14.1.3. Применение направленных ответвителей и мостов

Деление (суммирование) мощности. В диапазоне СВЧ часто приходится осуществлять либо деление входной мощности на нес­колько частей, либо сложение в общей нагрузке мощностей двух или большего числа передатчиков, работающих как на одинако­вых, так и на разных частотах. Применение направленных ответ­вителей и мостов для деления входной мощности на две (в общем случае неравные) части не требует дополнительных пояснений.

Следует отметить, что при этом устраняется взаимное влия­ние неидеально согласованных нагрузок, подключаемых к выход­ным плечам, между волнами в выходных плечах может появляться дополнительный сдвиг по фазе.

Одна из возможных схем сложения мощностей двух пере­датчиков, имеющих одинаковую выходную мощность Р_о и рабо­тающих на одинаковой частоте f₀, показана на рис. 14.17. В схеме применен шлейфный ответвитель на основе коаксиальной линии с коэффициентом связи К= 0,707 (или К _[ДБ]=-3 дБ). Сигналы с выхо­да каждого передатчика с помощью подводящих коаксиальных линий подаются в плечи 2 и 3 ответвителя. К плечу 4 подклю­чается поглощающая нагрузка. Пусть амплитуды векторов Е волн, создаваемых передатчиками на входах 2 и 3, равны, а фаза вектора Е на входе плеча 2 отстает на π/2 от фазы вектора Е на входе 3. При этом в каждом выходном плече 1 и 4 появятся по две волны с равными амплитудами вектора Е, причем фазы векторов Е волн в плече 1 одинаковы, а в плече 4 отличаются на п. Суммарная волна, переносящая мощ­ность 2Ро, будет распростра­няться в подводящей линии плеча 1. В плечо 4 мощность не поступает. Это может служить удобным критерием правильной настройки схемы сложения. Из­менение амплитуды или фазы

волны, поступающей от одного из передатчиков, приводит к тому, что часть суммарной мощности будет поступать в поглощающую нагрузку. Однако при этом режим работы второго передатчика не изменяется. При выходе из строя одного из передатчиков Только половина мощности другого передатчика поступит на выход, т.е. мощность на выходе уменьшается в 4 раза от 2Р₀ до Р₀/2. Чтобы избежать этого, схему сложения дополняют системой обхода ответвителя, позволяющей выход работающего передатчика под­ключить непосредственно к выходу схемы сложения. Аналогично строятся схемы сложения на кольцевых, щелевых и иных мостах.

При делении мощности на несколько частей применяют более сложные схемы. На рис. 14.18 показана микрополосковая конст­рукция, осуществляющая деление входного сигнала на три равные части. Она состоит из двух ответвителей на связанных линиях, соединенных между собой отрезком линии длиной l. Обычно lвыбирают из конструктивных соображений, чаще всего используют l= Λ₀/4, что обеспечивает большую полосу согласования на входе схемы. Развязанные плечи каждого ответвителя нагружены на поглощающие нагрузки. Для получения одинаковых мощностей в выходных плечах схемы (Р₂=Рз=Р₄=Р₁/3) выберем для первого ответвителя коэффициент связи а для второго К₂ == √1/2, поскольку в первом ответвляется 1/3, а во втором 1/2 мощности, поступающей на вход соответствующего ответвителя.

Выбирая соответствующим образом величины коэффици­ентов К₁ и К₂, в рассматриваемой схеме можно получить и требуемое неравное деление входной мощности между выход­ными плечами. Если в каждой подводящей линии провести плоскость отсчета фаз вектора Е распространяющихся волн, совпадающую с местом стыка подводящей линии со связанными линиями, то по сравнению с фазой вектора Е в плоскости отсчета плеча 2 фаза вектора Е в плоскости отсчета плеча 3 будет отставать на π, а фаза вектора Е в плоскости отсчета плеча 4 будет отставать на 3π/2. Отметим, что подобные результаты получены в пренебрежении влиянием реактивных полей, возникающих вблизи неоднородностей конструкции, на фазу распрост­раняющихся волн (в эквивалентной схеме неоднородностей отсут­ствуют реактивные элементы).

Более подробно с различными схемами многоканальных де­лителей (сумматоров) мощности на основе направленных ответвителей и мостов можно ознакомиться в [40, 47].

