Ученые создали компактные разветвители сигналов для систем связи нового поколения

Ученые разработали два новых типа устройств для разветвления сигналов в системах беспроводной связи. Предложенные приборы компактнее существующих аналогов, кроме того, они практически не ослабляют мощность входящих сигналов и работают в более широком диапазоне частот. Благодаря этим преимуществам устройства могут лечь в основу мощных и компактных усилителей для систем спутниковой связи и мобильного интернета. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Progress In Electromagnetics Research C.

В основе систем беспроводной связи лежат микроволновые схемы — устройства, которые управляют передачей сигналов. Они усиливают сигналы, объединяют несколько сигналов в один канал, преобразуют их частоту. Один из важных элементов таких схем — направленный ответвитель, который перенаправляет сигналы по разным каналам. Его можно сравнить с дорожной развязкой, которая распределяет общий поток машин по направлениям.

Направленный ответвитель имеет четыре порта, расположенных на двух связанных линиях (тонких полосках из проводящего материала) — по два порта на каждой. При подаче сигнала в один из портов вся энергия передается в два других (выходных) порта на любой из линий. Последний четвертый порт остается неактивным. Новейшие реализации пока малоисследованных ответвителей — так называемых поперечно-направленных — имеют относительно большие габариты и работают в узком диапазоне частот. Поэтому для развития высокоскоростных систем связи нужны новые варианты таких ответвителей.

Исследователи из Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (Томск) разработали две оригинальные конструкции поперечно-направленных ответвителей.

Авторы предложили использовать в структуре устройств материалы с высоким значением диэлектрической проницаемости (показателем, важным для большего замедления проходящей электромагнитной волны), включая керамику, на которые нанесли проводящие сигнал линии. Одна из линий (нижняя) в обоих случаях была прямой, а вторая (верхняя) — либо прямой, либо имела вид плотной змейки (в форме меандра). Оба варианта функционально равнозначны, и выбор конструкции зависит лишь от степени доступности диэлектрических материалов, технологических возможностей и экономических соображений. Новые ответвители имеют малые габариты — они на 5–12% меньше других подобных устройств, благодаря чему позволят миниатюризировать устройства связи, в которых будут использоваться.

Испытания подтвердили, что оба варианта ответвителей стабильно работают в широком диапазоне частот (в 1,5–2 раза большем, чем у аналогов) и обеспечивают равное деление мощности сигналов с минимальными потерями. При этом результаты экспериментов хорошо согласовались с данными компьютерного моделирования, что доказывает точность использованных авторами теоретических расчетов и методов проектирования.

«На основе предложенных нами конструкций можно создавать новые схемы балансных усилителей мощности, а также малогабаритные фазовращатели отражательного типа с гальванически развязанными каналами СВЧ и управления для фазированных антенных решеток систем связи и радиолокации следующего поколения», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Сычев, доктор технических наук, профессор кафедры компьютерных систем Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.