RU2060571C1

RU2060571C1 - Frequency separator built around coaxial dielectric cavities

Info

Publication number: RU2060571C1
Authority: RU
Inventors: Виктор Григорьевич Цыкалов; Юрий Максимович Безбородов; Сергей Иванович Каленичий
Original assignee: Виктор Григорьевич Цыкалов; Юрий Максимович Безбородов; Сергей Иванович Каленичий
Priority date: 1991-12-23
Filing date: 1991-12-23
Publication date: 1996-05-20

Abstract

FIELD: microwave radio engineering; radio transceiving systems. SUBSTANCE: frequency separator built around coaxial dielectric cavities has case with one input and two output coaxial connectors. Mounted inside are two band filters built around coaxial dielectric cavities, coupling capacitors, and matching-coupling device in the form of two differentially connected and magnetically coupled inductance coils. Common point of inductance coils is connected to central terminal of input connector and opposing leads of coils, to coupling capacitors. Number of inductance coil turns depends on value of coupling capacitors. EFFECT: improved design. 6 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ-диапазона и может быть использовано в приемных, передающих и приемопередающих радиотехнических системах дециметрового и сантиметрового диапазонов волн. The invention relates to microwave technology in the microwave range and can be used in receiving, transmitting and transmitting radio systems of decimeter and centimeter wave ranges.

Применяемые в технике частотные разделители (дуплексеры, диплексеры и мультиплексеры) обеспечивают разделение (выделение) из одного или объединение (соединение) в один канал сигналов, различающихся по частоте. Они могут быть реализованы на фильтрах, выполненных из различных типов резонаторов: волноводных, коаксиальных, полосковых и микрополосковых, а также на диэлектрических. Волноводные разделители отличаются малыми потерями и большой мощностью разделяемых сигналов, но имеют большие габаритные размеры, массу и металлоемкость. Несколько меньшие размеры у разделителей на коаксиальных резонаторах, Самые миниатюрные частотные разделители реализуются на микрополосковых резонаторах. Однако виду низкой собственной добротности таких резонаторов (не более 250.280), разделители вносят большие потери мощности фильтруемых сигналов. Frequency dividers used in the technique (duplexers, diplexers and multiplexers) provide separation (isolation) from one or combination (connection) of signals of different frequencies in one channel. They can be implemented on filters made of various types of resonators: waveguide, coaxial, strip and microstrip, as well as dielectric. Waveguide dividers are characterized by low losses and high power of shared signals, but have large overall dimensions, weight and metal consumption. Separators on coaxial resonators are slightly smaller. The smallest frequency separators are implemented on microstrip resonators. However, due to the low intrinsic Q factor of such resonators (not more than 250.280), the separators introduce large losses of power of the filtered signals.

Поэтому по совокупности таких параметров, как вносимые потери, габаритные размеры, масса, металлоемкость, а также температурная стабильность характеристик, наиболее перспективными являются разделители на диэлектрических резонаторах, например, известный 96-канальный частотный разделитель на ДР выполнен в виде коаксиального устройства, центральный проводник которого возбуждает ДР, настроенные на различные частоты и размещенные в отдельных секториальных камерах. Это устройство имеет хорошие характеристики и массогабаритные параметры. Для развязки канальных фильтров применены секториальные перегородки экраны. Это усложняет устройство, а также затрудняет его настройку. Therefore, in terms of a combination of parameters such as insertion loss, overall dimensions, mass, metal consumption, as well as temperature stability of the characteristics, the most promising are isolators on dielectric resonators, for example, the well-known 96-channel frequency isolator on the DR is made in the form of a coaxial device, the central conductor of which excites DR tuned to different frequencies and placed in separate sectorial cameras. This device has good characteristics and weight and size parameters. To decouple the channel filters applied sectorial partitions screens. This complicates the device and also makes it difficult to configure.