Схемы фазовращателей. Если в выходные плечи 2 и 3 щелевого моста (см. рис. 14.12) на одинаковом расстоянии от вы­хода щели поместить короткозамкнутые поршни, образуется конструкция механического фазовращателя. Одновременное пере­мещение поршней в плечах 2 и 3 моста на расстояние ∆l вызовет на расчетной частоте f₀ изменение лишь фазы составляющих поля волны, полностью проходящей из плеча 1 в плечо 4, на величину

Если же вместо поршней в каждом выходном плече 2 и 3 щелевого моста на одинаковом расстоянии от конца щели уста­новить на расстоянии l друг от друга несколько резонансных диафрагм, в зазорах которых расположены p-i-n диоды (рис. 14.19), то образуется конструкция проходного дискретного фазовраща­теля с дискретом фазы на расчетной частоте.

Микрополосковая конструкция дискретного фазовращателя на два фазовых состояния с дискретом ∆φ=π может быть получена на основе шлейфного ответвителя (рис. 14.9) или ответвителя на связанных линиях (рис.14.6), для которых К= 0,707 (К=3 дБ), если к выходным плечам 2 и 3 подключить разомкнутые на конце от­резки микрополосковой линии одинаковой длины, а на конце каждого отрезка между полоской и экраном установить p-i-n диоды. Наличие положительного смещения на p-i-n диодах обеспечивает режим короткого замыкания на концах отрезков, а его отсутствие-режим холостого хода. Входной сигнал, подаваемый в плечо 1 ответвителя, делится на два сигнала, выходящие в плечи 2 и 3, при этом амплитуды сигналов одинаковы, а фазы отличаются на π/2. Поступившие в плечи 2 и 3 сигналы отражаются от концов отрезков, к которым подключены p-i-n диоды, причем фазы отраженных сигналов зависят от входного сопротивления p-i-n дио­дов, а значит, от наличия или отсутствия положительного сме­щения на них. Отраженные сигналы складываются синфазно в плече 4 ответвителя и поступают на выход фазовращателя.

Балансный антенный переключатель. Антенные переклю­чатели применяются в импульсных радиолокационных станциях, в которых приемник и передатчик работают на одну антенну. Так как импульсная мощность передатчика велика, а приемник обладает весьма высокой чувствительностью, то антенный переключатель обеспечивает следующие функции: в режиме передачи он под­ключает выход передатчика к антенне и предохраняет входные цепи приемника от мощности передатчика в режиме приема переключатель соединяет антенну с входом приемника и бло­кирует выход передатчика, чтобы энергия принимаемых сигналов не рассеивалась в выходных цепях передатчика. Частота пере­ключения зависит от длительности излучаемых передатчиком импульсов, назначения станции, а также некоторых других фак­торов и может достигать нескольких тысяч раз в секунду. Основ­ным элементом антенного переключателя является искровой раз­рядник, простейшая конструкция которого показана на рис. 14.20. Это герметичный отрезок прямоугольного волновода, заполненный смесью паров воды с аргоном или водородом при низком дав­лении. На входе и выходе разрядника установлены резонансные диафрагмы 1, герметизированные пластинами из стекла, слюды или керамики. Внутри разрядника расположены конусные разряд­ные электроды 2, которые при отсутствии между ними разряда представляют собой емкостные стержни. В том же сечении с разрядными электродами размещается индуктивная диафрагма 3, образующая совместно с разрядными электродами при отсутствии между ними разряда резонатор. Слабые электромагнитные сигна­лы на частоте, соответствующей резонансной частоте диафрагм на входе и выходе и резонансной частоте резонатора, проходят через разрядник практически без отражения. Под влиянием эле­ктрического поля мощного сигнала от передатчика в разряднике между электродами 2 возникает и поддерживается электрический разряд, в результате чего сигнал полностью отражается от разрядника.

На рис. 14.21 показана схема антенного переключателя состоящая из двух щелевых мостов, между которыми размещен; сдвоенная секция разрядника (два одинаковых разрядника, раз­мещенные в выходных плечах первого щелевого моста на оди­наковом расстоянии от конца его щели). Выход передатчика под­ключается к плечу 1 схемы (рис.14.21), вход приемника- к выходу плеча 2, а антенна- к выходу плеча 4. Мощный импульс от пере­датчика, вызывая электрический разряд в разрядниках, отража­ется от них и поступает в плечо 4 схемы, направляясь к антенне. При выключении передатчика слабые сигналы, принятые антенной и поступившие в плечо 4 схемы, проходят разрядники и поступают в плечо 2 схемы, откуда они направляются на вход приемника. При этом принятые антенной сигналы практически не ответвляются в плечо 1.