузки согласованы по импедансу в рабочем диапазоне частот [2]
Известно устройство для сложения сигналов смежных частотных каналов, содержащее выходное плечо и оконечную согласованную нагрузку, подключенные к одной из пар развязанных плеч мостового устройства (в частности, на основе соединения четырех направленных ответвителей с помощью линии передачи), к другой паре развязанных плеч которого подключены два входных плеча. Подключенные генераторы и нагрузки согласованы по импедансу в рабочем диапазоне частот [3]
Известно частотно-разделительное устройство, содержащее входное плечо и оконечную согласованную нагрузку, подключенные к одной из пар развязанных плеч мостового устройства, к другой паре развязанных плеч которого подключены нагрузочные элементы с одинаковым и согласованным в рабочей полосе частот входным импедансом (каждый из нагрузочных элементов состоит, в частности, из частотно-фильтрующего устройства, соединенного с нагрузкой). В качестве частотно-фильтрующего устройства и нагрузки соответственно могут быть, например, полосовой фильтр и вся совокупность последующих СВЧ-устройств или же антенное устройство и воздушная среда [4]
Известно частотно-разделительное устройство, содержащее N последовательно соединенных каналов, каждый из которых выполнен в виде моста, к выходным развязанным плечам которого подключены полезные согласованные нагрузки через цепочки, включающие усилительно-фильтрующие элементы из последовательно соединенных первого полосового фильтра, настроенного на рабочую частоту, усилителя и второго полосового фильтра, настроенного на рабочую частоту. При этом свободное входное плечо первого моста является входом устройства, а свободное выходное плечо последнего моста подключено к балластной (оконечной согласованной) нагрузке [5]
Недостатками указанного устройства являются: во-первых, разделение сигнала осуществляется на малое количество полезных нагрузок (сигнал, соответствующий рабочей полосе частот канала, полностью проходит через первый полосовой фильтр и не поступает на дальнейшие каналы, и поэтому не может быть разделен ими; в частности, на полезных нагрузках разных каналов невозможно получить сигналы с одинаковыми или накладывающимися полосами частот); во-вторых, отраженная от нагрузок мощность сигнала полезно не используется (гасится в оконечной согласованной нагрузке); в-третьих, невозможность отключения части нагрузок без нарушения рабочих режимов оставшихся элементов устройства (тогда как, например, в приемных системах СТВ необходимо обеспечить возможность включения и отключения нагрузок-пользователей без ущерба для других нагрузок-пользователей); в-четвертых, нагрузки необходимо согласовывать по импедансу в точке подключения (тогда как, например, в приемных системах СТВ необходимо обеспечить возможность включения нагрузок-пользователей с преимущественно несогласованными входными импедансами).A frequency separation device is known that comprises cascade-connected directional couplers (in particular, with different central frequencies) with a common primary transmission line connected at one end to the input arm and the other at the final matched load, the secondary transmission line of each directional coupler connected at one end to load, and others to the final matched load. Connected generators and loads are matched by impedance in the operating frequency range [1]
A device for combining signals of different frequencies is known, comprising an output arm and a terminal coordinated load connected to one of the pairs of decoupled arms of a bridge device (in particular, a tandem of two directional couplers), to which two input arms are connected to another pair of decoupled arms. For example, a load is connected to the output arm, and two frequency generators with external excitation circuits are connected to the input arm. Connected generators and loads are matched by impedance in the operating frequency range [2]
A device for adding signals of adjacent frequency channels is known, comprising an output arm and a terminated coordinated load connected to one of the pairs of decoupled shoulders of a bridge device (in particular, based on the connection of four directional couplers using a transmission line), two other decoupled shoulders of which are connected input shoulder. Connected generators and loads are matched by impedance in the operating frequency range [3]
A frequency separation device is known that contains an input arm and a terminal coordinated load connected to one of the pairs of decoupled shoulders of the bridge device, to the other pair of decoupled shoulders of which are connected load elements with the same input impedance matched in the working frequency band (each of the load elements consists of in particular, from a frequency filtering device connected to a load). As the frequency filtering device and the load, respectively, there can be, for example, a band-pass filter and the entire set of subsequent microwave devices or an antenna device and an air environment [4]
A frequency-separation device is known that contains N series-connected channels, each of which is made in the form of a bridge, to the output untied shoulders of which are connected matched useful loads through chains including amplifier-filtering elements from a series-connected first bandpass filter tuned to the operating frequency of the amplifier and a second bandpass filter tuned to the operating frequency. In this case, the free input arm of the first bridge is the input of the device, and the free output arm of the last bridge is connected to the ballast (terminal matched) load [5]
The disadvantages of this device are: firstly, the signal is divided into a small number of payloads (the signal corresponding to the working frequency band of the channel completely passes through the first bandpass filter and does not enter further channels, and therefore cannot be separated by them; in particular, on payloads of different channels it is impossible to receive signals with the same or overlapping frequency bands); secondly, the signal power reflected from the loads is not useful (it is extinguished in the final coordinated load); thirdly, the impossibility of disconnecting part of the loads without violating the operating modes of the remaining elements of the device (whereas, for example, in STV receiving systems it is necessary to ensure the ability to enable and disable user loads without affecting other user loads); fourthly, the loads must be coordinated by the impedance at the connection point (whereas, for example, in STV receiving systems it is necessary to ensure the possibility of including user loads with predominantly inconsistent input impedances).

