RU2803289C1 - Device for bidirectional signal transmission of communication systems through a metal screen - Google Patents

Device for bidirectional signal transmission of communication systems through a metal screen Download PDF

Info

Publication number
RU2803289C1
RU2803289C1 RU2022111151A RU2022111151A RU2803289C1 RU 2803289 C1 RU2803289 C1 RU 2803289C1 RU 2022111151 A RU2022111151 A RU 2022111151A RU 2022111151 A RU2022111151 A RU 2022111151A RU 2803289 C1 RU2803289 C1 RU 2803289C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
screen
metal
resonators
communication systems
frequency
Prior art date
Application number
RU2022111151A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Михайлович Сержантов
Борис Афанасьевич Беляев
Никита Михайлович Боев
Константин Вячеславович Лемберг
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" (ФИЦ КНЦ СО РАН, КНЦ СО РАН)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" (ФИЦ КНЦ СО РАН, КНЦ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" (ФИЦ КНЦ СО РАН, КНЦ СО РАН)
Application granted granted Critical
Publication of RU2803289C1 publication Critical patent/RU2803289C1/en

Links

Abstract

FIELD: radio communication systems.
SUBSTANCE: invention is intended for organizing bidirectional communication channels with devices located inside metal screens and can be used, for example, in medicine for exchanging data with implantable devices enclosed in a metal case; in robotics for data exchange with devices completely enclosed in a metal case. The device for bidirectional signal transmission of communication systems through a metal screen comprises two transceivers and two resonators placed on both sides of the screen. The first resonator is connected to the first transceiver, and the second one to the second transceiver. The resonators have a magnetic coupling coefficient k greater than the critical one. The central operating frequency of the device coincides with the frequency of the second maximum on the amplitude-frequency characteristic of the direct losses of the interacting resonators as measured without a screen.
EFFECT: bidirectional signal transmission of communication systems through a metal screen.
1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области систем радиосвязи и предназначено для организации каналов двунаправленной связи с устройствами, находящимися внутри металлических экранов. Изобретение может быть применено, например, в медицине для обмена данными с имплантируемыми устройствами, заключенными в металлический корпус; в робототехнике - для обмена данными с устройствами, полностью закрытыми в металлический корпус. The invention relates to the field of radio communication systems and is intended for organizing bidirectional communication channels with devices located inside metal screens. The invention can be used, for example, in medicine for exchanging data with implantable devices enclosed in a metal case; in robotics - for exchanging data with devices completely enclosed in a metal case.

Известно устройство для организации каналов двунаправленной передачи сигналов [Скляр, Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс». - 2003. - 1104 с. (прототип)], содержащее два приемопередатчика. Недостатком известной конструкции (прототипа) является невозможность обмена данными между устройствами, в случае, когда одно устройство находится в полностью замкнутом металлическом экране или оба устройства находятся в разных полностью замкнутых металлических экранах с одной общей стенкой.A device is known for organizing channels for bidirectional signal transmission [Sklyar, B. Digital communication. Theoretical foundations and practical application. Ed. 2nd, rev.: Trans. from English - M.: Williams Publishing House. - 2003. - 1104 p. (prototype)], containing two transceivers. A disadvantage of the known design (prototype) is the impossibility of exchanging data between devices in the case where one device is located in a completely closed metal screen or both devices are in different completely closed metal screens with one common wall.

