Полосковое исполнение НО на связанных линиях В линии 1–3 слева направо распространяется бегущая волна (генератор подключен к плечу 1). В линии 2-4
возбуждаются четные и нечетные волны. В плечо 2 они приходят в противофазе, а в плечо 4 – в фазе. Чем меньше величина переходного затухания, тем шире полоса частот.
Всвязанных линиях величина переходного затухания зависит в первую очередь от зазора между полосками S.
Вмикрополосковых линиях получить значение С14 < 6 дБ не удается из-за технологических трудностей обеспечения необходимой величины S.
По этой причине такие ответвители получили название ответвителей со слабой связью.
|
Длина области связи ℓ = λ/4. |
НО на основе связанных |
Состоит из отрезка связанных линий длиной l, имеющего ширину полосок w и расстояние s между ними. |
микрополосковых линий |
Для устранения связи между подводящими линиями использован уголковый поворот на 90° в месте |
с боковой связью |
соединения подводящих линий с отрезком связанных линий. |
|
Если в основной линии ответвителя от плеча 1 к плечу 3 распространяется волна, переносящая мощность Р1 то |
|
в связанной линии за счет распределенной электромагнитной связи в отрезке связанных линий также появится |
|
волна, переносящая ответвленную мощность Р4=К2Р1 в направлении плеча 4; при этом в плечо 2 ответвленная |
|
мощность не поступает: Р2 = 0. |
|
В направленных ответвителях на основе связанных линий передачи, работающих на ТЕМ-волнах или квази- |
|
ТЕМ, ответвленная часть мощности в связанной линии распространяется в противоположном направлении по |
|
отношению к направлению распространения мощности в основной линии. |
|
В идеальном случае при обеспечении согласования с подводящими линиями мощность Р, из плеча 1 делится |
|
между плечами 3 и 4, в плечо 2 мощность не поступает. |
|
Величина коэффициента связи К ответвителя зависит как от параметров заполняющего диэлектрика, от |
|
величин W и S, так и от длины l отрезка связанных линий. Наибольший коэффициент связи обеспечивается |
|
при l=0,25Λ; 0.75Λ и т.д. При l=0,5Λ; 1,0Λ и т.д. К=0, т.е. мощность при этом полностью передается из плеча 1 |
|
в плечо 3, не ответвляясь в связанную линию. |
|
Обычно длину области связи l выбирают равной 0,25Λ0, где Λо-длина волны в отрезке связанных линий на |
|
расчетной частоте f0. Этим обеспечивается как наибольшая величина К при фиксированных w и s, так и |
|
минимальные геометрические размеры ответвителя. |
|
Сдвиг по фазе между векторами Е волн на выходах 3 и 4 плеч составляет 90°, в связи с этим подобные |
|
ответвители иногда называют квадратурными. Указанный фазовый сдвиг и идеальная направленность |
|
сохраняются на любой частоте при условии, что ZB, ZBe и ZB0 не зависят от частоты. |
|
При изменении частоты меняется величина коэффициента связи К ответвителя, что и определяет его рабочий |
|
диапазон. |
|
|
|
Многосвязная структура |
Применяются для увеличения связи. |
|
|
Принцип работы состоит в том, что направленный переход из основной линии (1-3) во вторичную (2-4) |
|
|
осуществляется за счет ее расположения в поле линии (1-3). Для этого расстояние между линиями d делается |
|
|
достаточно малым. Величина переходного затухания в таком ответвителе зависит от зазора между линиями d |
|
|
и от длины связанного участка l . В таком направленном ответвителе обеспечивается распределенная по длине |
|
|
связь между линиями |
|
|
Направленные ответвители такого вида обеспечивают в рабочей полосе частот с коэффициентом перекрытия |
|
|
fmax / fmin = 2 величины С14 2,5 дБ; С42 15 дБ, KCB 1,5. |
|
|
|
|
Ответвитель Ланге |
|
В этом ответвителе используется несколько связанных проводников, образующих |
(гребенчатая структура) |
|
встречно-штыревую структуру. |
|
|
С помощью металлических перемычек некоторые проводники соединены между |
|
|
собой. |
|
|
Число полосок n в гребенчатой структуре могут принимать значение 4 < n < 10. |
|
|
При n > 10 ширина полоски оказывается очень малой. Длина перемычек, |
|
|
соединяющих полоски гребенчатой структуры для выравнивания их потенциалов, |
|
|
должна быть минимальной; их число равно 2 – 3. |