Известны различные конструкции частотных-разделителей (ЧР), выполненных на ДР. Простейший ЧР дуплексер, имеет коаксиальный входной разъем, центральный контакт которого соединен со штырем, возбуждающим первые (входные) резонаторы канальных фильтров, выходы которых связаны штыревыми возбудителями с выходными коаксиальными разъемами [1] Такой ЧР отличается простотой конструкции, но настройка его чрезвычайно затруднена из-за влияния канальных фильтров друг на друга. Кроме того, это ухудшает развязку между канальными фильтрами. Для устранения этих недостатков применяют различные способы улучшения согласования и развязки. Между входным разъемом и фильтрами известного ЧР введен трехплечий циркулятор. Это, во-первых, усложняет конструкцию, а во-вторых, существенно повышает стоимость изделия. Известны и другие способы улучшения согласования и развязки: введение дополнительных элементов, резонаторов, компенсирующих реактивности канальных фильтров. Во всех этих случаях усложняется конструкция, повышается стоимость устройства. Поэтому техническая задача обычно заключается в обеспечении хорошего согласования и развязки между канальными фильтрами при простоте конструкции, дешевизны и технологичности изготовления устройства. There are various designs of frequency separators (PD) made on the DR. The simplest PD duplexer has a coaxial input connector, the central contact of which is connected to a pin that excites the first (input) resonators of the channel filters, the outputs of which are connected by pin drivers with output coaxial connectors [1] This PD is simple in design, but its configuration is extremely difficult due to for the influence of channel filters on each other. In addition, this degrades the isolation between the channel filters. To address these shortcomings, various methods are used to improve coordination and decoupling. A three-arm circulator is introduced between the input connector and the filters of the known Czech Republic. This, firstly, complicates the design, and secondly, significantly increases the cost of the product. There are other known ways to improve coordination and isolation: the introduction of additional elements, resonators, compensating for the reactivity of channel filters. In all these cases, the design is complicated, the cost of the device increases. Therefore, the technical task usually is to ensure good coordination and isolation between channel filters with the simplicity of design, low cost and manufacturability of the device.

В дециметровом диапазоне волн перспективными фильтрами с точки зрения габаритов, массы и хороших электрических характеристик являются фильтры и частотные разделители (ЧР) на коаксиальных ДР. Таким простейшим ЧР, наиболее близким к предложенному является частотный разделитель на коаксиальных ДР, который содержит корпус с входным и выходным коаксиальными разъемами, внутри которого размещены полосовые фильтры на каскадно соединенных коаксиальных ДР [2] Первые резонаторы фильтров возбуждаются через емкости конденсаторов связи входным элементом, а последние соединены с выходами разделителя. In the decimeter wavelength range, filters and frequency dividers (PD) on coaxial DRs are promising filters in terms of dimensions, mass, and good electrical characteristics. The simplest PD closest to the proposed one is the frequency separator on coaxial DRs, which contains a housing with input and output coaxial connectors, inside which bandpass filters are placed on cascade-connected coaxial DRs [2] The first filter resonators are excited through the capacitors of the coupling capacitors by the input element, and the latter are connected to the outputs of the separator.

Достоинствами такого разделителя являются малые размеры, масса и металлоемкость, незначительные потери в полосах пропускания фильтров. Кроме того, преимущество такого разделителя заключается в том, что он реализован на однотипных фильтрах, нагруженных с двух сторон. Однако обладающие смежными полосами пропускания фильтры вносят большие реактивности емкостного характера в сопротивление общей для них входной нагрузки разделителя в полосе пропускания другого фильтра. Это приводит к ухудшению согласования входных сопротивлений фильтров и входа разделителя, а также уменьшению развязки между канальными фильтрами. The advantages of such a separator are small size, weight and metal consumption, insignificant losses in the passband of the filters. In addition, the advantage of such a separator is that it is implemented on the same type of filters loaded on both sides. However, filters with adjacent pass bands introduce large capacitive reactances in the resistance of the common input load of the separator in the pass band of another filter. This leads to a deterioration in the coordination of the input resistances of the filters and the input of the separator, as well as a decrease in the isolation between the channel filters.

Для устранения этих недостатков, т.е. для улучшения согласования входа разделителя с фильтрами и увеличения развязки между ними при обеспечении простоты настройки, технологичности изготовления разделителя, предлагается между входным разъемом разделителя и входными резонаторами фильтров ввести согласующе-развязывающее устройство, выполненное в виде двух встречновключенных катушек индуктивности, размещенных на одной оси и подключенных общей точкой к центральному контакту входного разъема, а противоположными концами к конденсаторам связи входных резонаторов фильтров, причем количество витков катушек индуктивности определяется величиной емкостей конденсаторов связи. To eliminate these shortcomings, i.e. To improve matching of the input of the separator with the filters and to increase the isolation between them, while ensuring ease of setup and the manufacturability of the separator, it is proposed to introduce a matching-decoupling device between the input connector of the separator and the input resonators of the filter, made in the form of two counter-connected inductors placed on the same axis and connected a common point to the central pin of the input connector, and opposite ends to the coupling capacitors of the input filter resonators, Rich number of turns of coils is determined by the capacitances of coupling capacitors.