Техническим результатом заявленного решения является обеспечение возможности двунаправленной передачи сигналов систем связи через металлический экран.The technical result of the claimed solution is to enable bidirectional transmission of communication system signals through a metal screen.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в устройстве для двунаправленной передачи сигналов систем связи через металлический экран, содержащем два приемопередатчика, новым является то, что содержит экран, а с двух сторон экрана дополнительно размещены два СВЧ-резонатора, причем первый подключен к первому приемопередатчику, а второй - ко второму, при этом эти два СВЧ-резонатора имеют коэффициент магнитной связи k больше критического, а центральная рабочая частота устройства примерно совпадает с частотой второго максимума на амплитудно-частотной характеристике прямых потерь взаимодействующих СВЧ-резонаторов, измеренной без экрана.The claimed technical result is achieved by the fact that in a device for bidirectional transmission of communication system signals through a metal screen containing two transceivers, what is new is that it contains a screen, and on both sides of the screen two additional microwave resonators are placed, the first being connected to the first transceiver, and the second - to the second, while these two microwave resonators have a magnetic coupling coefficient k greater than the critical one, and the central operating frequency of the device approximately coincides with the frequency of the second maximum on the amplitude-frequency characteristic of direct losses of interacting microwave resonators, measured without a screen.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием двух СВЧ-резонаторов, размещаемых с двух сторон металлического экрана. Каждый СВЧ-резонатор подключен к своему приемопередатчику. Существенно, что СВЧ-резонаторы расположены таким образом и имеют такие характеристики, что коэффициент их магнитной связи k больше критического, т.е. на амплитудно-частотной зависимости коэффициента передачи, измеренной без экрана, наблюдается два максимума передачи сигнала. При этом центральная рабочая частота систем связи примерно совпадает с частотой второго максимума.A comparative analysis with the prototype shows that the claimed device is distinguished by the presence of two microwave resonators located on both sides of the metal screen. Each microwave resonator is connected to its own transceiver. It is important that microwave resonators are located in such a way and have such characteristics that their magnetic coupling coefficient k is greater than the critical one, i.e. On the amplitude-frequency dependence of the transmission coefficient, measured without a screen, two signal transmission maxima are observed. In this case, the central operating frequency of the communication systems approximately coincides with the frequency of the second maximum.

Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».Thus, the characteristics listed above that are distinctive from the prototype allow us to conclude that the proposed technical solution meets the “novelty” criterion.

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».The features that distinguish the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions and, therefore, ensure that the claimed solution meets the “inventive step” criterion.

Данное изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображено устройство для двунаправленной передачи сигналов систем связи через металлический экран. На фиг. 2 показан разрез металлического экрана в области размещения СВЧ-резонаторов. На фиг. 3 показаны расчетные зависимости модуля коэффициента передачи системы для двух случаев: без металлического экрана между СВЧ-резонаторами и с экраном. На фиг. 4 показаны модуль коэффициента передачи и модуль коэффициента отражения на рабочих частотах системы. На фиг. 5 показаны зависимости толщины скин-слоя от частоты для различных материалов.This invention is illustrated by drawings. In fig. 1 shows a device for bidirectional transmission of communication system signals through a metal screen. In fig. Figure 2 shows a section of a metal screen in the area where microwave resonators are located. In fig. Figure 3 shows the calculated dependences of the modulus of the system transmission coefficient for two cases: without a metal screen between the microwave resonators and with a screen. In fig. Figure 4 shows the modulus of the transmission coefficient and the modulus of the reflection coefficient at the operating frequencies of the system. In fig. Figure 5 shows the dependence of the skin layer thickness on frequency for various materials.

