ES2280834T3 - Dispositivo separador de bandas de hiperfrecuencias de banda ancha. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo separador para receptores de hiperfrecuencias de banda ancha, caracterizado por el hecho de que comprende un conjunto de pares de filtros pasabanda y de paso bajo (2.1 a 2.5) y porque en cada par de filtros relacionados con una banda de frecuencias Fbn-Fhn a separar de un conjunto de bandas, el filtro pasabanda tiene una banda pasante comprendida entre Fbn y Fhn (con Fbn < Fhn), mientras que el filtro de paso bajo tiene una frecuencia de corte situada en Fhn - 1, siendo todos los filtros de material supraconductor, refrigerado, en funcionamiento, a una temperatura inferior a la temperatura crítica de este material, realizándose cada par de filtros en una misma barra individual (21) y teniendo una entrada común (E) a la cual se conecta directamente el filtro de paso bajo y el filtro pasabanda de esta misma barra, y por el hecho de que la salida (S) de banda separada es la del filtro pasabanda, y porque la salida (S1) hacia el par siguiente (6, 8, 10, 12) o hacia un terminal (14)es la del filtro de paso bajo.
Description
Dispositivo separador de bandas de
hiperfrecuencias de banda ancha.
La presente invención se refiere a un
dispositivo separador de bandas de hiperfrecuencias de banda
ancha.
Los separadores de bandas de hiperfrecuencias
(igualmente llamados "multi-plexores" son
dispositivos utilizados en particular en receptores de
hiperfrecuencias de banda ancha. Estos receptores reciben señales
multicanales de canales adyacentes que los separadores están
encargados de separar individualmente. Los rendimientos de estos
receptores de hiperfrecuencias de banda ancha están limitados por
los diferentes puntos siguientes:
\sqbullet el amplificador de cabeza (el que
sigue inmediatamente a la antena receptora) presenta no linealidades
que producen la generación de frecuencias armónicas;
\sqbullet los mezcladores de las etapas
heterodinas generan productos de intermodulación;
\sqbullet la anchura de banda instantánea de
estos receptores es limitada;
\sqbullet los filtros separadores introducen
pérdidas de inserción nada despreciables;
\sqbullet estos mismos filtros tienen una
rigidez insuficiente de los flancos de su curva característica
atenuación/frecuencia;
\sqbullet debido a esta rigidez insuficiente,
las bandas contiguas se montan;
\sqbullet si se desea evitar este montado, se
deben separar las unas de las otras las frecuencias centrales de
los canales, y por consiguiente de los filtros correspondientes, lo
cual produce agujeros entre bandas contiguas.
Los filtros pasabanda utilizados actualmente en
hiperfrecuencias son generalmente del tipo de líneas acopladas
rectilíneas o plegadas en "U". Tales filtros presentan una
rigidez insuficiente de los flancos por su característica
frecuencia/atenuación y pérdidas de inserción.
Se conoce por el documento US 5 838 675 un
separador de canales de hiperfrecuencias con estructura de tipo
"manifold" y que incluye
amplificadores-limitadores, lo cual hace la
realización compleja.
La presente invención tiene por objeto un
dispositivo separador para receptor de hiperfrecuencias de banda
ancha del tipo anteriormente citado, no presentando este dispositivo
separador los inconvenientes anteriormente citados de los
dispositivos de la técnica anterior.
El dispositivo separador conforme a la invención
comprende un conjunto de pares de filtros pasabanda y de paso bajo,
y en cada par de filtros con relación a una banda de frecuencias
Fb_{n}-Fh_{n} a separar de un conjunto de
bandas, el filtro pasabanda tiene una banda pasante comprendida
entre Fb_{n} y Fh_{n} (con Fb_{n} < Fh_{n}), mientras
que el filtro de paso bajo tiene una frecuencia de corte situada en
Fh_{n-1}, siendo todos los filtros de material
supraconductor refrigerado en funcionamiento a una temperatura
inferior a la temperatura crítica de este material, realizándose
cada par de filtros en una misma barra individual y presentando una
entrada común en la cual se conectan estos filtros directamente.
La presente invención se comprenderá mejor con
la lectura de la descripción detallada de un modo de realización,
tomado a título de ejemplo no limitativo e ilustrado por el dibujo
adjunto, en el cual:
- La figura 1 es un diagrama en bloque de un
dispositivo separador conforme a la invención;
- La figura 2 es una vista en planta de un par
de filtros que forman parte de un dispositivo separador conforme a
la invención;
- La figura 3 es una vista en planta de un modo
de realización preferido de un filtro pasabanda que forma parte del
par de filtros de la figura 2; y
- La figura 4 es una vista de detalle ampliada
del filtro de la figura 1.
