3.3. Устройства, использующие свойства нагруженного моста

Анализ квадратурного моста, описываемого матрицей рас­сеяния (2.6), к выходу которого подключены две несвязанные нагруз ки (рис.3.11) с коэффициентами отражения , подробно про­веден в [I], Показано, что матрица рассеяния нагруженного моста зависит от коэффициентов отражения нагрузок:

Соответствующее устройство является согласованным четырехполюсни­ком, коэффициент передачи которого равен коэффициенту отражения нагрузок.

Рассмотрим примеры устройств, построенных на основе схемы рис.3.11.

В управляемом проходном фазовращателе (рис.3.12) нагрузками являются одинаковые отражательные фазовращатели - отрезки линий передачи, подключаемые переключательными диодами. Пусть диода яв-

ляются идеальными выключателями и фаза коэффициента отражения на­грузок при закрытых диодах равна После переключения (диоды открыты) отраженные сигналы будут задержаны на время рас­пространения волны от диода до конца шлейфа и назад, т.е. фаза коэффициента отражения изменится на .Под-

ставляя значения и в (3.5), получим, что коэффициент передачи устройства при переключении изменится от

до . Фаза коэффициента передачи изменяется на

исключения влияния разброса вольт-амперных характеристик диодов.

Резисторы в цепях подачи управляющих напряжений нужны для исключения влияния разброса вольт-амперных характеристик диодов.

Согласованный аттенюатор получается из схемы рис.3.11, если в качестве нагрузок подключить одинаковые " -диоды. Как из­вестно, при положительном смещении диод эквивалентен резистору, дифференциальное сопротивление которого R_g0 является активным и зависит от управляющего тока [I], значит

Подставляя (3.6 ) в (3.5), получим матрицу рассеяния устройства. При изменении изменяется коэффициент передачи устройства.Уст-ройство согласованное, поэтому долю мощности , рассеиваемой в диодах, легко оценить по формуле где P_вх мощность, поданная на вход устройства .

Если т.е. диод является согласованной нагрузкой, то вся мощность поглощается в диодах ;

При других сопротивлениях мощность частично проходит на вы­ход.

Если в качестве нагрузок в схеме рис.3.II использовать оди­наковые отражательные усилители (на туннельных диодах,параметриче­ские и т.п.), получим проходной усилитель,согласованный по входам.

Используя (3.4), можно исследовать параметры устройства в различных ситуациях. Например, если вследствие неточности изготовления диоды фазовращателя (см. рис.3.12) подключены на неодинако­вых расстояниях от моста, или длины шлейфов неодинаковые, то по (3.4) легко определить, что коэффициент отражения от моста станет отличным от нуля:

Согласующее устройство из схемы рис.3.8 получается при использовании в качестве нагрузок шлейфов (отражательных фазовращателей) разной длины. Устройство рис.3.13 включает волноводно-шлейфовый щелевой мост и подвижные короткозамыкающие поршни. Коэффициенты отражения нагрузок моста равны

Отметим, что фаза элементов этой матрицы зависит только от , а их модули - только от , значит, при совместном передвижении поршней изменяется только фаза коэффициента передачи (и коэффици­ентов отражения) устройства, а при изменении расстояния между ни­ми - изменяются модули элементов матрицы. Если к выходу 1 устрой­ства подключен генератор, а к входу 2 - несогласованная нагрузка, изменением положения поршней можно добиться

согласования. В частном случае устрой­ство является механически управляемым фазовра­щателем.

Схема рис.3.14. используемая в измерителях коэффициента отражения , тоже является частным случаем схемы рис.3.II. Для нее

Следовательно, коэффициент передачи схемы с точностью до постоян­ного коэффициента

равен измеряемому коэффициенту отражения _x

Для исключения влияния отражении cxeму нужно включить в измеритель через вентили.

В двухканальном переключателе рис. 3.15 используется вариант схемы рис.3.II с противо­направленным мостом на связанных линиях. Если

диод VD1 открыт, выходы левого моста нагружены на короткозамы-катель, сигнал с выхода 1 проходит на выход 2 . Второй диод в это время закрыт, для правого моста ,передачи мощности на вход 3 нет, правая часть схемы имеет большое входное сопротивление режим холостого хода). Преимущество схемы рис.3.15, использующей ответвители на связанных линиях, по срав­нению с простым переключателем [I] - отсутствие гальванической связи между диодами и с входной линией.

3.4. Устройства, использующие соединения двух мостов

В п.2.7 отмечалось, что соединением двух мостов может быть получен ответвитель с полной связью. Рассмотрим устройства, выполненные на базе такого соединения.Регулируемый делитель мощности с развязанными выходами может быть выполнен по схеме рис.3.16. Его анализ дан в [I, раздел 5].

В схеме рис.3.17,а в соединительные линии мостов включены два одинаковых четырехполюсника с матрицей рассеяния

Эта схема эквивалентна согласованному четырехполюснику рис.З.17, б с матрицей рассеяния

имеющей те же коэффициенты передачи и отличающейся от S равенст­вом нулю коэффициентов отражения.

Если четырехполюсники являются одинаковыми транзисторными усилителями, получим балансный транзисторный усилитель (рис.3.18). Применение балансных усилителей позволяет обойтись без вентилей при построении многокаскадных усилителей. Даже если усилители не­согласованы по входам (выходам), отражения от них благодаря свой­ствам нагруженного моста уходят в согласованные нагрузки.Сигналы, прошедаие через усилители, складываются выходным мостом, выходная мощность вдвое превышает мощность одного усилителя.

