RU217345U1

RU217345U1 - DIRECTIONAL COUPLER

Info

Publication number: RU217345U1
Application number: RU2022121213U
Authority: RU
Inventors: Андрей Викторович Быков; Ольга Борисовна Быкова
Filing date: 2022-08-04
Publication date: 2023-03-28

Abstract

Полезная модель относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), в частности к устройствам отбора мощности, и может быть использована в фидерных трактах техники связи и радиолокационных устройств, в телевидении, в измерительной технике. Технический результат предлагаемого технического решения - повышение помехоустойчивости сигнала, поступающего с направленного ответвителя на устройства (детектор) для дальнейшей обработки и определения значений необходимых параметров и повышение направленности ответвителя. Указанный технический результат достигается тем, что в направленном ответвителе, состоящем из первичной линии, вторичной линии, аттенюаторов, выходы которых являются выходами вторичных трактов направленного ответвителя и присоединяются непосредственно к устройствам, измеряющим уровень мощности СВЧ-сигналов, введены экранированные линии передачи, выход каждой линии передачи которой присоединен к входу соответствующего аттенюатора, вход соединен с соответствующим выходом вторичной линии, а также тем, что в направленном ответвителе установлены дополнительные аттенюаторы, причем вход каждого дополнительного аттенюатора соединен с одним из выходов вторичной линии, а выход с входом соответствующей экранированной линии передачи.The utility model relates to microwave technology, in particular to power take-off devices, and can be used in feeder paths of communication technology and radar devices, in television, in measuring technology. The technical result of the proposed technical solution is to increase the noise immunity of the signal coming from the directional coupler to the device (detector) for further processing and determining the values of the required parameters and to increase the coupler directivity. The specified technical result is achieved by the fact that in a directional coupler consisting of a primary line, a secondary line, attenuators, the outputs of which are the outputs of the secondary paths of the directional coupler and are connected directly to devices that measure the power level of microwave signals, shielded transmission lines are introduced, the output of each line transmission of which is connected to the input of the corresponding attenuator, the input is connected to the corresponding output of the secondary line, and also by the fact that additional attenuators are installed in the directional coupler, the input of each additional attenuator is connected to one of the outputs of the secondary line, and the output is connected to the input of the corresponding shielded transmission line.

Description

Полезная модель относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), в частности, к устройствам отбора мощности, и может быть использовано в фидерных трактах техники связи, радиолокационных устройств, телевидении, в измерительной технике.The utility model relates to microwave technology, in particular, to power take-off devices, and can be used in feeder paths of communication technology, radar devices, television, and in measuring technology.

При работе различных устройств СВЧ возникает необходимость проверки исправности СВЧ-тракта этих устройств.During the operation of various microwave devices, it becomes necessary to check the serviceability of the microwave path of these devices.

Одним из способов проверки является измерение коэффициента стоячей волны (КСВ) СВЧ-тракта в заданном диапазоне частот. Другим способом проверки исправности, в частности многоканального, СВЧ-тракта, является сравнение фаз сигналов в различных каналах тракта. Оба эти способа можно реализовать с помощью направленного ответвителя. Направленный ответвитель - это СВЧ-устройство, которое предназначено для ответвления части энергии из основной линии передачи в другую (вторичную), причем так, что направление передачи энергии во второй линии зависит от направления передачи в основной линии. Одним из параметров, характеризующим направленный ответвитель, является переходное ослабление, отношение мощностей, распространяющихся в основной и вторичной линиях. Переходное ослабление определяет уровень мощности ответвляемого сигнала, т.е. сигнала, поступающего для дальнейшей обработки. Другим параметром является направленность, которая определяется как отношение мощностей, распространяющихся во вторичной линии в противоположных направлениях. (Бова Н.Т., Резников Г.Б. Антенны и устройства СВЧ «Вища школа» Киев. 1982. с. 60). Направленность определяет влияние на сигнал, ответвляемый с одного выхода устройства, сигнала, приходящего с другого выхода устройства. Этот параметр влияет, например, на точность определения КСВ СВЧ-тракта, уровня мощности сигнала и т.п.One way to check is to measure the standing wave ratio (SWR) of the microwave path in a given frequency range. Another way to check the health, in particular of a multichannel, microwave path, is to compare the phases of the signals in different channels of the path. Both of these methods can be implemented using a directional coupler. A directional coupler is a microwave device that is designed to branch off part of the energy from the main transmission line to another (secondary), moreover, so that the direction of energy transfer in the second line depends on the direction of transmission in the main line. One of the parameters characterizing a directional coupler is crosstalk, the ratio of powers propagating in the main and secondary lines. The crosstalk attenuation determines the power level of the tapped signal, i.e. signal for further processing. Another parameter is directivity, which is defined as the ratio of the powers propagating in the secondary line in opposite directions. (Bova N.T., Reznikov G.B. Antennas and microwave devices "Vishcha school" Kyiv. 1982. p. 60). Directionality determines the influence on the signal, branched from one output of the device, the signal coming from another output of the device. This parameter affects, for example, the accuracy of determining the SWR of the microwave path, the signal power level, etc.