Устройство для двунаправленной передачи сигналов систем связи через металлический экран содержит (фиг. 1) два приемопередатчика - (1) и (2), разделенных металлическим экраном (3). Возможны разные варианты исполнения конструкции. Например, металлический экран (3) может быть реализован в виде большого металлического листа, размеры которого в плоскости на порядки превышают рабочую длину волны систем связи. Возможен случай, когда один из приемопередатчиков, например, приемопередатчик (1) размещен в полностью замкнутом металлическом экране (4), а приемопередатчик (2) размещен снаружи этого экрана - в открытом пространстве. Также возможна ситуация, когда как приемопередатчик (1) находится в полностью замкнутом металлическом экране (4), так и приемопередатчик (2) находится в своем металлическом полностью замкнутом экране (5). В этом случае металлические экраны (4) и (5) должны иметь одну общую стенку. С двух сторон металлического экрана (3) размещены (фиг. 2), например, коаксиальные разъемы (6) и (7), подключенные к СВЧ-резонаторам (8) и (9). Важно отметить, что приемопередатчики (1) и (2) могут быть подключены (фиг. 1) как с помощью волноведущих структур к СВЧ-резонаторам (8 и 9 на фиг. 2), так и могут быть связаны через ближнее электромагнитное поле или посредством радиоволн - с использованием антенн. СВЧ-резонаторы (8) и (9) разделяет металлическая перегородка (10), являющаяся частью экрана (3). Толщина перегородки выбирается сравнимой с толщиной скин-слоя в выбранном материале для заданного диапазона частот. Таким образом, целостность металлического экрана (3) не нарушается, один из приемопередатчиков (1) или (2), или оба приемопередатчика (1) и (2) могут оставаться в полностью замкнутом металлическом экране. Конструкция СВЧ-резонаторов (8) и (9) может быть любой и выбирается исходя из рабочего диапазона частот, а также из конструктивных соображений. Например, на диапазон частот 2,45 ГГц СВЧ-резонаторы могут быть изготовлены в полосковом исполнении. При этом параметры СВЧ-резонаторов (8) и (9) и их расположение должны быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить величину их магнитной связи k больше критической, т.е. такой, когда на амплитудно-частотной характеристике прямых потерь, в отсутствие металлической перегородки (10), будут наблюдаться два максимума передачи энергии. Рабочий диапазон частот соответствует второму (высокочастотному) максимуму.A device for bidirectional transmission of communication system signals through a metal screen contains (Fig. 1) two transceivers - (1) and (2), separated by a metal screen (3). Various design options are possible. For example, the metal screen (3) can be implemented in the form of a large metal sheet, the dimensions of which in the plane are orders of magnitude greater than the operating wavelength of communication systems. A case is possible when one of the transceivers, for example, the transceiver (1) is placed in a completely closed metal screen (4), and the transceiver (2) is located outside this screen - in open space. It is also possible that both the transceiver (1) is located in a completely closed metal screen (4) and the transceiver (2) is located in its own completely closed metal screen (5). In this case, metal screens (4) and (5) must have one common wall. On both sides of the metal screen (3) are placed (Fig. 2), for example, coaxial connectors (6) and (7), connected to microwave resonators (8) and (9). It is important to note that transceivers (1) and (2) can be connected (Fig. 1) both using waveguide structures to microwave resonators (8 and 9 in Fig. 2), and can be connected through a near electromagnetic field or through radio waves - using antennas. The microwave resonators (8) and (9) are separated by a metal partition (10), which is part of the screen (3). The thickness of the partition is selected comparable to the thickness of the skin layer in the selected material for a given frequency range. Thus, the integrity of the metal screen (3) is not compromised, one of the transceivers (1) or (2), or both transceivers (1) and (2) can remain in a completely enclosed metal screen. The design of microwave resonators (8) and (9) can be any and is selected based on the operating frequency range, as well as design considerations. For example, for the frequency range of 2.45 GHz, microwave resonators can be manufactured in stripline design. In this case, the parameters of the microwave resonators (8) and (9) and their location must be chosen in such a way as to ensure that the value of their magnetic coupling k is greater than the critical value, i.e. such that in the amplitude-frequency characteristic of direct losses, in the absence of a metal partition (10), two maxima of energy transfer will be observed. The operating frequency range corresponds to the second (high-frequency) maximum.