El dispositivo separador 1 esquematizado en la
figura 1 comprende varios pares de filtros, componiéndose cada par
de filtros de un filtro pasabanda y de un filtro de paso bajo. En el
presente caso, el dispositivo separador comprende cinco pares de
filtros, respectivamente referenciados 2.1 a 2.5, pero se entiende
que el número de pares de filtros del dispositivo separador de la
invención puede ser diferente, en función del número de canales
contenidos en la señal recibida por el receptor de hiperfrecuencias
del cual forma parte este dispositivo separador.
Según una característica importante de la
invención, el primer par de filtros 2.1 conectado justo después de
la entrada 3 es el que se refiere a la vía de frecuencias más
elevadas (vía 1 en el ejemplo), el segundo par, 2.2; conectado
justo más abajo del primer par, se refiere a la vía (vía 2) de
frecuencias justo inferiores a las de la vía 1, y así sucesivamente
hasta el par de filtros 2.5 (vía 5).
Según un ejemplo de realización, las vías 1 a 5
tienen respectivamente las bandas de frecuencias siguientes (en
GHz): 16-18, 12-16,
8-12, 4-8 y 2-4,
pero se entiende que estos valores pueden ser diferentes en otras
aplicaciones.
Cada par de filtros 2.1 a 2.5 (2.1 a 2.n en el
caso más general) se realiza en una misma barra de substrato de
soporte individual, de la forma descrita a continuación con
referencia a la figura 2. Las diferentes barras del separador 1
están fijadas en una caja de casillas separadas 4, paralelamente las
unas a las otras, y desacopladas entre si por blindajes
electromagnéticos 5.1 a 5.4 formados sobre los tabiques de las
casillas de la caja 4. La entrada 3 está conectada en el punto 5
que es la entrada común de los filtros del par 2.1. La salida 6 del
par de filtros 2.1 hacia el par siguiente 2.2 es la salida del
filtro de paso bajo del par 2.1 (en la parte opuesta a su entrada
5). Esta salida 6 está conectada con la entrada 7 del par 2.2 que es
la entrada común de los filtros del par 2.2 y así sucesivamente
hasta el par 2.5 (salidas 8, 10, 12 conectadas respectivamente con
las entradas 9, 11, 13). Por último, la salida 14 del filtro de paso
bajo del par 2.5 está conectada bien sea a una carga ficticia
adaptada (con el fin de absorber residuos de la señal incidente) o,
por ejemplo a un analizador de espectro. En las salidas 15 a 19 de
los filtros pasabanda de los pares 2.1 a 2.5 respectivamente, se
recogen las señales de las vías 1 a 5, y únicamente estas señales
(sin armónicos ni partes extremas de las vías contiguas).
En la figura 2 se ha representado una de las
barras del separador 1, por ejemplo la barra 2.1. Su filtro
pasabanda está hecho del modo siguiente.
El filtro pasabanda descrito aquí presenta una
banda pasante de 2 o de 4 GHz, para una frecuencia central que
puede estar comprendida entre 3 y 20 GHz aproximadamente, pero se
entiende que la invención no se limita a estos valores, y que el
experto en la materia podrá, con la lectura de la presente
descripción, modificar estos valores obteniendo las mismas ventajas
que con el presente ejemplo.
El filtro pasabanda 20 representado en las
figuras 2 a 4 del dibujo comprende, para el presente ejemplo, doce
líneas de longitud eléctrica \lambda/2 acopladas entre si y
referenciadas por L1 a L12, pero se entiende que el número de
líneas de un filtro puede ser diferente, ventajosamente comprendido
entre 12 y 16. La rigidez de los flancos de la característica
frecuencia/atenuación al ser una función directa del número de
líneas, se tendrá que buscar un compromiso entre una gran rigidez y
una ocupación de espacio importante (generalmente, los aparatos que
comprenden tales filtros deberían comprender un gran número para
mejorar sus características, mientras que su ocupación de espacio
debe limitarse, por ejemplo cuando estos aparatos son
aerotransportados).
