14.2.4. Широкополосное согласование с помощью фильтров

Затухание, вносимое фильтром отражающего типа на любой частоте, опре­деляется в основном отражением потока энергии от его входа. Поскольку для реак­тивного четырехполюсника без потерь справедливо равенство |S₁₁|²=1-|S₂₁|², то для фильтра отражающего типа частотная зависимость коэффициента отражения от входа имеет такой же вид, как и АЧХ вносимого затухания (см. рис.14.25). На этом основании фильтры отражающего типа применяют для согласования комплексных нагрузок с линией передачи. При этом реактивное со­противление нагрузки рассматривается как последний элемент эквивалентной схе­мы полосового фильтра. Полоса пропускания фильтра является полосой согласо­вания нагрузки с линией передачи. Предположим, что требуется согласовать линию передачи с волновым сопротивлением Z_B с нагрузкой Z_H, эквивалентная схе­ма которой показана на рис.14.41. В данном случае согласующим

устройством, включаемым между линией и нагрузкой, является полосовой фильтр, последний параллельный контур эквивалентной схемы которого образован емко­стью нагрузки С_н и подключаемой ей параллельно индуктивности L_n. Величина L_n

определяется с помощью формулы , где f₀-средняя частота тре­буемой полосы согласования. Поскольку С„ и R» заданы, то последний контур экви­валентной схемы полосового фильтра должен иметь при этом нагруженную доб­ротность, определяемую по формуле Поэтому доброт­ности всех остальных контуров в схеме полосового фильтра Q_1,Q_2,.....Q_n-1 следует

определять из условия получения полосового фильтра с требуемой АЧХ (14.16), причем последний контур эквивалентной схемы фильтра имеет заданную доброт­ность. Но как видно из (14.16), (14.9) или (14.10), добротность каждого контура эк­вивалентной схемы фильтра однозначно связана с полосой пропускания f _В -f_Н и величиной В_ф1 или соответствующей ей максимальной величиной коэффициента отражения Г™, от входа фильтра в этой полосе. Поэтому если добротность хотя бы одного контура задана, то между полосой пропускания фильтра и величиной Г_мах существует вполне определенная связь, естественно разная для фильтров с раз­ными видами АЧХ. Например, для максимально плоского полосового фильтра, ис­пользуя приведенную здесь формулу для Q_n, а также формулы (14.16) и (14.9), можно записать выражение

Из (14.19) вытекает, что при заданной комплексной нагрузке чем меньше ве­личина В_ф1 (чем меньше Г_мах), тем уже полоса согласования и наоборот. Как пока­зано в [56], для каждой комплексной нагрузки существует максимально достижимая полоса согласования, зависящая от требуемого уровня согласования. Эта полоса тем больше, чем ниже уровень согласования, и наоборот.

14.3. Невзаимньш'устройстшгсвч

14.3.1. Область применения невзаимных устройств

В технике СВЧ используют устройства, являющиеся многопо­люсниками, которые не удовлетворяют теореме взаимности (см. 5.9). Поэтому такие устройства получили название невзаим­ных. Они обязательно содержат анизотропные среды, например намагниченные ферриты или плазму. На практике широкое приме­нение находят следующие невзаимные устройства: вентили, циркуляторы и фазовращатели.

Вентилем в технике СВЧ называют двухплечное устройство или четырехполюсник (рис.14.42), в идеальном случае пропускаю­щий электромагнитные волны в одном (прямом) направлении без отражения и поглощения и полностью поглощающий волны, рас­пространяющиеся в другом (обратном) направлении. Матрица || S| | такого устройства записана на рис.14.42. В реальных венти­лях в зависимости от рабочего диапазона, конструкции, уровня ра­бочей мощности потери в вентиле при распространении волны в прямом направлении лежат в пределах от 0,1 до 1 дБ, а при рас­пространении в обратном направлении достигают 15...70дБ. Вен­тили применяют для согласования произвольной нагрузки с лини­ей передачи.

