Глава 16

РАСЧЕТ МУЛЬТИПЛЕКСЕРОВ

16.01. Введение

Как отмечалскь в § 1.02, для разделения широкополосного канала на несколько уэкополосных необходимо использовать последовательное или параллельное соединение фильтров. Подобные соединения фильтров требуются и для обратной операции сложения нескольких каналов, когда частотные диапазоны различаются и необходимо объединять эти каналы в общем широкополосном

канале без потерь энергии (при простом соединении каналов такие потери могли бы иметь место за счет утечки энергии из какого-либо одного из суммируемых каналов в другие).

На рис. 16.01.1 показан трехканаль-ный мультиплексер, в который входят три отдельных полоснопропускающих фильтра; каждый пз ннх стужпт для выделения соответственно трех каналов: 2,0-2,6; 2,6-3,3 и 3,3-4,0 Ггц. На первый взгляд, казалось бы, проектирование такого разделительного устройства можно свести к проектированию полоснопропускающих фильтров по одному из ранее описанных в книге методов и далее соединить фильтры параллельно. Однако хотя данные методы и используются при проектировании мультиплексеров, их необходимо сочетать с рядом специальных приемов во избежание паразитного взаимодействия между фильтрами, которое могло бы привести к очень плохим характеристикам.

Большинство вопросов, рассматриваемых в настоящей главе, связано с проблемой проектирования, обеспечивающего устране-- 380 -

Рис. 16.0IJI. Группа фильтров, образующая му.тьтгтлексер лля разделения трех каналов

ние указанного паразитного взаимодейстаия. Однако в следующем параграфе, где излагается другой подход, основанный на .использовании фильтров с постоянными активными входными сопротивлениями, эта проблема натностью снимается благодаря использованию цепей, составленных из направленных фильтров. Такие фильтры обладают согласованным, постоянным я чисто активным входным сопротивлением на всех частотах, так что теоретически никакого паразитного взаимодействия не должно быть.

16.02. Мультиплексеры, в которьгк используются направленные фильтры

Рассмотренные .в гл. 14 направленные фильтры обладают постоянными и активными входными сопротивлениями при условии, что их вы.\одные зажимы нагружены на соответствующие активные сопротивления (согласованные нагрузки). Если этя фильтры рассчитать на одинаковые активные сопротивления нагрузок, а затем соединить их каскадно, как показано на рис. 16.02.1, то полу-

гигнат/

Рис. 16.02.1. Схема, иллюстрирующая использование направленных фильтров для разделения каналов

чиы мультиплексер, в котором теоретически исключена возможность паразитного взаимодействия между фяльтрами, о которой упоминалось выше. Каждый фильтр здесь представляет собой согласованную нагрузку для соседнего фильтра, так что если отсутствует остаточный ков, вызванный несовершенством расчета н изготовления, то в системе не будет отражений: фильтр а выл.еляет частоту f и пропускает все другие частоты, фильтр * выделяет частоту fb и т. д.

Направленные фильтры позволяют просто и изящно решить проблему суммирования и разделения каналов, однако но многих случаях такое решение будет хотя и весьма целесообраэны.м, но отнюдь не всегда самым лучшим. Дело в том, что каждый фильтр обычно обладает некоторым паразитным ксв, который оказывает существенное влияние на работу системы при каскадном включении большого числа фильтров. Но практически, главным недостатком является, по-видимому, то, что у всех фильтров в каждом резонаторе имеется два различных ортогональных типа колебаний, я если число резонаторов более одного-двух, то настройка фильтров может стать затруднительной. Предпринимаются попытки настройки резонаторов для каждого типа колебаний раздельно с помощью различных групп настроечных виитов. Однако настроечные - 381 -

винты, предусмотренные для одного типа колебаний, оказывают влияние л на кмебание другого типа, поэтому процесс-настройки приходится обычно повторять несколько раз. Таким образом, если у фильтра больше, чем, например, два резонатора, то отдельная .настройка каждого яз них для двух типов колебаний при неизбежном Взаимовлиянии может -потребовать весьма значительных затрат Времени.