При определении коэффициента стоячей волны (КСВ) СВЧ-тракта, мощности, фазы СВЧ-сигнала используют устройства (детекторы). Часто эти устройства (детекторы), измеряющие для определения КСВ уровень мощности, падающей и отраженной волн, а также фазу имеют сравнительно небольшой уровень входной мощности, при котором возможно измерение КСВ и фазы с хорошей точностью. Как правило, для измерения КСВ и фазы с хорошей точностью, необходимо подавать с направленного ответвителя на устройство сигнал малого уровня мощности. При этом устройства (детекторы) зачастую установлены на значительном (несколько длин волн) расстоянии. В этом случае сигнал малого уровня, поступающий с направленного ответвителя на детектор мощности, искажается (изменяется уровень и фаза сигнала) от воздействия внешних электромагнитных полей, что отрицательно сказывается на точности измерений. Для уменьшения воздействия внешних электромагнитных полей детекторы стараются расположить как можно ближе к направленному ответвителю, а также использовать линии передачи с повышенной защищенностью (дополнительной экранировкой) от воздействия внешних электромагнитных полей. К сожалению, это не всегда возможно, например, в силу конструктивных особенностей как отдельных устройств, так и компоновки всей аппаратуры, либо приводит к значительному усложнению устройств и всей аппаратуры, и соответственно к увеличению стоимости в том числе и направленного ответвителя.When determining the standing wave ratio (SWR) of the microwave path, power, phase of the microwave signal, devices (detectors) are used. Often these devices (detectors) that measure the power level, incident and reflected waves, as well as the phase to determine the SWR, have a relatively low input power level, at which it is possible to measure the SWR and phase with good accuracy. As a rule, in order to measure SWR and phase with good accuracy, it is necessary to apply a low power signal from the directional coupler to the device. In this case, devices (detectors) are often installed at a significant (several wavelengths) distance. In this case, the low-level signal coming from the directional coupler to the power detector is distorted (the signal level and phase change) due to the action of external electromagnetic fields, which adversely affects the measurement accuracy. To reduce the impact of external electromagnetic fields, they try to locate the detectors as close as possible to the directional coupler, and also use transmission lines with increased security (additional shielding) from the effects of external electromagnetic fields. Unfortunately, this is not always possible, for example, due to the design features of both individual devices and the layout of the entire equipment, or it leads to a significant complication of the devices and the entire equipment, and, accordingly, to an increase in the cost of the directional coupler as well.

Так, в отдаленном аналоге заявляемой полезной модели направленном ответвителе (пат. на полезную модель №112510, МПК Н01Р 5/18, 2011), состоящем из наружного проводника, внутреннего проводника первичной и внутреннего проводника связанной с первичной вторичной линии, причем во внутренней части наружного проводника выполнена выемка, внутри которой расположен проводник вторичной линии, а торцевые стенки выемки совместно с выходами вторичной линии и нагрузки образуют отрезок коаксиальной линии со щелью.So, in a distant analogue of the claimed utility model, a directional coupler (patent for utility model No. 112510, IPC H01R 5/18, 2011), consisting of an outer conductor, an inner conductor of the primary and an inner conductor connected to the primary secondary line, and in the inner part of the outer conductor, a recess is made, inside which the conductor of the secondary line is located, and the end walls of the recess, together with the outputs of the secondary line and the load, form a segment of the coaxial line with a slot.