На фиг. 1 изображен предложенный разделитель, общий вид; на фиг. 2 согласующее устройство; на фиг. 3 торцевая поверхность резонатора с нанесенными на ней металлизированными контактными площадками, образующими конденсаторы связи; на фиг. 4 непосредственное подключение фильтров к входу разделителя; на фиг. 5 подключение фильтров к входу разделителя через согласующее устройство; на фиг. 6 показан принцип действия согласующе-развязывающего устройства. In FIG. 1 shows the proposed separator, General view; in FIG. 2 matching device; in FIG. 3 end surface of the resonator with metallized contact pads deposited on it, forming coupling capacitors; in FIG. 4 direct connection of filters to the input of the separator; in FIG. 5 connecting filters to the input of the separator through a matching device; in FIG. 6 shows the principle of operation of a matching decoupling device.

В корпусе 1, закрываемом крышкой 2, с входным 3 и выходными разъемами размещены первый 6 и второй 7 полосовые фильтры на трех коаксиальных диэлектрических резонаторах 8-13, каждый (количество резонаторов в каждом фильтре может быть произвольным). Между фильтрами и входным разъемом разделителя введено согласующе-развязывающее устройство, выполненное в виде двух катушек индуктивности 14 и 15, включенных встречно, размещенных на одной оси 16 (см. фиг. 2) и подключенных общей точкой к центральному контакту разъема 3. Противоположные концы катушек 14 и 15 подключены к конденсаторам связи 17, 18 резонаторов 10 и 13. Конденсаторы выполнены в виде контактных площадок, нанесенных на торцевые поверхности резонаторов. In the housing 1, which is closed by a cover 2, with the input 3 and output connectors, the first 6 and second 7 band filters are located on three coaxial dielectric resonators 8-13, each (the number of resonators in each filter can be arbitrary). Between the filters and the input connector of the separator, a matching-decoupling device is introduced, made in the form of two inductors 14 and 15, connected in opposite directions, placed on the same axis 16 (see Fig. 2) and connected by a common point to the central contact of the connector 3. Opposite ends of the coils 14 and 15 are connected to the coupling capacitors 17, 18 of the resonators 10 and 13. The capacitors are made in the form of contact pads deposited on the end surfaces of the resonators.

Поскольку каждый фильтр 6, 7 рассчитывается, а затем и настраивается отдельно на чисто активные нагрузки с обеих сторон (этим достигается простота настройки и технологичность изготовления ЧР), то при простом соединении их входов и подключении к входному разъему (см. фиг. 4), характеристики фильтров сильно искажаются. Это обусловлено тем, что хотя в своей полосе пропускания каждый фильтр имеет практически активное сопротивление, вне ее он имеет большое реактивное сопротивление, в данном случае (для такого типа фильтров с емкостными связями) емкостного характера (-jX₆, -jX₇). Поэтому фильтр 6 будет вносить большую реактивную составляющую -jX₆ во входную нагрузку в полосе пропускания фильтра 7, а фильтр 7 (-jX₇) в полосе пропускания фильтра 6. Искажение характеристик фильтров выражается в плохом согласовании (большое и неравномерное КСВН) входа разделителя с входами фильтров и при ухудшении развязки между канальными фильтрами.Since each filter 6, 7 is calculated, and then adjusted separately for purely active loads on both sides (this ensures ease of setup and manufacturability of the PD), with a simple connection of their inputs and connection to the input connector (see Fig. 4), filter characteristics are greatly distorted. This is due to the fact that although each filter has practically active resistance in its passband, outside it it has a large reactance, in this case (for this type of filter with capacitive coupling) of a capacitive nature (-jX ₆ , -jX ₇ ). Therefore, filter 6 will introduce a large reactive component -jX ₆ into the input load in the passband of the filter 7, and filter 7 (-jX ₇ ) in the passband of the filter 6. The distortion of the filter characteristics is expressed in poor matching (large and uneven VSWR) of the input of the separator with filter inputs and when the isolation between the channel filters deteriorates.