Цель изобретения во-первых, увеличение количества полезных нагрузок; во-вторых, увеличение доли полезно используемой отраженной от нагрузок мощности сигнала; в-третьих, обеспечение возможности отключения части нагрузок без нарушения рабочих режимов оставшихся элементов устройства; в-четвертых, обеспечение работы с несогласованными нагрузками. The purpose of the invention is, firstly, to increase the number of payloads; secondly, an increase in the proportion of usable signal power reflected from the loads; thirdly, providing the ability to disconnect part of the loads without violating the operating modes of the remaining elements of the device; fourthly, ensuring work with inconsistent loads.

Это достигается за счет того, что в частотно-разделительном устройстве, содержащем 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, усилители в ячейках выполнены с несогласованным в рабочей полосе частот входным импедансом. Усилители ячеек могут быть выполнены с коэффициентом усиления, возрастающим от первого канала к последнему. This is achieved due to the fact that in the frequency separation device containing N series-connected channels, each of which includes a bridge connected by the output arms to the payloads through cells with equal input impedances from the series-connected amplifier and a bandpass filter, while the second input arm the bridge of the previous channel is connected to the first input shoulder of the bridge of the subsequent channel, the first input shoulder of the bridge of the first channel is the input of the device, and the second input shoulder of the bridge is the last channel is connected to the ballast load, amplifiers configured in cells in uncoordinated operating band frequency input impedance. The cell amplifiers can be made with a gain increasing from the first channel to the last.

На фиг. 1 изображена обобщенная схема предложенного устройства; на фиг. 2 схема варианта реализации предложенного устройства; на фиг. 3 зависимость величины коэффициента усиления (К) усилителей от модуля коэффициента отражения от входа усилителей (Г) и порядкового номера канала (N) для случая равенства выделяемой в каждой полезной нагрузке выходной мощности входного сигнала. In FIG. 1 shows a generalized diagram of the proposed device; in FIG. 2 diagram of an embodiment of the proposed device; in FIG. 3 the dependence of the magnitude of the gain (K) of the amplifiers on the module of the reflection coefficient from the input of the amplifiers (G) and the serial number of the channel (N) for the case of equality of the output power of the input signal allocated in each payload.