Устройство для двунаправленной передачи сигналов систем связи через металлический экран работает следующим образом (фиг. 1). Сигнал от одного из приемопередатчиков (1) или (2) поступает (фиг. 2) на соответствующий СВЧ-резонатор - (8) или (9). Поскольку СВЧ-резонаторы (8) и (9) являются электромагнитно связанными колебательными системами, то происходит расщепление частот их связанных колебаний. На частоте нижайшей (первой) моды колебаний в металлической перегородке (10), разделяющей СВЧ-резонаторы (8) и (9), наводятся синфазные токи, что приводит к большому уровню потерь. Тогда как на частоте второй моды колебаний в металлической перегородке (10) наводятся противофазные токи, которые взаимно компенсируют друг друга - сигналы от приемопередатчиков (1) и (2) передаются друг другу практически без ослаблений.A device for bidirectional transmission of communication system signals through a metal screen operates as follows (Fig. 1). The signal from one of the transceivers (1) or (2) is supplied (Fig. 2) to the corresponding microwave resonator - (8) or (9). Since microwave resonators (8) and (9) are electromagnetically coupled oscillatory systems, the frequencies of their coupled oscillations are split. At the frequency of the lowest (first) oscillation mode, common-mode currents are induced in the metal partition (10) separating the microwave resonators (8) and (9), which leads to a high level of losses. While at the frequency of the second oscillation mode, antiphase currents are induced in the metal partition (10), which mutually cancel each other out - signals from transceivers (1) and (2) are transmitted to each other practically without attenuation.

Эффективность работы устройства для двунаправленной передачи сигналов систем связи через металлический экран была оценена с использованием численного 3D-моделирования. Для этого была создана электродинамическая модель устройства на диапазон частот 2,45 ГГц, включающая закрытый цилиндрический экран с внутренним диметром 4 мм и высотой 5 мм, в котором размещался первый СВЧ-резонатор. Второй СВЧ-резонатор размещался в открытом виде на одной из плоских стенок первого экрана. Два одинаковых СВЧ-резонатора образованы медными полосковыми проводниками шириной 1,2 мм и длиной 3,7 мм. Один конец полосковых проводников замкнут на землю, а второй нагружен на емкость величиной 2,2 пФ. Расстояние между внутренними поверхностями полосковых проводников двух СВЧ-резонаторов - 0,3 мм, при этом толщина экрана - 200 мкм, а проводимость - 166 См/м. Важно отметить, что в качестве материала экрана может быть выбрана медь, в этом случае толщина экрана за счет уменьшения глубины скин-слоя должна составить примерно 0,3 мкм. На фиг. 3 и фиг. 4 показаны результаты моделирования. Кривая (11) показывает модуль коэффициента S21. Видно, что на частотах выше полосы пропускания наблюдается значительное затухание сигнала вплоть до верхней частоты моделирования - 100 ГГц. На практике ожидается подавление высокочастотных сигналов вплоть до оптических частот. Кривая (12) показывает модуль коэффициента S21 для случая, когда между СВЧ-резонаторами отсутствует экран. Хорошо видно, что такая система не подавляет сигналы на частотах, выше полосы пропускания. Кривые (13) и (14) на фиг. 4 показывают модули S21 и S11 в области частот полосы пропускания устройства. Потери в полосе пропускания составляют менее 3 дБ.The performance of the device for bidirectional transmission of communication system signals through a metal shield was evaluated using 3D numerical simulation. For this purpose, an electrodynamic model of the device was created for the frequency range of 2.45 GHz, including a closed cylindrical screen with an internal diameter of 4 mm and a height of 5 mm, in which the first microwave resonator was located. The second microwave resonator was placed openly on one of the flat walls of the first screen. Two identical microwave resonators are formed by copper strip conductors 1.2 mm wide and 3.7 mm long. One end of the strip conductors is shorted to ground, and the other is loaded with a capacitance of 2.2 pF. The distance between the inner surfaces of the strip conductors of the two microwave resonators is 0.3 mm, while the thickness of the screen is 200 μm, and the conductivity is 166 S/m. It is important to note that copper can be chosen as the screen material; in this case, the thickness of the screen due to a decrease in the skin layer depth should be approximately 0.3 microns. In fig. 3 and fig. Figure 4 shows the simulation results. Curve (11) shows the magnitude of the coefficient S 21 . It can be seen that at frequencies above the passband there is significant signal attenuation up to the upper simulation frequency of 100 GHz. In practice, suppression of high-frequency signals up to optical frequencies is expected. Curve (12) shows the magnitude of the coefficient S 21 for the case when there is no screen between the microwave resonators. It is clearly seen that such a system does not suppress signals at frequencies above the passband. Curves (13) and (14) in Fig. 4 shows modules S 21 and S 11 in the frequency region of the device bandwidth. The passband loss is less than 3 dB.