Las líneas L1 y L12 son líneas "replegadas"
con forma general de "V". Sin embargo, según una característica
importante de la invención, los dos brazos de esta "V", en
lugar de ser rectilíneos, tienen cada uno una forma de "escalón
de escalera" presentando, a media altura, un soporte
perpendicular al eje de simetría de la "V" en cada extremo del
cual se conecta un "montante" paralelo al eje de simetría de la
"V". Las líneas sucesivas están dispuestas contrapeadas, con
el fin de acoplarlas de forma óptima y reducir la ocupación de
espacio del filtro. El extremo libre de la línea L12 está
directamente conectado con un bloque metalizado E formado en una
barra de soporte 21 y que constituye el borne de entrada del filtro
20. El extremo libre de la línea L1 está directamente conectado con
un bloque metalizado S formado sobre el substrato 21 y que
constituye el borne de salida del filtro 20. Bien entendido, las
formas y dimensiones de los bornes E y S se determinan con el fin
de conferirlas una impedancia adecuada. Igualmente se entiende que,
si solo se utiliza el filtro pasabanda 20, la entrada del filtro
puede realizarse por el lado de la línea L1, y su salida por el lado
de la línea L12.
Las líneas L1 a Ln (n=12 en el presente ejemplo)
se forman por depósito de capas finas de material supraconductor
sobre la barra 21 de material que presenta pequeñas pérdidas
dieléctricas, tal como MgO. La barra 21 tiene por ejemplo una forma
rectangular, y las líneas L1 a Ln se suceden según una dirección 22
paralela a un lado mayor de la barra 21. Estas líneas tienen una
forma general de "V" y los ejes de simetría de estas "V"
son todos paralelos a una dirección 23 que es perpendicular a la
dirección 22, dirigiéndose alternativamente las aberturas de las
"V" en sentidos contrarios. La "altura" común de todas las
líneas L1 a Ln está referenciada por h (dimensión de las líneas
medida paralelamente a la dirección 23). En el detalle, y como se ha
representado en la figura 4 para cuatro líneas sucesivas
Lm-1, Lm, Lm+2, todas las líneas se realizan del
modo siguiente, como se ha explicado a continuación para la línea
Lm, idéntica a todas las demás líneas, alternándose solo la
orientación de las líneas de una línea a la siguiente.
El eje de simetría de la línea Lm está
referenciado por 24, y solo se describe aquí una mitad de esta línea
(a la izquierda del eje 24, tal como se aprecia en la figura 4),
deduciéndose con ello la otra mitad la simetría con relación al eje
24. La línea Lm comprende un primer tramo rectilíneo 25 que se
extiende sobre prácticamente la mitad de la altura h. Este tramo es
paralelo al eje 24 está con ello distante en aproximadamente h/2. El
tramo 25 es seguido de un tramo 26 que le es perpendicular y se
dirige hacia el eje 24 sin alcanzarlo sin embargo. El tramo 26 se
prolonga por un tramo 27 paralelo al eje 24, que se prolonga así
mismo por un tramo 28 perpendicular al eje 24 y que llega hasta el
eje 24. La otra mitad de la línea Lm se compone de los tramos 25a a
28a, respectivamente simétricos de los tramos 25 a 28 con relación
al eje 24.
Suponiendo D la distancia entre los tramos 25 y
25a. Según un modo de realización preferido, la suma de las
longitudes de los tramos 28 y 28a es sustancialmente igual a D/3, y
de ello resulta que las longitudes de los tramos 26 y 26a son
prácticamente iguales cada una a D/3.
Las líneas sucesivas L1 a Ln están muy próximas
las unas de las otras, con el fin de asegurar entre ellas un
acoplamiento óptimo. Como se ha indicado en la figura 4, la
distancia d entre dos líneas adyacentes es ventajosamente de
algunas decenas de micrómetros y de preferencia inferior a 100
\mum para líneas de filtros que pueden funcionar a frecuencias
comprendidas entre 2 y 20 GHz, por ejemplo.