Частотно-разделительное устройство (см. фиг. 1 и 2) содержит N последовательно соединенных (и включенных между входом 1, например, с 50-омным импедансом, и балластной нагрузкой 2, например, с 50-омным импедансом) каналов 3 (например, два канала (N=2), каждый из которых включает мост 4 (например, микрополосковый квадратный мост с центральной частотой 1,35 ГГц с 50-омным импедансом плеч), подключенный выходными плечами (т.е. плечами, соединенными с ячейками 5) к полезным нагрузкам 5 (например, наземная (не антенная) часть приемной системы СТВ) через ячейки 5 с равными входными импедансами. Каждая ячейка 5 содержит последовательно соединенные полосовой фильтр 7 (например, микрополосковый полосовой фильтр с центральной частотой, которая для фильтров первого канала выше центральной частоты моста, например, на 60 МГц для одного (левого) фильтра канала и на 30 МГц для другого (правого) фильтра, а для фильтров второго канала ниже центральной частоты моста, например, на 30 МГц для одного (левого) фильтра канала и на 60 МГц для другого (правого) фильтра (см. фиг. 2) и усилитель 8 (например, широкополосный однокаскадный усилитель с центральной частотой 1,35 ГГц на основе включенного по схеме с общим истоком полевого транзистора). The frequency separation device (see FIGS. 1 and 2) contains N channels connected in series (and included between input 1, for example, with a 50-ohm impedance, and ballast load 2, for example, with a 50-ohm impedance) 3 (for example, two channels (N = 2), each of which includes bridge 4 (for example, a microstrip square bridge with a center frequency of 1.35 GHz with a 50-ohm shoulder impedance) connected by output arms (i.e., arms connected to cells 5) to payloads 5 (for example, the ground (non-antenna) part of the STV receiving system) through cells 5 with Each cell 5 contains a series-connected bandpass filter 7 (for example, a microstrip bandpass filter with a central frequency that is higher than the center frequency of the bridge filters for the first channel, for example, 60 MHz for one (left) channel filter and 30 MHz for another (right) filter, and for filters of the second channel below the center frequency of the bridge, for example, 30 MHz for one (left) channel filter and 60 MHz for the other (right) filter (see FIG. 2) and amplifier 8 (for example, a broadband single-stage amplifier with a center frequency of 1.35 GHz based on a field-effect transistor included in the circuit with a common source).

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 1, а второе входное плечо моста последнего канала соединено с балластной нагрузкой 2, причем введено выполнение усилителей 7 в ячейках 5 с несогласованным в рабочей полосе частот входным импедансом (например, модуль коэффициента отражения (от входа) для каждого усилителя Г 0,9). Усилители 7 ячеек 5 могут быть выполнены с коэффициентом усиления, возрастающим от первого канала к последнему (например, 3 дБ для обоих усилителей первого канала и 4 дБ для обоих усилителей второго канала). Закон изменения величины коэффициента усиления (К) усилителей может быть взят, например, из графика на фиг. 3, где дана зависимость величины коэффициента усиления (К) усилителей от модуля коэффициента отражения от входа усилителей (Г) и порядкового номера канала (N) для случая равенства выделяемой в каждой нагрузке выходной мощности входного сигнала. In this case, the second input shoulder of the bridge of the previous channel is connected to the first input shoulder of the bridge of the subsequent channel, the first input shoulder of the bridge of the first channel is the input of the device 1, and the second input shoulder of the bridge of the last channel is connected to the ballast load 2, and amplifiers 7 are introduced in cells 5 s input impedance inconsistent in the working frequency band (for example, the reflection coefficient module (from the input) for each amplifier G 0.9). Amplifiers 7 cells 5 can be performed with a gain increasing from the first channel to the last (for example, 3 dB for both amplifiers of the first channel and 4 dB for both amplifiers of the second channel). The law of variation of the amplification coefficient (K) of the amplifiers can be taken, for example, from the graph in FIG. 3, where the dependence of the magnitude of the gain (K) of the amplifiers on the module of the reflection coefficient on the input of the amplifiers (G) and the serial number of the channel (N) is given for the case of equality of the output power of the input signal allocated in each load.

