Направленные ответвители.

Общий принцип работы.

В общем и целом, направленными ответвителями являются устройства, предназначенные для ответвления части мощности из основного канала во вспомогательный канал. Он характеризируется такой характеристикой, как "направленность", которой, к примеру, у похожих устройств - ненаправленных делителей мощности нет. Важным является тот факт, что он согласован. Если многополюсник согласовать со стороны одного из плеч, то есть, за счет введения в конструкцию дополнительных элементов, не нарушающих симметрию устройства, добиться равенства нулю коэффициента отражения в одном из плеч (при подключении к остальным согласованных нагрузок), то он окажется согласованным со стороны остальных плеч. Иными словами, например, если у четырехполюсника без нарушения симметрии в одном из плеч коэффициент отражения будет равен нулю (согласованная нагрузка), то в двух других плечах будут распространяться ЭМ волны.

Рассмотрим ход волн в направленном ответвителе. Обобщенная эквивалентная схема направленного ответвителя в виде восьмиполюсника представлена на рисунке 4. На эквивалентной схеме основной волновод изображен линией 1-2, а вспомогательный волновод – линией 3 – 4.

Рисунок 4. Направленный ответвитель в разрезе, схематично.

Если ответвитель возбуждается со стороны плеча 1, то при отсутствии отраженной волны в основном волноводе энергия ответвляется только в одно плечо вспомогательного волновода (например плечо 4). При возбуждении НО со стороны плеча 2 энергия будет ответвляться только в плечо 3. Фаза колебаний во вспомогательном волноводе отстаёт на угол 90 градусов от фазы колебаний в основном волноводе.

Наибольшее распространении получили два типа направленных ответвителей: с отверстиями связи в узкой стенке волновода и крестообразной формы.

Направленный ответвитель с двумя отверстиями связи в узкой стенке

Рассмотрим направленный ответвитель с двумя отверстиями связи в узкой стенке волновода (Рис. 5)

Рисунок 5. Сонаправленный волноводный ответвитель (направленность 1 типа) в разрезе

НО имеет два отверстия связи в узкой стенке волновода, расположенных на расстоянии друг от друга. При распространении прямой волны из плеча 1 в плечо 2 часть энергии из основного волновода через отверстия связи попадает во вспомогательный волновод. Притом поле E в точке С, будет определяться как суперпозиция полей: AC и ABDC. Эти поля складываются в противофазе, и энергия в плечо 3 не поступает. Поля ACD и ABD складываются в фазе – электромагнитная энергия поступает в плечо 4.

При распространении обратной волны из плеча 2 в плечо 1, аналогичными рассуждениями можно убедиться, что ответвленная энергия отраженной волны поступит в плечо 3 вспомогательного волновода и не поступит в плечо 4.

Описанный ответвитель имеет сравнительно узкий рабочий диапазон частот, так как при отклонении частоты от центральной, соответствующей расстоянию между центрами отверстий l = λ_g/4, полной компенсации волн в плече 4 не происходит. Направленность ответвителя ухудшается также при уменьшении переходного ослабления, так как амплитуды волн, прошедших через первое плечо и второе отверстия, становятся неравными. Можно пожертвовать длиной ответвителя и увеличить число отверстий, соединяющих линии передачи, одновременно меняя размеры этих отверстий по определенному закону.

Рисунок 6. Направленный ответвитель в виде прямоугольного волновода-четырехполюсника. Неподписанное плечо – согласованная нагрузка

Направленный ответвитель крестообразной формы.

НО крестообразной формы имеет два крестообразных отверстия связи (рис.7), прорезанные в общей части широкой стенки двух взаимно перпендикулярных волноводов.

Рисунок 7. Направленный ответвитель крестообразной формы.

Рассмотрим, как ведет себя вектор H напряженности магнитного поля основной волны в поперечном сечении волновода.

Магнитное поле основной волны H₁₀ имеет две составляющие H_x и H_z. Эти составляющие можно рассматривать как два линейно поляризованных колебания, плоскости поляризации который перпендикулярны, амплитуда произвольна, фазы отличаются на π/2 и частоты равны. Очевидно, что магнитное поле имеет вращающуюся поляризацию во всех точках, кроме средней плоскости волновода x = 0,5*a. Круговая поляризация имеет место при таких значениях x, когда амплитуды H_x и H_z равны.

Из математических выкладок следует, что магнитное поле имеет круговую поляризацию в точках плоскостей, отстоящих от узких стенок волновода (рис. 8) на расстоянии d ≈ a/4.