Данное устройство имеет высокую направленность, простое конструктивное исполнение и как следствие, сравнительно невысокую стоимость.This device has a high directivity, a simple design and, as a result, a relatively low cost.

Этому устройству присущи следующие недостатки:This device has the following disadvantages:

сложность использования ответвителей в эксплуатации (измерения КСВ тракта устройства СВЧ в заданном диапазоне частот), т.к. при измерении КСВ на каждой частоте рабочего диапазона необходимо использование значение переходного ослабления направленных ответвителей на каждой из частот;the complexity of using couplers in operation (measuring the SWR path of a microwave device in a given frequency range), since when measuring SWR at each frequency of the operating range, it is necessary to use the value of the transient attenuation of directional couplers at each of the frequencies;

низкая помехоустойчивость сигнала, поступающего с направленного ответвителя на детектор, т.к. сигнал с направленного ответвителя фиксирован и должен иметь малый уровень мощности.low noise immunity of the signal coming from the directional coupler to the detector, since the signal from the directional coupler is fixed and should have a low power level.

Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи, является направленный ответвитель (пат. на полезную модель №185819, МПК Н01Р 5/18, 2018, опубликовано: 19.12.2018 Бюл. №35), состоящий из первичной линии, вторичной линии, двух аттенюаторов, имеющие вход и выход, причем вход одного аттенюатора соединен с одним концом вторичной линии, вход другого аттенюатора соединен со вторым концом вторичной линии, а выходы аттенюаторов являются выходами вторичного тракта, направленного ответвителя.A closer analogue, chosen as a prototype due to the similarity of the technical task being performed, is a directional coupler (patent for utility model No. 185819, IPC H01R 5/18, 2018, published: 12/19/2018 Bull. No. 35), consisting of a primary line, secondary line, two attenuators having an input and an output, wherein the input of one attenuator is connected to one end of the secondary line, the input of the other attenuator is connected to the second end of the secondary line, and the outputs of the attenuators are the outputs of the secondary path, directional coupler.

Так как в данном направленном ответвителе для измерения уровня мощности, падающей и отраженной волн, используется одна вторичная линия, значения переходного ослабления одинаковы для разных ее концов. Следовательно, при вычислениях КСВ нет необходимости знать переходное ослабление каждого направленного ответвителя на каждой из частот заданного диапазона. Это значительно упрощает использование ответвителей (измерения КСВ тракта устройства СВЧ в заданном диапазоне частот).Since this directional coupler uses a single secondary line to measure the power, incident, and reflected waves, the crosstalk values are the same at each end. Therefore, when calculating the SWR, it is not necessary to know the crosstalk attenuation of each directional coupler at each of the frequencies in a given range. This greatly simplifies the use of couplers (measuring the SWR path of a microwave device in a given frequency range).

К недостаткам этого направленного ответвителя можно отнести низкую помехоустойчивость ответвленного сигнала, поступающего с направленного ответвителя на детектор, т.к. сигнал с направленного ответвителя фиксирован и имеет малый уровень мощности.The disadvantages of this directional coupler include the low noise immunity of the branched signal coming from the directional coupler to the detector, since the signal from the directional coupler is fixed and has a low power level.

Технический результат предлагаемого технического решения - повышение помехоустойчивости сигнала, поступающего с направленного ответвителя на устройства (детектор) для дальнейшей обработки и определения значений необходимых параметров.The technical result of the proposed technical solution is to increase the noise immunity of the signal coming from the directional coupler to the device (detector) for further processing and determining the values of the required parameters.

Другой технический результат - повышение направленности ответвителя.Another technical result is an increase in the directivity of the coupler.

