Зачем объединять диапазоны
На одной мачте или в одном корпусе часто работают несколько радиосистем на разных частотах: Wi-Fi 2,4 и 5 ГГц, два диапазона радиорелейной станции, несколько сигналов навигации. Тянуть к каждой свою антенну и свой кабель неудобно: не хватает места на мачте и растёт вес. Диплексер объединяет два диапазона на один фидер или одну антенну, триплексер — три, мультиплексер — больше.
Внутри — несколько полосовых фильтров, соединённых в общей точке. Каждый пропускает свой диапазон и отражает остальные. Правильно рассчитанное соединение делает так, что для сигнала своего диапазона чужие фильтры в общей точке выглядят как разрыв, и он уходит только в свой канал.
Слева — диплексер Wi-Fi 2,4/5,8 ГГц, справа — триплексер для трёх диапазонов спутниковой навигации. Обе модели есть в каталоге.
Диплексер, дуплексер, сумматор — в чём разница
| Устройство | Что делает | Типичная задача |
|---|---|---|
| диплексер | разделяет два разных диапазона на общем порту | две системы на одной антенне |
| триплексер | то же для трёх диапазонов | навигация L1/L2/L5, три оператора |
| дуплексер | разделяет приём и передачу одной системы | базовая станция на одной антенне |
| сумматор (делитель) | складывает сигналы одной полосы, теряя 3 дБ на каждое удвоение | несколько передатчиков без разноса частот |
| гибридный сумматор | то же с развязкой между входами | объединение каналов в DAS |
Главное отличие диплексера от простого сумматора — почти нулевые потери: сигнал каждого диапазона проходит только через свой фильтр, потери 0,4–2,5 дБ у моделей каталога. Сумматор на два входа всегда теряет половину мощности, то есть 3 дБ, но работает при любых частотах.
Разнос полос определяет сложность
Чем ближе диапазоны друг к другу, тем круче должен быть скат фильтра между ними и тем больше в нём резонаторов. Для оценки удобен фильтр Чебышева: по ширине полосы канала, частоте, на которой нужна развязка, и самой развязке считается порядок фильтра — число резонаторов. Мы посчитали его для каждого диплексера каталога:
Оценка по полосовому прототипу Чебышева с пульсациями 0,1 дБ для нижнего канала; реальные фильтры бывают на один-два резонатора короче за счёт нулей передачи.
Разброс большой. Диплексеру ДП-2400-5850-1 хватает 2 резонаторов: каналы разнесены больше чем вдвое. Самый сложный — ДП-20-8000-1: зазор до соседнего канала (16 %) намного меньше ширины самого канала, и нужно 14 резонаторов. При этом волноводному диплексеру WR62 с зазором 9 % хватает четырёх: его каналы узкие, всего 2 % от частоты. Отсюда и размер: диплексер 2,4/5,8 ГГц помещается в корпус размером со спичечный коробок, а фильтры с крутыми скатами заметно крупнее.
Сократить число резонаторов помогают нули передачи: перекрёстные связи между несоседними резонаторами создают на скате точку почти полного подавления. Её ставят как раз на край соседнего канала, и фильтр с шестью резонаторами работает как восьмизвенный. Такие фильтры сложнее настраивать, но для диплексеров с узким зазором это стандартное решение — и в коаксиальных резонаторных, и в волноводных конструкциях.
Считайте в процентах. Разнести каналы на 5 % на 2 ГГц так же трудно, как на 5 % на 20 ГГц: сложность задают зазор и ширина канала в процентах от частоты, а не абсолютная частота.
Характеристики диплексера
Развязка между каналами
Развязка показывает, какая часть сигнала одного канала просачивается в другой. Для двух приёмников хватает 30–50 дБ. Если в одном канале передатчик, а в другом приёмник, нужна развязка 70–90 дБ: иначе мощный сигнал передатчика забьёт вход приёмника даже вне его полосы. У волноводных диплексеров каталога развязка до 85 дБ.
Вносимые потери
Потери в полосе складываются из потерь резонаторов: чем их больше и чем уже полоса, тем выше потери. Волноводные резонаторы имеют высокую добротность, поэтому волноводные диплексеры при большом числе резонаторов теряют 0,4–0,6 дБ. Коаксиальные и полосковые — 1–2,5 дБ.
Мощность и интермодуляция
Если через диплексер идут передатчики, важны допустимая мощность и пассивная интермодуляция. Продукты смешивания двух передатчиков на плохом контакте могут попасть в полосу приёма. Для базовых станций и мощных трактов используют диплексеры с посеребрёнными резонаторами и разъёмами 4.3-10 или 7/16.