Согласованный регулируемый аттенюатор получается из схемы рис.3.17, а, если четырехполюсники - одинаковые параллельно вклю­ченные -диоды. Возможность использования таких четырехпо­люсников в качестве аттенюатора показана в [I]. Их недостаток(не­согласованность) устраняется в схеме рис.3.19. Вместо мостов в схеме рис.3.19 могут быть использованы и резистивные делителимощ-ности (см. п. 3.1). При этом для компенсации отражений от четырехполюсников необходимо включать их в сечения, смещенные на четверть длины волны. Схема аттенюатора с резистивными делителями приведена на рис.3.20.

В мостовом частотноразделительном устройстве рис.3.21 четы­рехполюсники S - одинаковые реактивные фильтры. Сигналы полосы пропускания с входа { проходят на вход 3 . Сигналы полосы за-граадения отражаются от фильтров и проходят на вход 2 . Устройство согласовано по входу 1 ,

В переключателе, построенном по схеме рис.3.19, при закрытых диодах связаны диагональные входы, а при открытых вход 1 связан с входом 3 , вход 2 с входом 4 .

3.5. Направленные фильтры

Направленные фильтры - это направленные ответвители с ярко выраженной частотной избирательностью переходного ослабления,

в которых на резонансной частоте обеспечивает­ся полная связь. Например, у фильтра рис.3.22 сиг­нал частотой , поданный на вход 1 , ответвляет­ся на вход 3 , а сигналы других частот про­ходят на вход 2 , Частотные характеристики коэффи-циентов передачи такого устройства показаны на рис.3.23. со сто­роны входов 1 и 2 оно является полоснопропускающим фильтром с коэффициентом передачи (рис.3.23), а со стороны входов 1 и 2 -режекторным фильтром с коэффициентом передачи (рис.3.23).

Направленные фильтры согласованы по входу, Их частотные свой­ства формируются за счет частотно-избирательного перераспределе­ния сигнала между выходами*).

*) Напомним, что у реактивных фильтров-четырехполюсников ча­стотная избирательность обусловлена отражениями сигнала в полосах заграждения.

Направленные фильтры применяются в частотноразделительных устройствах (мультиплексерах), обеспечиовающих, например, работу

перестраиваемого передатчика на две или не­сколько узкополосных антенн, настроенных на разные частоты» В диапазонах сантиметровых и дециметровых волн наиболее распространены мос­товые направленные фильтры, фильтры бегущей волны, фильтры интерференционного типа. Прин­цип построения мостовых направленных фильтров рассмотрен в п.3.4 (рис.3.21).

Топология однозвенного полоскового на­правленного фильтра бегущей волны показана на рис.3.24 (его схема на рис.3.22). Он со­стоит из двух направленных ответвителей на связанных линиях, которые при соединении образуют замкнутую пет­лю. Ответвитель имеет слабую связь, поэтому кольцо представляет собой резонатор. На резонансных частотах длина кольда равна целому числу длин волн (обычно используют кольца длиной ).

Сигнал напряжением , поданный на вход 1 , возбуждает в кольце волну, бегущую по часовой стрелке. Амплитуда волны , где к - коэффициент связи направленного ответ-вителя* Фаза волны в сечении опережает на

фазу на выходе 2 ответвителя. Так как связь слабая, амплитуда волны в кольце на частотах,отличных от резонансной, мала и резонатор не оказывает существенно­го влияния на передачу мощности со входа 1 на вход 2 # На резо­нансной частоте напряжение волны в кольце возрастает в раз,где

- нагруженная добротность резонатора. Волна ответвляется че­рез Н02 на вход 3 фильтра. Через HOI волна, бегущая в кольце от-ветвителя, ответвляется на выход 2 с задержкой по фазе на  от­носительно сигнала, прошедшего на выход 2 непосредственно с вхо­да 1 . Таким образом, на резонансной частоте сигнал, поданный на вход 1 , ответвляется на выход 3 и не проходит на выход 2 . При отстройке частоты от резонансной амплитуда волны в кольце быстро уменьшается и происходит перераспределение сигнала с выхода 3 на выход 2 (см. рис.3.23).

по формулам

Ширина полосы частот фильтра обратно пропорциональна до­бротности . Добротность зависит от коэффициента связи направленных ответвителей. Если ответвители имеют одинаковые ко­эффициенты связи к и собственных потерь в резонаторе нет, то

где n - число длин волн, укладывающихся в длине кольца.

Реальные фильтры имеют потери. Их добротность и коэффици­ент передачи на резонансной частоте рассчитываются по формулам

где - коэффициент затухания линии кольца в Нп/м ; - дли­на кольца, м. Из-за потерь в резонаторе в фильтре с одинаковыми ответвителями сигнал резонансной частоты частично проходит на вы­ход 2 . Для исключения этого при выборе коэффициентов связи первого и второго ответвителей удовлетворяют ус­ловию ,т.е. выбирают *

Для получения более прямоугольных частотных харак­теристик применяют фильтры с двумя (рис,3.25) и боль­шим числом колец.

Пример направленного фильтра интерференционного типа приведен на рис.3.26. Между двумя линиями передачи этого уст­ройства расположены полуволновые резонаторы, связанные с линиями через малые торцевые емкости.

Заметная передача мощности между линиями в таком устройстве осу­ществляется только на частотах, близких к ре­зонансной на расстоянии вдоль линии так же, как в ответвителе с двумя отверстиями связи (см. рис.2.1), поэтому в фильтре реализуется сонаправленное ответвление.

В фильтрах с противонаправленным ответвлением расстояние между точками связи в одной линии выбирают равным четверти длины волны, а в другой - больше на половину длины волны.