Указанный технический результат достигается тем, что в направленном ответвителе, состоящем из первичной линии, вторичной линии, аттенюаторов, выходы которых являются выходами вторичных трактов направленного ответвителя и присоединяются непосредственно к устройствам, измеряющим уровень мощности СВЧ-сигналов, введены экранированные линии передачи, выход каждой линии передачи присоединен к входу соответствующего аттенюатора, вход соединен с соответствующим выходом вторичной линии.The specified technical result is achieved by the fact that in a directional coupler consisting of a primary line, a secondary line, attenuators, the outputs of which are the outputs of the secondary paths of the directional coupler and are connected directly to devices that measure the power level of microwave signals, shielded transmission lines are introduced, the output of each line transmission is connected to the input of the corresponding attenuator, the input is connected to the corresponding output of the secondary line.

Другой технический результат достигается тем, что в направленном ответвителе установлены, дополнительные аттенюаторы, причем вход каждого дополнительного аттенюатора соединен с одним из выходов вторичной линии, а выход со входом соответствующей экранированной линии передачи.Another technical result is achieved by the fact that additional attenuators are installed in the directional coupler, and the input of each additional attenuator is connected to one of the outputs of the secondary line, and the output is connected to the input of the corresponding shielded transmission line.

В предложенном устройстве имеются существенные отличия от рассмотренных выше направленных ответвителей. В известных устройствах отсутствуют упоминания об использовании экранированной линии передачи, соединяющей вход аттенюатора с концом вторичной линии.The proposed device has significant differences from the above directional couplers. In known devices, there is no mention of the use of a shielded transmission line connecting the input of the attenuator to the end of the secondary line.

Кроме того, в известных направленных ответвителях отсутствуют также упоминания об использовании дополнительного аттенюатора, установленного между концов вторичной линии и входом экранированной линии передачи.In addition, in the known directional couplers, there is also no mention of the use of an additional attenuator installed between the ends of the secondary line and the input of the shielded transmission line.

Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критериям патентоспособности.This allows us to conclude that the proposed device complies with the patentability criteria.

Сущность полезной модели будет более понятна из приведенного описания и прилагаемого к ней чертежа, на котором изображено следующее:The essence of the utility model will be more clear from the above description and the accompanying drawing, which shows the following:

На фиг. 1 показана схема предлагаемого по п. 1 направленного ответвителя.In FIG. 1 shows a diagram of the directional coupler proposed according to claim 1.

На фиг. 2 показана схема предлагаемого по п. 2 направленного ответвителя.In FIG. 2 shows a diagram of the directional coupler according to claim 2.

Направленный ответвитель (см. фиг. 1) состоит из первичной линии 1, вторичной линии 2, двух аттенюаторов 3, 4, выходы 5, 6 аттенюаторов 3, 4 являются выходами направленного ответвителя (вторичного тракта), присоединяемые к устройствам, измеряющим уровень мощности сигналов для дальнейшей обработки и определения значений необходимых параметров (на фиг. 1 не показаны). Входы 7, 8 аттенюаторов 3, 4 присоединены к выходам 9, 10 экранированных линий передачи 11, 12, входы 13, 14 экранированных линий передачи 11, 12 присоединены к выходам 15, 16 вторичной линии вторичной линии 2. Направленный ответвитель может иметь только один выход, как направленный ответвитель (пат. на изобретение №2364996, МПК Н01Р 1/15, Н01Р 1/10, 2009), второй выход нагружен согласованной нагрузкой.A directional coupler (see Fig. 1) consists of a primary line 1, a secondary line 2, two attenuators 3, 4, outputs 5, 6 of attenuators 3, 4 are the outputs of a directional coupler (secondary path), connected to devices that measure the signal power level for further processing and determining the values of the required parameters (not shown in Fig. 1). Inputs 7, 8 of attenuators 3, 4 are connected to outputs 9, 10 of shielded transmission lines 11, 12, inputs 13, 14 of shielded transmission lines 11, 12 are connected to outputs 15, 16 of the secondary line of secondary line 2. A directional coupler can have only one output , as a directional coupler (patent for the invention No. 2364996, IPC H01R 1/15, H01R 1/10, 2009), the second output is loaded with a matched load.

Направленный ответвитель работает следующим образом.The directional coupler works as follows.