Коаксиальные, волноводные, для спутниковых облучателей
В каталоге KADAMM три семейства. Коаксиальные диплексеры (7 моделей) с разъёмами SMA и 2,92 мм — для связи, навигации и измерительных стендов до 18 ГГц. Волноводные (7 моделей) — для радиорелейных станций на 5–86 ГГц, где нужна высокая развязка приёма и передачи в одной антенне. Диплексеры облучателей спутниковых антенн (14 моделей) разделяют передачу и приём в диапазонах C, Ku и Ka с развязкой до 85 дБ и мощностью до киловатт. Триплексер для трёх диапазонов навигации — отдельная модель на 50 Вт.
| Модель | Канал 1, ГГц | Граница канала 2, ГГц | Развязка, дБ | Резонаторов (оценка) |
|---|---|---|---|---|
| ДП-2400-5850-1 | 2,4–2,485 | 5,715 | 50* | 2 |
| ДП-7145-9000-1 | 7,145–7,25 | 7,7 | 50* | 3 |
| ДП-WR62 | 13–13,25 | 14,5 | 70 | 4 |
| ДП-WR159 | 4,65–4,85 | 5 | 40 | 5 |
| ДП-WR42 | 19,2–21,2 | 29 | 85 | 5 |
| ДП-WR75 | 12,25–12,75 | 13,75 | 70 | 5 |
| ТП-1163-1588-1 | 1,163–1,19 | 1,214 | 50* | 5 |
| ДП-2025-2300-1 | 2,025–2,12 | 2,2 | 50 | 6 |
| ДП-WR12 | 71–76 | 81 | 55 | 6 |
| ДП-20-8000-1 | 0,02–0,8 | 0,93 | 45 | 14 |
Как соединяют фильтры
Просто запараллелить два фильтра нельзя: каждый нагрузит общий порт своим входным сопротивлением и испортит соседу согласование. Поэтому длину линий от общей точки до каждого фильтра подбирают так, чтобы в полосе соседа фильтр выглядел как разомкнутая цепь. В волноводных диплексерах общей точкой служит Е- или Н-тройник, в многоканальных — общий волновод-коллектор, к которому фильтры подключены на рассчитанных расстояниях. После сборки крайние резонаторы подстраивают винтами по анализатору цепей.
Мультиплексеры
Для четырёх и более каналов строят мультиплексеры — несколько фильтров на общем коллекторе. Их ставят на выходе передатчиков спутников и в системах, где много каналов идёт в одну антенну. Сложность растёт быстрее числа каналов: каждый новый фильтр влияет на все остальные, и настройка превращается в итерации по всем каналам сразу.
Температура и подстройка
Частота резонатора зависит от его размеров, а размеры — от температуры. Алюминиевый резонатор на 10 ГГц уходит примерно на 230 кГц на каждый градус; на перепаде 60 °C это 14 МГц — много для диплексера с зазором в десятки мегагерц. Для узких зазоров применяют инвар, керамические резонаторы или температурную компенсацию конструкцией.
Как проверить диплексер
Диплексер — трёхпортовое устройство, и проверяют его анализатором цепей по всем путям: потери из общего порта в каждый канал, КСВН каждого порта и развязку между каналами. Развязку меряют в полосе обоих каналов: часто она хуже всего на скате, у края соседнего диапазона. Для мощных диплексеров отдельно проверяют интермодуляцию двумя тонами.
Типичные ошибки
- Берут диплексер «впритык» по полосе, и при нагреве край канала уходит на скат фильтра.
- Не учитывают развязку, нужную для пары передатчик — приёмник, и глушат собственный приёмник.
- Ставят сумматор вместо диплексера и теряют 3 дБ там, где можно было не терять ничего.
- Оставляют неиспользуемый порт диплексера открытым: отражение от него портит общий порт — ставьте согласованную нагрузку.
Где применяют
- Точки доступа и мосты Wi-Fi: 2,4 и 5 ГГц на одну двухдиапазонную антенну.
- Радиорелейные станции: приём и передача в разнесённых полосах через одну антенну.
- Навигационные приёмники: разделение L1, L2, L5 для отдельных трактов или фильтрации.
- Системы связи и DAS: объединение диапазонов операторов на общую распределительную сеть.
- Спутниковые терминалы: разделение передачи и приёма в облучателе.
- Измерительные стенды: разделение гармоник и основной частоты при испытаниях.
Отдельный случай — диплексеры спутниковых облучателей. Они стоят прямо за рупором, разделяют передачу на 6 или 14 ГГц и приём на 4 или 12 ГГц и должны пропускать киловатты передатчика, не пуская их шум в малошумящий конвертер. Поэтому в них сочетаются волноводный фильтр передачи, фильтр приёма и ортомодовый переход для двух поляризаций.
Как выбрать диплексер
- Полосы обоих каналов с запасом по краям — фильтры не любят работу на скатах.
- Развязка: 30–50 дБ для двух приёмников, 70–90 дБ для пары передатчик — приёмник.
- Потери в каждом канале и КСВН общего порта.
- Мощность и интермодуляция, если через диплексер идёт передатчик.
- Тип линии: коаксиальный разъём или волноводный фланец под тракт.
- Температурная стабильность: при узком зазоре уход частоты фильтра с нагревом критичен.
Модели KADAMM
Диплексеры и триплексеры — в разделах многополосных сумматоров и волноводных фильтров KADAMM.
| Моделей | 7 |
| Моделей | 7 |
| Моделей | 14 |
| Моделей | 1 |