Циркулятором называют устройство, имеющее несколько плеч, или многополюсник, в котором движение потока энергии происходит в строго определенном направлении, зависящем от ориентации внешнего магнитного поля, намагничивающего ферритовый элемент внутри циркулятора. На рис. 14.43 изображена эк­вивалентная схема трехплечного циркулятора и записана его иде­альная матрица рассеяния. Стрелка указывает направление цир­куляции. Мощность, поданная на вход плеча 1 циркулятора, выхо­дит в плечо 2, при этом фаза вектора Е соответствующей электро­магнитной волны изменяется на угол φ, а амплитуда остается не­изменной (если, конечно, пренебречь отражениями от входа плеча 1 и тепловыми потерями в циркуляторе). В плечо 3 энергия из плеча 1 не ответвляется.

Если подать мощность в плечо 2, то она появится на выходе плеча 3 и т.д. Подобное направление цирку­ляции энергии обозначают 1 → 2 → 3 → 1. Как будет видно из даль­нейшего, изменение ориентации внешнего (намагничивающего) магнитного поля влечет за собой изменение направления цирку­ляции на обратное 1→3→2-И. Это свойство позволяет приме­нять циркуляторы в качестве быстродействующих переключате­лей, например, в схемах резервирования (рис.14.44) и других уст­ройствах. С помощью циркулятора можно обеспечить одновре­менную работу передатчика и приемника на одну антенну (рис.14.45). В этом случае передатчик и приемник могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Как следует из рисунка, энергия передатчика поступает в антенну, а сигнал, при­нятый антенной, попадает на вход приемника. Поглощающая на­грузка в плече 4 позволяет улучшить защиту приемника от сигна­лов передатчика в случае реального циркулятора. С помощью циркулятора можно осуществить так называемое высокочастотное уплотнение - антенно-волноводного тракта спутниковой системы связи или радиорелейной линии связи, при котором один и тот же тракт используется одновременно для передачи или приема не­скольких широкополосных сигналов. Простейшая схема уплотне­ния, когда к тракту подведены три передатчика, изображена на рис.14.46. Сигнал с несущей частотой U от первого передатчика поступает в плечо 1 циркулятора и появляется на выходе плеча 2. К плечу 2 циркулятора через полосовой фильтр, пропускающий сигналы с несущей частотой f₂, подключен второй передатчик. По­этому сигнал от первого передатчика с выхода плеча 2 циркулято­ра попадает на вход отражающего полосового фильтра, отражает­ся от него, снова проходит циркулятор и выходит в плечо 3 цирку­лятора. Отразившись от входа полосового фильтра, пропускаю­щего сигналы с несущей частотой f₃, сигнал от первого передатчи­ка, еще раз пройдя циркулятор, выходит в его плечо 4, к которому подключен общий тракт, идущий к антенне. Аналогично сигналы от второго и третьего передатчиков, работающих на несущих часто­тах f₂ и f з соответственно, поступают на выход плеча 4 и направляются

в общий тракт и в антенну. Отметим, что подобная схема уплотнения может быть, построена и с помощью мостов [57], одна­ко схема (рис.14.46) обладает существенно меньшими габаритами и весом по сравнению с аналогичной мостовой схемой.

Циркулятор можно использовать также в качестве вентиля, устраняющего отраженную от нагрузки волну (рис.14.47). В этом случае энергия отраженной волны поглощается не в циркуляторе, а во внешней нагрузке. Это имеет существенное значение при сотасовании достаточно мощного передатчика с нагрузкой, где пе­реносимая отраженной волной мощность может оказаться весьма значительной.

Фазовращатели, использующие намагниченные ферриты, по- ' зволяют с помощью изменения внешнего магнитного поля (напри­мер, в результате изменения тока в обмотке электромагнита) плавно регулировать фазовый сдвиг, получаемый электромагнит­ной волной при прохождении через устройство. В отличие от фа­зовращателей, рассмотренных в 13.5, ферритовые фазовращате­ли объединяют основные достоинства механических и дискретных фазовращателей: плавная регулировка фазы проходящей волны и отсутствие движущихся механических частей. Намагниченные ферриты позволяют создавать невзаимные фазовращатели, вно­сящие разные фазовые сдвиги для волн, распространяющихся в противоположных направлениях. К недостаткам ферритовых фа­зовращателей можно отнести сравнительно высокие вносимые потери -для проходящей волны и необходимость непрерывного пропускания постоянного тока через обмотку электромагнита.