Бегущая волна, распространяющаяся в первичной линии 1, возбуждает во вторичной линии 2 бегущую волну (Сазонов Д.М. Гридин А.Н. Мишустин Б.А. Устройства СВЧ «Высшая школа» М. 1981 стр. 74). Пусть при этом часть энергии СВЧ-сигнала поступает на выход 15 вторичной линии 2, а часть, поступающей с другого конца, - на выход 16 вторичной линии 2. Далее (см. фиг. 1), так как выход 15 (16) вторичной линии 2 присоединен к входу 13 (14) экранированной линии передачи 11 (12), а выход 7 (8) экранированной линии передачи 11 (12) аттенюаторов 3 (4) по экранированной линии передачи 11 (12) присоединен к входам 13 (14) аттенюатора 3 (4), сигнал поступает на аттенюатор 3 (4), где ослабляется до нужного уровня и через выход 5 (6) аттенюатора 3 (4) являющиеся выходами направленного ответвителя (вторичного тракта), поступают к устройствам, измеряющим уровень мощности сигналов для дальнейшей обработки и определения значений необходимых параметров.A traveling wave propagating in the primary line 1 excites a traveling wave in the secondary line 2 (Sazonov D.M. Gridin A.N. Mishustin B.A. Microwave devices "Higher School" M. 1981 p. 74). Let in this case, part of the energy of the microwave signal goes to the output 15 of the secondary line 2, and the part coming from the other end, to the output 16 of the secondary line 2. Further (see Fig. 1), since the output 15 (16) of the secondary line 2 is connected to the input 13 (14) of the shielded transmission line 11 (12), and the output 7 (8) of the shielded transmission line 11 (12) of the attenuators 3 (4) via the shielded transmission line 11 (12) is connected to the inputs 13 (14) of the attenuator 3 (4), the signal goes to the attenuator 3 (4), where it is attenuated to the desired level and through the output 5 (6) of the attenuator 3 (4) which are the outputs of the directional coupler (secondary path), they go to the devices that measure the signal power level for further processing and determining the values of the required parameters.

Важным параметром направленного ответвителя является направленность, которая определяется как отношение мощностей, распространяющихся во вторичной линии в противоположных направлениях. (Бова Н.Т., Резников Г.Б. Антенны и устройства СВЧ «Вища школа» Киев. 1982. с. 60). Направленность определяет влияние на сигнал, ответвляемый с одного выхода устройства, сигнала, приходящего с другого выхода устройства. Для обеспечения хорошей направленности (для обеспечения точного измерения КСВ, мощности и других параметров) необходимо обеспечить хорошее согласование вторичной линии 2. Обычно, для обеспечения хорошей направленности конец вторичной линии, который не является выходом, непосредственно присоединен к согласованной нагрузке. В заявляемом устройстве нагрузка (аттенюатор 3, 4) присоединен с помощью экранированной линии передачи 11 (12). Однако линия передачи 11 (12) не является идеально согласованной, т.е. имеет коэффициент стоячей волны (КСВ) больше 1 (Белоусов Н.И., Саакян А.Е., Яковлева А.И. Электрические кабели, провода и шнуры, справочник, 5-е издание, М., Энергоатомиздат, 1988 г. с. 300). Соединители, осуществляющие непосредственный контакт линии передачи 11 (12) с выходом 15 (16) вторичной линии 2, представляют собой неоднородности, которые также вносят рассогласование и ухудшают тем самым направленность (Гальперович Д.Я., Павлов А.А., Хренков Н.Н. Радиочастотные кабели, М., Энергоатомиздат, 1990г. с.216). An important parameter of a directional coupler is directivity, which is defined as the ratio of the powers propagating in the secondary line in opposite directions. (Bova N.T., Reznikov G.B. Antennas and microwave devices "Vishcha school" Kyiv. 1982. p. 60). Directionality determines the influence on the signal, branched from one output of the device, the signal coming from another output of the device. To ensure good directivity (to ensure accurate measurement of SWR, power and other parameters), it is necessary to ensure that secondary line 2 is well matched. Usually, to ensure good directivity, the non-output end of the secondary line is directly connected to a terminating load. In the claimed device, the load (attenuator 3, 4) is connected using a shielded transmission line 11 (12). However, the transmission line 11 (12) is not perfectly matched, i. has a standing wave ratio (SWR) greater than 1 (Belousov N.I., Saakyan A.E., Yakovleva A.I. Electric cables, wires and cords, reference book, 5th edition, M., Energoatomizdat, 1988 p. .300). The connectors that make direct contact of the transmission line 11 (12) with the output 15 (16) of the secondary line 2 are inhomogeneities that also introduce a mismatch and thereby worsen the directivity (Galperovich D.Ya., Pavlov A.A., Khrenkov N. N. Radio frequency cables, M., Energoatomizdat, 1990. p. 216).