Устройство для двунаправленной передачи сигналов систем связи через металлический экран удовлетворяет заявленному техническому результату, а именно позволяет обеспечить возможность двунаправленного обмена данными между устройствами, находящимися в металлических экранах. Кроме этого, устройство дополнительно осуществляет подавление высоких частот - вплоть до оптического диапазона. Устройство может быть использовано для организации каналов передачи цифровой информации с имплантируемыми медицинскими устройствами, с роботизированными платформами, работающими внутри замкнутых металлических конструкций и т.д. Область применимости изобретения ограничена толщиной скин-слоя в материале экрана для рабочего диапазона частот. Для информации на фиг. 5 показаны зависимости толщины скин-слоя от частоты для меди (15), нихрома (16) и для материала (17) с проводимостью 166 См/м, использованного при моделировании устройства. Как видно, например, для медного экрана с толщиной стенки 1 мм рабочая частота должна быть не выше 5 кГц, тогда как при толщине медной стенки 1 мкм возможна передача сигналов уже на частотах до 1 ГГц. В случае экранирования с использованием материалов с низкой проводимостью, допустимая толщина возрастает. Например, для экрана из нихрома с толщиной стенки 1 мм возможна работа на частотах до 250 кГц, а при толщине стенки 10 мкм - выше 2 ГГц. Необходимо отметить, что заданная толщина стенки может быть реализована только в области размещения резонаторов устройства.A device for bidirectional transmission of communication system signals through a metal screen satisfies the stated technical result, namely, it allows for bidirectional data exchange between devices located in metal screens. In addition, the device additionally suppresses high frequencies - up to the optical range. The device can be used to organize channels for transmitting digital information with implantable medical devices, with robotic platforms operating inside closed metal structures, etc. The scope of applicability of the invention is limited by the thickness of the skin layer in the screen material for the operating frequency range. For information, FIG. Figure 5 shows the dependence of the skin layer thickness on frequency for copper (15), nichrome (16) and for material (17) with a conductivity of 166 S/m, used in modeling the device. As can be seen, for example, for a copper screen with a wall thickness of 1 mm, the operating frequency should be no higher than 5 kHz, whereas with a copper wall thickness of 1 micron, signal transmission is possible at frequencies up to 1 GHz. In case of shielding using materials with low conductivity, the permissible thickness increases. For example, for a nichrome screen with a wall thickness of 1 mm, it is possible to operate at frequencies up to 250 kHz, and with a wall thickness of 10 microns - above 2 GHz. It should be noted that a given wall thickness can only be realized in the area where the resonators of the device are located.

Claims (1)

Устройство для двунаправленной передачи сигналов систем связи через металлический экран, содержащее два приемопередатчика, отличающееся тем, что с двух сторон экрана дополнительно размещены два резонатора, причем первый подключен к первому приемопередатчику, а второй - ко второму, при этом эти два резонатора имеют коэффициент магнитной связи k больше критического, а центральная рабочая частота устройства совпадает с частотой второго максимума на амплитудно-частотной характеристике прямых потерь взаимодействующих резонаторов, измеренной без экрана.A device for bidirectional transmission of communication system signals through a metal screen, containing two transceivers, characterized in that two resonators are additionally placed on both sides of the screen, the first being connected to the first transceiver, and the second to the second, and these two resonators have a magnetic coupling coefficient k is greater than critical, and the central operating frequency of the device coincides with the frequency of the second maximum in the amplitude-frequency characteristic of direct losses of interacting resonators, measured without a screen.
RU2022111151A 2022-04-22 Device for bidirectional signal transmission of communication systems through a metal screen RU2803289C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2803289C1 true RU2803289C1 (en) 2023-09-12