|
|
В конструкции Ланге обеспечивается Ф Ф0 и компенсировать их дисперсию в |
|
|
широкой полосе частот: практически в октавной полосе частот сохраняются |
|
|
постоянство величины К, хорошее согласование и направленность не хуже 24 дБ. |
Двухшлейфный НО |
Двухшлейфовый ответвитель является аналогом двухдырочного волноводного ответвителя. |
|
|
Шлейфы длиной B 4 выполняют роль отверстий и расположены на расстоянии B 4 друг от друга. |
|
|
Требуемое переходное ослабление и согласование входов обеспечивается подбором волновых сопротивлений |
|
|
шлейфов и соединяющих их линий. |
|
|
Позволяет получить сильную связь и имеет электрическую прочность, мало отличающуюся от прочности |
|
|
подводящих линий. |
|
|
Это шлейфный направленный ответвитель, который весьма прост в изготовлении на основе МПЛ или СПЛ. |
|
|
На рис. показана микрополосковая конструкция ответвителя с двумя соединительными шлейфами, имеющими |
|
|
волновое сопротивление ZВ ШЛ. Длина каждого шлейфа равна Λ0/4, где Λо-длина волны в МПЛ, образующей |
|
|
шлейф, на расчетной частоте f0. |
|
|
Принцип действия ответвителя похож на принцип действия волноводного двухдырочного ответвителя. |
|
|
Для ответвления части мощности из основной линии, имеющей входы 1 и 3, в связанную, имеющую входы 2 и |
|
|
4, используются два четвертьволновых шлейфа, включенные на расстоянии Λ0/4 друг от друга. |
|
|
При распространении по основной линии волны от входа 1 к выходу 3 часть ее мощности будет проходить на |
|
|
выход 3, часть отражаться обратно в плечо 1, а часть через шлейфы ответвляться в связанную линию. |
|
|
Каждый шлейф возбуждает в связанной линии по две волны с равными амплитудами и фазами, бегущие в |
|
|
направлении плеч 2 и 4. Поэтому на выходах 2 и 4 появляются по две волны, причем фазы векторов Е этих |
|
|
волн на расчетной частоте f0 на выходе 4 совпадают, а на выходе 2 отличаются на π, ответвленная через |
|
шлейфы мощность из основной линии будет поступать на выход 4 и не поступит на выход 2. Фаза вектора Е волны на выходе плеча 4 отстает на π/2 от фазы вектора Е на выходе плеча 3.
Идеальное согласование входа с выходными плечами, а также деление выходными плечами в требуемом отношении можно обеспечить с помощью соответствующего выбора волновых сопротивлений линий в выходных плечах.
В шлейфном ответвителе используются четыре Т-тройника, поэтому для обеспечения согласования и требуемого коэффициента связи К ответвителя соответствующим образом подбирают величины ZВ ШЛ и ZB1. На расчетной частоте f0 в шлейфном ответвителе обеспечивается заданная величина К, максимальная направленность и согласование с подводящими линиями, имеющими волновое сопротивление ZB, при
Z B1 
1 K 2 Z B и Z В ШЛ 
1 K 2 
K 2 Z B
Например, при равном делении входной мощности между выходными плечами 3 и 4 (К= 0,707 или К[ДБ]=-3
дБ) Z B1 Z B 
2 и Z В ШЛ Z B .
Приведенные формулы получены в пренебрежении реактивными сопротивлениями в эквивалентной схеме Т- тройников.
При конструировании полосковых шлейфных ответвителей с сильной связью (К→1 или К[ДБ] →0дБ) возникают определенные трудности, поскольку при сильной связи величины ZB1 и ZВШЛ оказываются малыми, что приводит к недопустимо большой ширине полосок. Максимальная ширина полоски МПЛ ограничивается тем значением, при котором в линии возникают высшие типы волн в заданном диапазоне частот. Поэтому для обеспечения сильной связи используют или большее число соединительных шлейфов (например, три) в конструкции, или применяют каскадное соединение нескольких двухшлейфных ответвителей, каждый из которых имеет физически реализуемый коэффициент связи.
Четырехшлейфный НО Для увеличения переходного затухания С41 в ответвителях на связанных линиях применяется также каскадное включение нескольких ответвителей с более слабой связью.
В микрополосковых линиях широко применяются также шлейфные направленные ответвители.
По сравнению с ответвителями на связанных линиях они имеют большие габариты и более узкую полосу частот, однако получение сильных связей в них не представляет технологических трудностей.