El filtro de paso bajo 29 de la barra 2.1 se
realiza de forma conocida en sí por lo que respecta a su topología,
residiendo la diferencia importante con relación a los filtros de
paso bajo conocidos que funcionan a frecuencias similares en el
hecho de que los elementos conductores del filtro de paso bajo de la
invención son, no capas metálicas clásicas (Cu, Au,...) sino
compuestos de capas finas supraconductoras depositadas sobre la
misma barra de substrato 21 que la que lleva el filtro pasabanda
descrito anteriormente. Por este motivo, solo se describirá aquí
brevemente el filtro de paso bajo 29. Este filtro 29 comprende
varias células. L-C, por ejemplo nueve células
30.1 a 30.9. Cada una de estas células 30.1 a 30.9 se compone de una
línea estrecha, eventualmente replegada en meandros y haciendo las
veces de inductancia (referenciada 31.3 para la célula 30.3
solamente, para simplificar el dibujo) y por una placa rectangular
(referenciada por 32.3 para la célula 30.3) haciendo las veces de
condensador con la metalización de la otra superficie del substrato
21 (no visible en el dibujo). En el ejemplo representado en la
figura 2, los electrodos de los condensadores de las células 30.1 a
30.8 son de idénticas dimensiones, mientras que las de la célula
30.9 es de dimensiones más pequeñas. Las inductancias de las
células 30.2 a 30.8 son idénticas, mientras que las de las células
30.1 y 30.9 son más pequeñas. El condensador de la última célula
está conectado con un pequeño bloque S1 que constituye el borne de
salida hacia el par siguiente (o hacia el terminal para el par
2.5). Bien entendido, las dimensiones relativas de las inductancias
y de los condensadores de las diferentes células del filtro de paso
bajo se determinan en función de las impedancias relativas del
filtro y de los elementos conectados en su entrada y en su salida,
pudiendo la adaptación de la impedancia ser tomada a cargo por la
primera y la última células, o bien ser progresiva y afectar a
células próximas. Llegado el caso, las formas y dimensiones de los
conductores que unen las células del filtro a los bornes 15 y 16
son tales que estos conductores aseguran una parte de la adaptación
de impedancia. En el ejemplo representado en la figura 2, la
inductancia 30.1 está conectada no directamente al borne de entrada
E, sino a la línea L12 del filtro pasabanda, casi en su centro, pero
se entiende que esta conexión podría realizarse de distinto modo
(inductancia 30.1 conectada directamente con el borne E o en otro
lugar de la línea L12). Bien entendido, no solamente todos los
elementos de cada barra 2.1 a 2.5 son de material supraconductor,
sino igualmente las conexiones entre barras, siendo llevado el
conjunto de circuitos representados en la figura 1 a una temperatura
inferior a la temperatura crítica de este material
supraconductor.
El dispositivo separador descrito aquí presenta
las ventajas siguientes:
- -
- gracias al hecho de que todos sus elementos conductores son de material supraconductor, las pérdidas de inserción que produce son muy reducidas gracias a la baja resistencia de superficie de este material;
- -
- gracias a estas pérdidas de inserción reducidas, se puede conectar el separador en cabeza, inmediatamente detrás de la antena. Este separador es seguido entonces por amplificadores, lo cual suprime o disminuye muy fuertemente los armónicos que, dicho de otro modo se producirían por estos amplificadores;
- -
- se reduce la distorsión de intermodulación de las etapas heterodinas;
- -
- se aumenta la anchura de banda instantánea;
- -
- se aumenta la rigidez de los flancos de la característica atenuación/frecuencia de los filtros de paso bajo y pasabanda, pues se puede aumentar el número de células de cada filtro gracias a su resistencia muy baja;
- -
- se suprime prácticamente todo conflicto entre bandas contiguas gracias al hecho de que los circuitos de los filtros formados en las barras (2.1 a 2.5) puede tener dimensiones muy precisas y gracias al hecho de que las frecuencias se tratan en el orden decreciente de sus valores;
- -
- los agujeros entre bandas contiguas pueden suprimirse por la utilización de dos separadores de bandas desplazadas.
Además, gracias a la refrigeración de los
circuitos supraconductores a una temperatura bien precisa, se
elimina prácticamente cualquier deriva de fase y se elimina la
necesidad de calibrados frecuentes de los receptores.
Claims (2)
1. Dispositivo separador para receptores de
hiperfrecuencias de banda ancha, caracterizado por el hecho
de que comprende un conjunto de pares de filtros pasabanda y de
paso bajo (2.1 a 2.5) y porque en cada par de filtros relacionados
con una banda de frecuencias Fb_{n}-Fh_{n} a
separar de un conjunto de bandas, el filtro pasabanda tiene una
banda pasante comprendida entre Fb_{n} y Fh_{n} (con Fb_{n}
< Fh_{n}), mientras que el filtro de paso bajo tiene una
frecuencia de corte situada en Fh_{n-1}, siendo
todos los filtros de material supraconductor, refrigerado, en
funcionamiento, a una temperatura inferior a la temperatura crítica
de este material, realizándose cada par de filtros en una misma
barra individual (21) y teniendo una entrada común (E) a la cual se
conecta directamente el filtro de paso bajo y el filtro pasabanda de
esta misma barra, y por el hecho de que la salida (S) de banda
separada es la del filtro pasabanda, y porque la salida (S1) hacia
el par siguiente (6, 8, 10, 12) o hacia un terminal (14) es la del
filtro de paso bajo.
2. Dispositivo separador según la reivindicación
1, caracterizado por el hecho de que los pares de filtros
están dispuestos, a partir de la entrada del separador, en el orden
decreciente de las bandas de frecuencias a separar (vía 5 a vía
1).
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