При работе предложенного устройства поступившая во входное плечо 1 (см. фиг. 1 и 2) мощность СВЧ-сигнала (например, с центральной частотой 1,35 ГГц) мостом 4 первого канала делится пополам и подается на его ячейки 5 с одинаковым входным импедансом, где усиливается усилителем 8, частотно преобразуется полосовым фильтром 7 и подается на нагрузку 6. Отраженные (из-за несогласованности входных импедансов усилителей 8) сигналы равны по мощности (из-за равенства этих импедансов) и, следовательно, они складываются мостом 4 и подаются в последующий канал, работающий аналогично. Остаток мощности сигнала, выходящий из последнего канала, гасится балластной нагрузкой 2. Выделение в первых каналах более высокочастотных, чем в последних каналах, составляющих входного сигнала уравнивает потери из-за погонного (относительно длины волны) затухания в трактах предложенного устройства. Коммутация (включение/отключение) полезных нагрузок 6 производится в месте соединения нагрузок 6 с фильтрами 7 или в месте соединения фильтров 7 с усилителями 8. When the proposed device is operating, the microwave signal power (for example, with a center frequency of 1.35 GHz) received in the input arm 1 (see Figs. 1 and 2) is divided in half by the bridge 4 of the first channel and fed to its cells 5 with the same input impedance, where it is amplified by amplifier 8, it is frequency-converted by a band-pass filter 7 and applied to load 6. The reflected signals (due to inconsistency of the input impedances of amplifiers 8) are equal in power (due to the equality of these impedances) and, therefore, they are added by bridge 4 and fed into subsequent channel, ra working similarly. The remainder of the signal power emerging from the last channel is damped by the ballast load 2. The allocation in the first channels of higher frequency than in the last channels of the input signal equalizes losses due to linear (relative to the wavelength) attenuation in the paths of the proposed device. Switching (on / off) of the payload 6 is made at the junction of the loads 6 with filters 7 or at the junction of the filters 7 with amplifiers 8.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве увеличено количество полезных нагрузок, так как благодаря несогласованности входного импеданса усилителей каналов сигнал не полностью проходит через первый канал, а, частично отражаясь, поступает и на дальнейшие каналы, где также разделяется ими. При этом в предложенном устройстве на полезные нагрузки разных каналов могут подаваться не только сигналы с разными полосами частот, но сигналы и с одинаковыми или накладывающимися полосами. Из графика на фиг. 3 следует, что с увеличением несогласованности в рабочей полосе частот входного импеданса усилителей снижается требуемый коэффициент усиления усилителей каналов, что, следовательно, увеличивает количество реализуемых каналов и полезных нагрузок. Например, при условии, что коэффициент усиления однокаскадного транзисторного усилителя не превышает 10 дБ и что модуль коэффициента отражения от входа усилителя Г 0,9, количество реализуемых каналов равно семи, а количество полезных нагрузок равно четырнадцати. Но так как в предложенном устройстве не требуется согласование импеданса на входе усилителя и к входным параметрам усилителя предъявляются требования лишь по стабильности коэффициента отражения от входа, что обеспечено обычным СВЧ-транзистором АП326А-2 без входных согласующих и входных частотно-корректирующих цепей, так как при изменении частоты от 2 до 4 ГГц модуль коэффициента отражения от входа транзистора изменяется лишь на 2% (от 0,96 до 0,94), то при выполнении усилителя узкополосным с увеличением его коэффициента усиления в пределах полосы пропускания фильтра, количество реализуемых каналов в итоге равно десяти, а полезных нагрузок двадцати. Compared with the prototype in the proposed device, the number of payloads is increased, since due to the inconsistency of the input impedance of the channel amplifiers, the signal does not completely pass through the first channel, but, partially reflected, also goes to further channels, where it is also divided by them. Moreover, in the proposed device, the payloads of different channels can be fed not only signals with different frequency bands, but signals with the same or overlapping bands. From the graph in FIG. 3, it follows that with an increase in inconsistency in the working frequency band of the input impedance of the amplifiers, the required amplification factor of the channel amplifiers decreases, which therefore increases the number of realized channels and payloads. For example, provided that the gain of a single-stage transistor amplifier does not exceed 10 dB and that the modulus of the reflection coefficient from the input of the amplifier is 0.9, the number of channels sold is seven and the number of payloads is fourteen. But since the proposed device does not require matching of the impedance at the input of the amplifier, and the input parameters of the amplifier are required only for the stability of the reflection coefficient from the input, which is provided by the usual AP326A-2 microwave transistor without input matching and input frequency-correcting circuits, since when the frequency changes from 2 to 4 GHz, the reflection coefficient module from the transistor input changes only by 2% (from 0.96 to 0.94), then when the amplifier is performed narrow-band with an increase in its gain within the field sy filter bandwidth, number of channels implemented in the end is ten, twenty and payloads.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве увеличена доля полезно используемой отраженной от нагрузок мощности сигнала, так как отраженная в одном канале мощность поступает в последующий канал и лишь остаток мощности сигнала, выходящий из последнего канала, гасится балластной нагрузкой. В качестве балластной нагрузки может быть использован не только резистивный элемент, но и любое согласованное по импедансу устройство, например контрольный блок приемной системы СТВ. Compared with the prototype in the proposed device, the proportion of useful signal power reflected from the loads is increased, since the power reflected in one channel enters the subsequent channel and only the remainder of the signal power exiting the last channel is absorbed by the ballast load. As a ballast load, not only a resistive element can be used, but also any device impedance-coordinated, for example, a control unit of an STV receiving system.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве обеспечена возможность отключения части нагрузок без нарушения рабочих режимов оставшихся элементов устройства, так как коэффициент отражения от входа, например, транзисторного усилителя в предложенном устройстве достаточно стабилен при изменении или отключении его выходной нагрузки. Compared with the prototype in the proposed device, it is possible to disconnect part of the loads without disturbing the operating modes of the remaining elements of the device, since the reflection coefficient from the input, for example, a transistor amplifier in the proposed device is quite stable when changing or disconnecting its output load.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве обеспечена работа с несогласованными нагрузками, так как изменением входного импеданса усилителя (выполняющего функции буферного каскада) при изменении выходной нагрузки усилителя для практических случаев можно пренебречь. При возникновении случайных паразитных колебаний в несогласованной нагрузке (например, при коммутации (включении/отключении) полезных нагрузок) указанные колебания не проникают во входное плечо и другие нагрузки предложенного устройства, так как усилитель выполняет функцию аттенюатора при обратном (с выхода на вход усилителя) прохождения сигнала. Compared with the prototype, the proposed device provides work with inconsistent loads, since a change in the input impedance of the amplifier (acting as a buffer stage) when changing the output load of the amplifier for practical cases can be neglected. In the event of accidental spurious oscillations in an inconsistent load (for example, when switching (switching on / off) payloads), these oscillations do not penetrate the input arm and other loads of the proposed device, since the amplifier performs the function of an attenuator during the reverse (from the output to the amplifier input) passage signal.