На фиг. 4 показана эквивалентная упрощенная электрическая схема непосредственного подключения разделителя к источнику сигналов. In FIG. 4 shows an equivalent simplified circuit diagram for directly connecting a splitter to a signal source.

Согласующе-развязывающее устройство выполнено в виде катушек индуктивности 14 и 15, поэтому их реактивное сопротивление носит индуктивный характер (+jХ₁₄, +jX₁₅. Величины этих реактивностей подбираются экспериментально или рассчитываются примерно равными емкостным входным сопротивлениям фильтров (Х₆ ≈ Х₁₄ и Х₇ ≈ Х₁₅) и компенсируют их (см. фиг. 5).The matching-decoupling device is made in the form of inductors 14 and 15, so their reactance is inductive (+ jX ₁₄ , + jX _15. The values of these reactances are selected experimentally or calculated approximately equal to the capacitive input resistances of the filters (X ₆ ≈ X ₁₄ and X ₇ ≈ X ₁₅ ) and compensate for them (see Fig. 5).

Таким образом, введение указанных катушек индуктивности, компенсирующих емкостные сопротивления фильтров в полосах пропускания смежных фильтров, улучшает согласование входа разделителя с фильтрами. Встречное включение катушек индуктивности улучшает развязку между канальными фильтрами. Пояснение этого эффекта показано на фиг. 6. Thus, the introduction of these inductors, compensating the capacitance of the filters in the passband of adjacent filters, improves the matching of the input of the separator with the filters. The counter inclusion of inductors improves the isolation between the channel filters. An explanation of this effect is shown in FIG. 6.

Допустим сигнал распространяется от фильтра 6 в сторону разъема 3 и фильтра 7. Тогда по катушке 14 протекает ток I $\binom{14}{1}$ , который разветвляется к разъему 3 I $\binom{3}{1}$ и в катушку 15 I $\binom{15}{1}$ . Причем I $\binom{14}{1}$ I $\binom{3}{1}$ + I $\binom{15}{1}$ . Т.е. по катушке 15 протекает ток I $\binom{15}{1}$ слева направо. Между встречновключенными катушками существует индуктивная связь, поэтому магнитное поле катушки 14, пронизывая витки катушки 15, наводит в ней магнитное поле, которое создает ток в катушке I $\binom{15}{2}$ , противоположно направленный току I $\binom{15}{1}$ , и тем самым компенсирует его, т. е. встречное включение катушек приводит к тому, что токи, протекаемые от одного фильтра, не попадают к другому, и увеличивается развязка между фильтрами.Suppose the signal propagates from filter 6 towards connector 3 and filter 7. Then, current I flows through coil 14 $\binom{fourteen}{1}$ that branches to connector 3 I $\binom{3}{1}$ and into coil 15 I $\binom{fifteen}{1}$ . Moreover, I $\binom{fourteen}{1}$ I $\binom{3}{1}$ + I $\binom{fifteen}{1}$ . Those. current I flows through coil 15 $\binom{fifteen}{1}$ from left to right. There is an inductive coupling between the opposite connected coils, therefore, the magnetic field of the coil 14, penetrating the turns of the coil 15, induces a magnetic field in it, which creates a current in the coil I $\binom{fifteen}{2}$ opposite to the current I $\binom{fifteen}{1}$ , and thereby compensates for it, i.e., the on-switching of the coils leads to the fact that the currents flowing from one filter do not flow to another, and the isolation between the filters increases.

Таким образом, благодаря введению указанного согласующе-развязывающего устройства улучшается согласование и увеличивается развязка между фильтрами, упрощается настройка, обусловленная раздельной настройкой канальных фильтров с последующим их подключением и подстройкой устройства согласования и сохранением минимальных размеров и массы разделителя. Thus, thanks to the introduction of the specified matching-decoupling device, matching is improved and the isolation between the filters is increased, the adjustment is simplified due to the separate adjustment of channel filters with their subsequent connection and adjustment of the matching device and maintaining the minimum size and weight of the separator.

Claims

A frequency separator on coaxial dielectric resonators, comprising a housing with input and output connectors, inside of which there are two band-pass filters made on cascade-connected coaxial dielectric resonators, and coupling capacitors connected to input coaxial dielectric resonators of band-pass filters, respectively, characterized in that the matching -decoupling device, made in the form of two counter-connected magnetically coupled inductors, placed x on one axis and connected by a common point to the central pin of the input connector, and opposite ends to the coupling capacitors.