П ри этом, результирующий вектор магнитного поля H вращается в сторону отстающей по фазу компоненты. То есть, по рисунку 7, справа от середины волновода вектор H вращается по часовой стрелке, а слева – против часовой.

Пусть ЭМВ распространяется в основном волноводе из плеча 1 в плечо 2. Через отверстия A и B часть энергии поступает во вспомогательный

Рисунок 8. Поляризация волн в крестообразном волноводе

волновод с той же поляризацией, что и в основном волноводе. Таким образом, в отверстии A вспомогательного волновода вектор H будет вращаться против часовой стрелки, а в отверстии B- наоборот. Следовательно, волна, ответвленная из основного волновода, будет во вспомогательном волноводе распространиться в сторону плеча 4 и не поступать в плечо 3.

Вместо крестообразного отверстия может применяться отверстие другой формы (например эллипс). Иногда применяют одно отверстие связи. Принцип работы такого НО аналогичен НО с двумя отверстиями связи.

Характеристики направленных ответвителей.

Для характеристики НО вводятся следующие параметры.

Коэффициентом передачи S направленного ответвителя называется отношение комплексной амплитуды колебаний на выходе ответвителя к комплексной амплитуде колебаний на входе. Например, если НО возбуждается со стороны плеча 1, то S₁₂ = ; S_1n =

Переходное ослабление C показывает, какая доля мощности ответвляется из основного волновода во вспомогательный.

Направленностью ответвителя D называется отношение мощности P₄, распространяющейся в прямом направлении, к мощности P­₃, распространяющейся в обратном направлении вспомогательного волновода. Направленность ответвителя и переходное ослабление измеряется в децибелах:

С = 10 lg ( ) = 10 lg ( ); D = 10 lg ( ).

МОСТОВЫЕ УСТРОЙСТВА СВЧ.

СВЧ-мостами или гибридными устройствами называются направленные ответвители, осуществляющие деление мощности из одно плеча в два других поровну.

Волноводно-щелевой мост

Одним из примеров гибридных устройств может служить волноводно-щелевой мост. Он состоит из двух прямоугольных волноводов, связанных щелью в общей боковой стенке. В области щели размеры широких стенок волноводов несколько уменьшены.

Рисунок 9. Волноводно-щелевой мост.

Рассмотрим принцип работы устройства. Пусть щелевой мост возбуждается со стороны плеча 1(рис. 9). Из-за размеров поперечного сечения в 1 плече электрические поля распространяемых волн находятся в фазе, а в 3 – в противофазе. Распространяясь в области связи с различными фазовыми скоростями, эти волны получают разные сдвиги фаз и складываются в плечах 2 и 4. Подобрав соответствующую длину области связи, можно сделать так, что волны в плечах 2 и 4 будут иметь равные амплитуды. При этом их фазы будут сдвинуты на 90 градусов. Уменьшение ширины стенки в области связи позволяет уменьшить разность фазовых скоростей и позволяет уменьшить ширину щели. Согласование плеч моста достигается с помощью штыря регулируемой высоты A, расположенного в центре устройства.

Двойной волноводный тройник.

Рассмотрим другие примеры СВЧ-мостов. Двойной волноводный тройник (рис. 10 а), в отличие от уже рассмотренных устройств, имеет одну плоскость симметрии. При возбуждении со стороны плеча E, волна в H плече не возбуждается (рис. 10 б). Аналогично, при возбуждении со стороны со стороны H-плеча E-плечо не возбуждается (рис. 10 в). Это свойство позволяет согласовывать плечи независимо друг от друга. Если согласование выполнено, то при возбуждении со стороны E или H плеч мощность делится поровну между плечами 2 и 3 вследствие симметрии. Причем в первом случае фазы будут сдвинуты на 180 градусов, а во втором будут одинаковы.

Если же установить в не возбуждаемое плечо индикатор (реактивную нагрузку) при равных нагрузках в выходных плечах, то и поступающая в индикатор мощность будет равна нулю. Таким образом, можно сравнивать между собой две нагрузки. Это свойство аналогично свойствам низкочастотных мостовых схем, что и объясняет название «СВЧ-мосты).

Разновидность двойного тройника. У которого второе и третье плечо имеют общую стенку и расположены параллельно друг к другу, называется модифицированным двойным тройником (рис. 10).