Рис. 16.02.2. Напранлениый фильтр, образованный иэ двух полосноппо- пускающи!: фильтров (ППФ) и двук гибридных соединений (Г.с)

На рис. 16.02.2 приведена еще одна разновидность направленного фильтра, который также обладает постоянным и активным входным сопротивлением, как и фильтры, описанные в гл. 14 [1, 2, 3]. В этой схеме используются два гибридных соединения, таких, как 3-децибельные направленные ответвители, рассмотренные в § 13.03, 3-децибелы1ые шлейфные ответвители, рассмотренные в § 13.12 и § 13.13, щелевые гибридные соединения (с короткими щелями! или соединения типа магического Т . В последнем случае необходимо к одному из двух боковых плеч гябридного соединения подключать дополнительную четвертьволновую линию, для того чтобы обеспечить между входными сигналами в обоих плечах требуемую разность фаз в 90°. На рис. 16.02.2 показаны также требуемые фазовые соотношения для передачи между раэличны-ми плечам-и (плечи пронумерованы, а направления передачи указаны стрелками).

Помимо гибридных соединений, в той же схеме используются ,1ва одинаковых полоснопропускающих фильтра, рассчитанных -на частоту fa, которую схема должна выделить из других частот. Таки.м образом, при подаче на вход / сигналов на четырех частотах.

ft, fc и fd энергия сигнала на частоте fa рааделяется поровну между двумя боковыми плечами левого гибридного соединеняя, проходит через полоснопропускающие фильтры -и затем поступает Б боковые плеч,и правого гибридного соединения. Фазовые соотношения между указанмыми двумя составляющимИ сигнала таковы.

что они -взаимно компенсируются в плече 3, и вся энергия сигнала на частоте fa поступает в e40 4. В то же время сягналы на частотах fb, fc fd отражаются полоснопропускающямя фильтрами и снова -возвращаются в боковые плечи левого гибридного соединения. Фазовые соотношения составляющих этих сигналов таковы, что они ксмиенснруются в плече /, и вся энергия на частотах ft. fc и fd поступает в плечо 2. Полная характеристика данной схемы подобна характеристике направленных ф.ильтров, рассмотренных в гл, 14. Так-ие схемы можно также соедшять каскадно, как было показано на рис. 16.02.1.

Схему, приведенную 1на рис. 16.02.2, обычно легче настроить, чем схемы с направленными фильтрами, описанными в гл. 14, особенно если они содержат много резонаторов. Здесь же два одинаковых полоснопропускающих фильтра можно настраивать отдельно, а характеристика гибридных соединений не является особенно критичной. Так, например, если гибридное соединение делит мощность не пополам, а допустим, настолько неудовлетворительно, что в одно плечо поступает вдвое большая мощность, чем в другое, то при условии идентичности обоих гибридных'соединений вносимое затухание при передаче от плеча / к нлечу 4 составит всего лишь 05 дб [3]. Вместе с тем недостатком схемы, представленной на рис. 16.02.2, является то, что она физически сложна и во многих случаях оказывается весьма громоздкой.

Итак, можно сделать вывод, что направленные фильтры, обладающие постоянным и активным входным сопротивлением, представляют значительный интерес для использования в мультиплексерах. Вместе с тем в каждом конкретном случае их достоинства и недостатки необходимо соответственно оценивать сравнительно 1с другими В03.М0ЖНЫ.МИ схемами построения мультиплексеров.

16.03. Мультиплексеры с защитными полосами между каналами, использующие уакополосные фильтры отражающего типа

Бели разделяемые частотные каналы очень узки (ширина полосы порядка 1% или меньше) и если между ними имеются защитные полосы, которые в несколько раз (или более) шире полос пропускания отдельных фильтров, то в этом случае относительно простые методы развязки должны обеспечивать достаточное ослабление паразитного взаимодействия между фильтрами.

Один из таких методов иллюстрируется на рис. 16.03.1 [I,4J. Здесь показан трехканальный волноводный мультиплексер, в котором используются фильтры с диафрагмами свяэи, 1рассмотренные в §§ 8.06 и 8.07.