Волноводно-щелевой Н- и Е-мост Кольцевой мост Двойной Т-мост Квадратный мост
Мосты на связанных линиях Мост Ланге
Мостовые устройства
Условное графическое обозначение
|
|
|
Назначение |
Мостами СВЧ называют направленные ответвители с переходным ослаблением 3 дБ. |
|
|
Область применения мостовых устройств (мостов) такая же, что и у направленных ответвителей. |
|
Основные характеристики |
Мостовые устройства (МУ) характеризуются направленностью c24 10 lg P4 P2 ; развязкой c21 10 lg P1 |
P2 ; |
|
коэффициентом стоячей волны (КСВ) на входе, полосой рабочих частот |
|
Волноводное исполнение |
|
|
|
|
|
|
Волноводно-щелевой Н-мост |
Представляет собой два прямоугольных волновода, часть общей узкой стенки которых длиной l |
|||||
|
вырезается. |
|
|
|
|
|
|
В результате образуется широкий прямоугольный волновод с размерами поперечного сечения A b . |
|||||
|
Размер А этого волновода выбирают таким образом, чтобы в нем распространяющимися были волны H10 |
|||||
|
и H 20 , т.е. A 3 2. |
|
|
|
|
|
|
При возбуждении плеча 1 волной H10 в широком волноводе возбуждаются волны H10 и H 20 . |
|||||
|
В области второго входа моста волны H10 |
и H 20 |
широкого волновода находятся в противофазе, |
|||
|
поэтому плечо 2 является развязанным. Волны H10 |
и H 20 |
в широком волноводе имеют разные фазовые |
|||
|
скорости. |
|
|
|
|
|
|
Поэтому в месте расположения плеч 3 и 4 они приобретают разность фаз H10 H 20 , где |
|||||
|
H10 kz H10 l , H 20 kz H 20 l . Здесь kz H10 2 |
|
; kz H 20 2 |
|
- продольные |
|
|
1 2A 2 |
1 A 2 |
||||
|
постоянные распространения волн H10 и H 20 в широком волноводе. |
|||||
|
Чтобы мощность поделилась поровну между плечами 3 и 4 необходимо так выбрать длину l , чтобы |
|||||
|
2 n , n=0, 1, 2, … |
|
|
|
|
|
|
Таким образом, наименьшая длина моста определяется из условия 2 и l 2 kz H10 kz H 20 . |
|||||
|
На острых рёбрах окна связи возникают волны высших типов, вызывающие рассогласование моста. Для |
|||||
|
его настройки в середине окна связи в верхней стенке волновода ставится емкостной винт. |
|||||
|
Чтобы уменьшить возможность возбуждения волны Н30, в месте окна делается небольшое сужение |
|||||
|
волноводов. |
|
|
|
|
|
Волноводно-щелевой мост – система достаточно широкополосная.
Полоса рабочих частот моста с ёмкостным винтом на уровне 3 ± 0,5 дБ составляет 12…20 %; направленность моста при этом D > 20 дБ.
|
|
Волноводно-щелевой Е-мост |
Представляет собой два прямоугольных волновода, в общей широкой стенке которых прорезано два |
|
примыкающих к узким стенкам прямоугольных отверстия. Таким образом, на участке длиной l |
|
образуется прямоугольный коаксиал. В области отверстий связи возбуждаются волны Т и H10 . |
|
Длину моста l выбирают из условия обеспечения разности фаз между этими волнами 2 : |
|
l 2 k kz H10 , где k 2 . |
|
|
Кольцевой мост (гибридное кольцо) |
Кольцевой мост представляет собой свернутую в кольцо линию передачи длиной 3 B 2 в которую с |
интервалом B 
4 включены четыре входные линии передачи.
При возбуждении первого плеча в обе стороны по кольцу распространяются волны, которые в области плеч 2 и 4 оказываются синфазными, а в области плеча 3 - противофазными.
Поэтому мощность делится поровну между плечами 2 и 4, а плечо 3 - развязано.
При этом плечи 2 и 4 возбуждаются в противофазе, так как расстояние между ними по кольцу B 
2 .
Согласование входов моста обеспечивается подбором волновых сопротивлений входных линий и линий кольца.
Основными недостатками кольцевых мостов являются:
-узость рабочей полосы частот, так как выбор длины всех отрезков линий в кольце жестко связан с центральной частотой рабочего диапазона;
-весьма значительные габариты.
|
|
Двойной Т-мост (двойной тройник) |
Двойной Т-мост представляет собой объединение волноводных Е- и Н-тройников. |
|
В месте соединения четырёх волноводов возникают высшие типы волн и для согласования тройника в |
|
нём размещают два согласующих устройства: в плече 4 – индуктивный штырь и в плече 3 – емкостной |
|
штырь. |
|
При возбуждении плеча 1 мощность делится поровну между плечами 3 и 4, возбуждая их синфазно. |
|
Плечо 2 оказывается развязанным, так как вектор электрического поля волны H10 плеча 1 оказывается |
|
ориентированным вдоль волновода плеча 2 и в нем возбуждаются волны типа Е, которые находятся в |
|
закритическом режиме. |
|
При возбуждении плеча 2 мощность также делится поровну между плечами 3 и 4, возбуждая их однако в |
|
противофазе. |
|
Плечо 1 оказывается развязанным, так как вектор электрического поля волны H10 плеча 2 ориентирован |
|
параллельно широким стенкам волновода плеча 1 и в нем возбуждаются волны типа H0n (n=1,2, ...), |
|
которые находятся в закритическом режиме. |
Отличительной особенностью двойного Т-моста является то, что он складывает мощности синфазных равноамплитудных источников, подключенных к плечам 3 и 4, в плече 1, а противофазных – в плече 2. Поэтому такие устройства находят применение в антеннах моноимпульсных радиолокационных станций для формирования суммарно-разностных диаграмм направленности.