Кроме того, в предложенном устройстве усилитель компенсирует уменьшение мощности при делении и, например, отдаваемая в каждую из четырех нагрузок предложенного устройства (см. фиг. 2) выходная мощность равна мощности входного сигнала, что, например, позволило снизить коэффициент усиления последующих каскадов приемных систем СТВ. При максимальном коэффициенте усиления усилителей предложенного устройства дополнительно снижается требуемый коэффициент усиления последующих каскадов приемных систем СТВ. In addition, in the proposed device, the amplifier compensates for the decrease in power during division and, for example, the output power given to each of the four loads of the proposed device (see Fig. 2) is equal to the input signal power, which, for example, allowed to reduce the gain of subsequent stages of the receiving systems STV At the maximum gain of the amplifiers of the proposed device, the required gain of the subsequent stages of the receiving STV systems is further reduced.

Частотная селективность предложенного устройства повышается, например, при, во-первых, реализации моста узкополосным и с центральной частотой, равной усредненной центральной частоте обоих фильтров канала и, во-вторых, при реализации усилителя узкополосным и с центральной частотой, равной центральной частоте соединенного с ним фильтра. The frequency selectivity of the proposed device increases, for example, when, firstly, the implementation of the bridge is narrow-band and with a central frequency equal to the average center frequency of both channel filters and, secondly, when the amplifier is implemented narrow-band and with a central frequency equal to the center frequency connected to it filter.

В предложенном устройстве не надо специально согласовывать входной импеданс усилителей (что является трудоемкой операцией), что, например, упрощает реализацию как предложенного устройства, так и наземной (не антенной) части приемной системы СТВ в целом. In the proposed device, it is not necessary to specifically coordinate the input impedance of the amplifiers (which is a time-consuming operation), which, for example, simplifies the implementation of both the proposed device and the ground (non-antenna) part of the STV receiving system as a whole.

Claims

1. A FREQUENCY-SEPARATING DEVICE containing N series-connected channels, each of which includes a bridge connected by output arms to payloads through cells with equal input impedances from a series-connected amplifier and band-pass filter, while the second input bridge arm of the previous channel is connected to the first the input arm of the bridge of the subsequent channel, the first input arm of the bridge of the first channel is the input of the device, and the second input arm of the bridge of the last channel is connected to the ballast Booting, characterized in that the amplifiers in the cells are made with non-coordinated in-band frequency input impedance.

2. The device according to claim 1, characterized in that the cell amplifiers are made with a gain increasing from the first channel to the last.