Частота fa соответствует полосе пропускания правого фильтра, а для других двух она окажется -в полосе мйирания. Вследствие относительной уэкополосности фильтров первый резонатор верхнего и нижнего фильтров слабо связан с главным волноводом. Сле-- 383 -

довательно, реактивные неоднородности, вносимые входными диафрагмами связи этих фильтров в главный волновоя, будут незначительны, и лишь слегка исказят характеристику правого фяльтра. Если такие искажения недопустимы, их можно скомпенсяровать незначительной подстройкой первого резонатора и элемента входной связи правого фильтра.

Частота 1ь для верхнего ф.ильтра соответствует полосе пропускания, а для других фильтров - паюсам запирания. Поэтому вносимые ими в главный волновод реактивные сопротивления малы. Если верхний фильтр размещается приблизительно на расстоянии четверти длины волны (на частоте ft) от входной диа-

~г

т

граммы правого фильтра, то правый фильтр будет представлять собой разомкнутую цепь в плос- кости диафрагмы связи (иа практике из-за остаточного влияния реактявностей желательно взять это расстояние несколько меньше четверги длины волиы). Таким образом, правый фильтр окажется полностью развязанным, и сигнал На частоте fb пройдет через верхний фильтр почти без иска-Рис I603.I. Мультиплексер, состоя- ений. Однако будет .иметь мес-

шин из узкололосныч волноводных

4>,и,ьтров. соеди„е„ных так, чтоби ТО некоторое остаточное влияние исключить их взаимодействие сочленения волноводов. Которое немного исказит характеристику верхнего фильтра. Как и в предыдущем случае, эти искажения могут быть скомпенсированы изменением размеров входной диафрагмы связи и подстройкой первого резонатора.

Нижний фильтр связан с главным волноводсм аналогичным образом. Если требуется увеличить число каналов, то их фильтры .можно разместить на главном волноводе в дополнительных точках, удаленных от правого фильтра (см. рис. 16.03.1) иа ,расстоя ние. кратное ветичине nXg/i (п-любое нечетное число; Kg - длина волны в волноводе на средней частоте подключаемого фильтра).

На рис. 16.03.2 проиллюстрирован еще один метод развязки, предложенный Клайном (Cline) [6]. Хотя на этом рисунке схемы состоят из сосредоточенных элементов, их можно реализовать с помощью различных, более яди менее эквивалентных цепей свч. При этом также предполагается, что фильтры узкополосны, а между ка1налами имеются защитные полосы. Однако развязка между фильтрами осуществляется с помощью специального резонатора развязки, примыкающего к каждому фильтру. Ввяду узкбполосно-сти фильтров, их связь с главной передающей линией очень слаба. - 384 -

Развязывающие резонаторы также слабо связаны с главной передающей линией, и каждый яз них настраивается на среднюю, частоту полосы пропускания примыкающего к нему фильтра. Вследствие слабой связи фильтры я развязывающие резонаторы, когда они ие находятся в резонансе, оказывают очень малое влияние иа передачу.

f,.f2.:f.

ff. й-

Рис. 16.03.2. Мультиплексер с развязывающими резонаторами: а - последовательное соединепне; б - параллельное соединение, в нерхней схеме нспопьдуютоя фпльтры с индуктивно связанными резонато рами, причем развиэываюшие резонаторы имеют емкостную связь. В нижней схеме - обратная картина

В качестве примера рассмотри.м работу дайной схемы при подаче на ее вход сигнала на частоте /г- Участок, где расположены фильтр и развязывающий резонатор, настроенные на частоту / этот сигнал проходит с очень малыми отражениями и затем попадает иа вход фильтра и развязывающего резонатора, настроенных иа частоту fz. Развязывающий резонатор - полоснозапирающего типа, и для верхней схемы, показанной на рис. 116.03.2, развязывающая цепь, настроенная на частоту /г, будет закорачивать всю пепь справа; для нижней схемы развязывающий резонатор размыкает цепь и поэтому отключает всю цепь справа. Следователь-13-476 - 385 -