Для повышения направленности в направленном ответвителе (см. фиг. 2) могут устанавливаться, дополнительные аттенюаторы 17, 18, таким образом, что вход 19, 20 каждого дополнительного аттенюатора 17, 18 соединен с одним из выходов 15, 16 вторичной линии 2, а выход 21, 22 со входом 13, 14 соответствующей экранированной линии передачи 11, 12.To increase directivity in a directional coupler (see Fig. 2), additional attenuators 17, 18 can be installed, so that the input 19, 20 of each additional attenuator 17, 18 is connected to one of the outputs 15, 16 of the secondary line 2, and the output 21, 22 with the input 13, 14 of the corresponding shielded transmission line 11, 12.

В этом случае дополнительные аттенюаторы 17, 18 за счет ослабления СВЧ-сигнала (в прямом и обратном направлении) уменьшают влияние линий передачи 11, 12 и соединителей, осуществляющих непосредственный контакт линии передачи 11, 12 с выходом 15, 16 вторичной линии 2. Уменьшение влияние линий передачи и соединителей позволяет повысить направленность, кроме того, механическое повреждение самой линии передачи 11 (12), либо контакта линии передачи 11 (12) с аттенюатором 3 (4) не приведет с значительному ухудшению направленности, что позволяет получить информацию с другого выходами направленного ответвителя, тем самым повышает надежность устройства. Поэтому использование дополнительных аттенюаторов 17, 18 позволяет добиться не только повышения направленности направленного ответвителя, но и дополнительно увеличить надежность устройства.In this case, additional attenuators 17, 18, due to the attenuation of the microwave signal (in the forward and reverse directions), reduce the influence of transmission lines 11, 12 and connectors that make direct contact of the transmission line 11, 12 with the output 15, 16 of the secondary line 2. Reducing the influence transmission lines and connectors allows you to increase directivity, in addition, mechanical damage to the transmission line 11 (12) itself, or the contact of the transmission line 11 (12) with attenuator 3 (4) will not lead to a significant deterioration in directivity, which allows you to obtain information from another directional output coupler, thereby increasing the reliability of the device. Therefore, the use of additional attenuators 17, 18 makes it possible not only to increase the directivity of the directional coupler, but also to further increase the reliability of the device.

Применение предложенного технического решения позволит повысить помехоустойчивость сигнала, поступающего с направленного ответвителя на устройства (детектор) для дальнейшей обработки и определения значений необходимых параметров, а также повысить направленность устройства и увеличить его надежность.The application of the proposed technical solution will improve the noise immunity of the signal coming from the directional coupler to the device (detector) for further processing and determining the values of the required parameters, as well as increase the directivity of the device and increase its reliability.

На дату подачи заявки изготовлен работающий макет направленного ответвителя, обладающий повышенной помехоустойчивостью, направленностью и надежностью.As of the filing date of the application, a working layout of a directional coupler has been manufactured, which has increased noise immunity, directivity and reliability.

Claims

1. A directional coupler, consisting of a primary line, a secondary line, attenuators, the outputs of which are the outputs of the secondary paths of the directional coupler, characterized in that shielded transmission lines are introduced, the output of each transmission line of which is connected to the input of the corresponding attenuator, the input is connected to the corresponding output of the secondary lines.

2. A directional coupler according to claim 1, characterized in that additional attenuators are installed, and the input of each additional attenuator is connected to one of the outputs of the secondary line, and the output is connected to the input of the corresponding shielded transmission line.