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1993004540A1 (en) * 1991-08-21 1993-03-04 L.S. Research, Inc. System for short-range transmission of signals over the air using a high frequency carrier
RU2366083C1 (en) * 2008-02-26 2009-08-27 ФГУ "24 Центральный научно-исследовательский институт Министерства обороны РФ" System for two-way microwave wireless communication
JP2012105478A (en) * 2010-11-11 2012-05-31 Sony Corp Transmission device, electronic equipment, and transmission method
RU2662384C1 (en) * 2017-04-26 2018-07-25 Алексей Викторович Шторм Led screen with wireless data transfer bus (options)
RU2715030C2 (en) * 2010-05-18 2020-02-21 Сони Семикондактор Солюшнз Корпорейшн Signal transmission system, connector device, electronic device and signal transmission method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1993004540A1 (en) * 1991-08-21 1993-03-04 L.S. Research, Inc. System for short-range transmission of signals over the air using a high frequency carrier
RU2366083C1 (en) * 2008-02-26 2009-08-27 ФГУ "24 Центральный научно-исследовательский институт Министерства обороны РФ" System for two-way microwave wireless communication
RU2715030C2 (en) * 2010-05-18 2020-02-21 Сони Семикондактор Солюшнз Корпорейшн Signal transmission system, connector device, electronic device and signal transmission method
JP2012105478A (en) * 2010-11-11 2012-05-31 Sony Corp Transmission device, electronic equipment, and transmission method
RU2662384C1 (en) * 2017-04-26 2018-07-25 Алексей Викторович Шторм Led screen with wireless data transfer bus (options)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2311134B1 (en) Waveguides and transmission lines in gaps between parallel conducting surfaces
JP3289694B2 (en) High frequency circuit device and communication device
JP6200613B1 (en) Diplexer and transmission / reception system
US20210249746A1 (en) Dielectric filter and communications device
CN107210510A (en) Dielectric resonator and wave filter
US6104261A (en) Dielectric resonator having a resonance region and a cavity adjacent to the resonance region, and a dielectric filter, duplexer and communication device utilizing the dielectric resonator
KR100997469B1 (en) Transition between a microstrip circuit and a waveguide and outside transmission reception unit incorporating the transition
KR100967153B1 (en) Waveguide magic t
EP1052721A2 (en) Corrugated waveguide filter having coupled resonator cavities
RU2803289C1 (en) Device for bidirectional signal transmission of communication systems through a metal screen
JP5755546B2 (en) Power combiner / distributor, power amplifier circuit, and radio apparatus
CN112054272A (en) SIW filter for Q-band transceiving front end
JPH08265007A (en) Planar dielectric line and integrated circuit
CN103474729A (en) Multi-frequency band elimination filter
WO2020140554A1 (en) Millimetre wave ltcc filter
Patel et al. Design and performance analysis of metallic posts coupled SIW‐based multiband bandpass and bandstop filter
EP3386028A1 (en) Combiner
CN104167578B (en) Substrate integration wave-guide band pass filter
CN105720340A (en) Compact type band-pass filter containing low-frequency transmission zero
CN212323182U (en) SIW filter for Q-band transceiving front end
CN113394527B (en) Single-layer clip type waveguide amplitude limiting structure and waveguide amplitude limiter
CN111313133B (en) Double-layer filter and harmonic wave improving method
JP2014174156A (en) Dielectric property measuring device
Xu et al. Novel slotted stepped‐impedance resonator and its application to compact and high performance bandpass filter and diplexer design
Krutiev et al. Narrow-Band Waveguide Filter on Complex Resonant Diaphragms