Такая конструкция занимает меньше места, однако обладает несколько худшими электрическими характеристиками и сложнее в изготовлении. Модифицированный двойной тройник по своим характеристикам и принципам работы аналогичен гибридному кольцу.

Рисунок 10. Модифицированный двойной тройник.

Кольцевые направленные ответвители.

Аналогом волноводного НО в микрополосковом исполнении служит двухшлейфный ответвитель. (Рис. 6)

Рисунок 11. Схематичное изображение шлейфного микрополоскового направленного ответвителя

Функции отверстий, соединяющих волноводы, выполняют шлейфы – отрезки микрополосковых линий длиной λ_g/4, отстоящие друг от друга также на четверть длины волны. Подбирая волновые сопротивления шлейфов и отрезков линий передачи между ними, можно получить требуемое переходное ослабление. Улучшение параметров ответвителя улучшается увеличением числа шлейфов.

Рисунок 12. Двунаправленный микрополосковый ответвитель. В зависимости от подключения к одному из нижних плеч согласованной нагрузки

выбирается направление ответвителя.

Шлейфный ответвитель относится к классу кольцевых направленных ответвителей, куда входит гибридное кольцо. Схематичное изображение шлейфного (а) и гибридного (б) ответвителя показаны на рис.8

Рисунок 8. Кольцевые направленные ответвители

Гибридное кольцо отличается от шлейфного ответвителя тем, что длина отрезка линии передачи между входами 3 и 4 увеличена до 3λ_g/4. Такое решение называют полуволновым трансформатором. Но есть как и в случае со сменой положения согласованной нагрузки у волноводного ответвителя, мы получаем ответвитель с выходным сигналом, запаздывающим на π по фазе. Зная определения характеристик, про гибридное кольцо можно сказать, что это ответвитель синфазно-противофазного типа с направленностью II типа.

Регулировать деление мощности на выходах кольцевых ответвителей можно через волновые сопротивления отрезков кольца z_в1 и z_в2.

ПРИМЕНЕНЕИЕ НАПРАВЛЕННЫХ ОТВЕТВИТЕЛЕЙ

В том или ином виде большинство вариантов применения волноводных ответвителей в технике СВЧ основано на принципе разделения волн. Он заключается в выделении сигналов падающей, отраженной и проходящей волн с помощью НО. После того, как сигналы выделены, изменяют отношения отраженной к падающей и проходящей к падающей, и определяют элементы матрицы рассеяния.

Волноводные и коаксиальные НО выполняют функцию сепарации сигналов, распространяющихся в линии передачи в противоположных направлениях. Они используются в рефлектометрах, панорамных измерителях полных сопротивлений и векторных анализаторах цепей.

К примеру, рефлектометрах оптический импульс вводится в волокно через направленный ответвитель. Этот импульс распространяется по волокну и ослабляется в соответствии с коэффициентом затухания волокна. Незначительная часть оптической мощности рассеивается, и в результате обратно рассеянное излучение через направленный ответвитель попадает на фотодетектор, преобразуется в электрический сигнал, усиливается, обрабатывается и результат выводится на дисплей.

Двойной волноводный тройник применяется в качестве моста для измерения комплексных сопротивлений нагрузок и в балансных смесителях.

Рисунок 9. а) Двойной волноводный тройник. б) Ход согласованных волн в) Ход несогласованных волн

Если к плечам сравнения (плечи 2 и 3, рис. 9а) подключены элементы, не согласованные с основным трактом, но равные по величине волновому сопротивлению, то отраженные от них волны придут в область подключения плеча 4 с равными амплитудами и в одинаковых фазах. Нетрудно убедиться, что при этом суммарный вектор электрического поля также не будет иметь компоненты, способной возбудить волну в индикаторном плече (рис.9б). Только в том случае, когда амплитуды или фазы (или то и другое) волн, отраженных в плечах сравнения, различны, результирующий вектор Е будет иметь компоненту, соответствующую поляризации волны в индикаторном плече (рис.9в). Таким образом, отсутствие прохождения мощности в индикаторном плече является показателем равенства импедансов (и действительной, и мнимой частей) элементов, включенных в плечах сравнения. Для определения неизвестного импеданса в одно из плеч должна быть включена нагрузка с известным калиброванным импедансом, который настраивается так, чтобы мощность в индикаторном плече равнялась нулю.

Кольцевые НО, особенно в исполнении на микрополосковых линиях, служат для деления/суммирования мощности в усилителях СВЧ. Принцип их работы очевиден