Направленность двойного тройника составляет D ≈ 20 дБ.
Свернутый двойной Т-мост является разновидностью двойного Т-моста и имеет такую же матрицу рассеяния.
|
|
Квадратный мост |
Возбуждение плеча 1 волной единичной амплитуды эквивалентно одновременно синфазному и |
|
противофазному возбуждению плеч 1 и 4 волнами половинной амплитуды. |
|
В точках Е и F моста, равноудаленных как от входа 1, так и от входа 4, напряжения, создаваемые |
|
синфазными волнами, складываются в фазе, а токи вычитаются, что соответствует режиму холостого |
|
хода в сечении линий, где расположены точки Е и F. |
|
Анализ моста при синфазном возбуждении сводится к анализу двух одинаковых и не связанных друг с |
|
другом сочленений. |
Временная векторная диаграмма полей в плечах моста при синфазном возбуждении показана на рис. а.
Векторная диаграмма полей в плечах моста при противофазном возбуждении изображена на рис. б. Суммарная векторная диаграмма изображена на рис. в.
Как видно из рисунка, при возбуждении плеча 1 волной единичной амплитуда энергия делится поровну между плечами 2 и 3, причем поля в плечах 2 и 3 сдвинуты по фазе друг относительно друга на 90°.
Так как в режиме синфазного и противофазного возбуждения плечо 4 идеально согласовано, то из плеча 1 в плечо 4 энергия не поступает.
Основным недостатком описанного квадратного моста является сравнительная узость рабочей полосы частот.
Ширина полосы может быть существенно расширена путем увеличения числа поперечных шлейфов и соответствующего удлинения моста.
Коаксиальное исполнение
Кольцевой мост (гибридное кольцо) Кольцевой мост представляет собой свернутую в кольцо линию передачи длиной 3 B 
2 в которую с интерваломB 
4 включены четыре входные линии передачи.
Каждый вход нагружен на два таких же входа, включённых на расстоянии, равном нечётному числу четвертей длин волн, поэтому для согласования входов с кольцевой линией её волновое сопротивление должно быть W = 2W0 , W0 – волновое сопротивление входных линий.
При возбуждении первого плеча в обе стороны по кольцу распространяются волны, которые в области плеч 2 и 4 оказываются синфазными, а в области плеча 3 - противофазными.
Поэтому мощность делится поровну между плечами 2 и 4, а плечо 3 - развязано.
При этом плечи 2 и 4 возбуждаются в противофазе, так как расстояние между ними по кольцу B 
2 . Согласование входов моста обеспечивается подбором волновых сопротивлений входных линий и линий кольца.
Вариант исполнения кольцевого моста.
|
|
Квадратный мост |
Представляет собой симметричное последовательное или параллельное сочленение отрезков коаксиальной |
|
линии. Волновые проводимости и длина отрезков подбираются как показано на рисунке слева. |
|
На этом же рисунке указаны размеры элементов моста. |
|
Возбуждение плеча 1 волной единичной амплитуды эквивалентно одновременно синфазному и противофазному |
|
возбуждению плеч 1 и 4 волнами половинной амплитуды. В точках Е и F моста, равноудаленных как от входа 1, |
|
так и от входа 4, напряжения, создаваемые синфазными волнами, складываются в фазе, а токи вычитаются, что |
|
соответствует режиму холостого хода в сечении линий, где расположены точки Е и F. |
|
Анализ моста при синфазном возбуждении сводится к анализу двух одинаковых и не связанных друг с другом |
|
сочленений. |
Временная векторная диаграмма полей в плечах моста при синфазном возбуждении показана на рис. 21.5.4а.
Векторная диаграмма полей в плечах моста при противофазном возбуждении изображена на рис. 6. Суммарная векторная диаграмма изображена на рис. в.
Как видно из рисунка, при возбуждении плеча 1 волной единичной амплитуда энергия делится поровну между плечами 2 и 3, причем поля в плечах 2 и 3 сдвинуты по фазе друг относительно друга на 90°. Так как в режиме синфазного и противофазного возбуждения плечо 4 идеально согласовано, то из плеча 1 в плечо 4 энергия не поступает.
Основным недостатком описанного квадратного моста является сравнительная узость рабочей полосы частот. Ширина полосы может быть существенно расширена путем увеличения числа поперечных шлейфов и соответствующего удлинения моста.