3.5 Направленные ответвители на основе распределенных элементов

В технике СВЧ наряду с частотно-избирательными устройствами находят широкое применение направленные ответвители, выполненные на отрезках линий передач и предназначенные для работы в устройствах распределения мощности, мостовых устройствах управления фазой и амплитуды, балансных усилителях, смесителях и т.д. Вопросы расчета таких устройств достаточно полно рассмотрены в литературе [1, 3, 5, 15, 19].

Для исследования возможностей реализации направленных ответвителей на основе жидкокристаллических полимеров была выбрана конструкция, состоящая из двух симметричных связанных линий. Такие линии могут образовывать одну или несколько областей связи, длина области связи составляет , где - длина волны, соответствующая средней частоте диапазона рабочих частот НО. На рисунках 2.24 а и б соответственно показаны однозвенный и многозвенный направленные ответвители, а на 2.25 приведены их типовые амплитудно-частотные характеристики.

а)	б)
Рисунок 2.24 – Однозвенный (а) и многозвенный (б) направленные ответвители

а)	б)
Рисунок 2.25 - Типовые амплитудно-частотные характеристики

Конструкция исследуемых ответвителей на связанных линиях является максимально простой и технологичной по сравнению с кольцевыми или шлейфными. Следует заметить, что трехдецибельный направленный ответвитель на связанных несимметричных полосковых линиях реализовать практически невозможно, т.к. необходимо обеспечить зазор мкм, что является сложной технологической задачей.

Такой отвевитель можно получить, используя тандемное включение двух НО на связанных линиях (рисунок 2.26), каждый из которых имеет сравнительно слабую связь (уровень переходного затухания 8,34 дБ). Другим вариантом реализации трехдецибельного ответвителя является мост Ланге (рисунок 2.27). Мост Ланге – это встречно-штырьевой ответвитель, состоящий из нескольких отрезков полосковых линий, соединенных перекрестными проводами.

Рисунок 2.26 - Тандемное включение двух НО на связанных линиях	Рисунок 2.27 - Мост Ланге

Используя симметричные полосковые линии передачи и, соответственно, более сильную лицевую электромагнитную связь между токонесущими проводниками, конструкцию трехдецибельного направленного ответвителя можно значительно упростить (рисунок 2.28).

Рисунок 2.28 - Конструкция трехдецибельного направленного ответвителя с лицевой связью

Для диапазона 2 – 4 ГГц были рассмотрены две конструкции направленных ответвителей на связанных симметричных линиях. Первая из них состояла из одной области сильной связи и одной области слабой связи (рисунок 2.29). Рассчитанная АЧХ и частотная зависимость КСВН этого направленного ответвителя приведены рисунке 2.30.

Рисунок 2.29 - Направленный ответвитель на связанных симметричных линиях в диапазоне 2 – 4 ГГц

а)

б)

Рисунок 2.30 - Рассчитанная АЧХ (а) и частотная зависимость КСВН (б)

Существенным недостатком такого направленного ответвителя является высокий уровень КСВН входа/выходов и недостаточно низкий уровень развязки между прямым и ответвленным плечом. Однако здесь удалось добиться малой неравномерности АЧХ (3+0,5 дБ) в широком диапазоне (1,6 – 4,2 ГГц).

Другая конструкция направленного ответвителя была реализована на симметричных связанных линий, рассчитанного на тот же диапазон частот, что и описанный выше. В данной конструкции, показанной на рисунке 2.31, использовались связанные неоднородные линии. На рисунке 2.32 приведены расчетные частотные характеристики этого ответвителя.

Рисунок 2.31 - Направленный ответвитель на связанных симметричных линиях в диапазоне 2,7 – 4,4 ГГц

а)

б)

Рисунок 2.32 - Рассчитанная АЧХ (а) и частотная зависимость КСВН (б)

Диапазон рабочих частот направленного, представленного на рисунке 2.32, составляет 2,7 – 4,4 ГГц, неравномерность АЧХ в диапазоне рабочих частот – () дБ, уровень КСВН в диапазоне рабочих частот – ниже 1,5, уровень развязки между выходом прямого и ответвленного плеча составил менее 16 дБ.

Конструкция направленного ответвителя на диапазон частот 4 – 12 ГГц аналогична конструкции описанного выше. Конструкция ответвителя на диапазон частот 4 – 12 ГГц приведена на рисунке 2.33, а его расчетные частотные характеристики – рисунке 2.34.

Рисунок 2.33 - Направленный ответвитель на связанных симметричных линиях в диапазоне 4 – 12 ГГц

а)

б)

Рисунок 2.34 - Рассчитанная АЧХ (а) и частотная зависимость КСВН (б)

Диапазон рабочих частот направленного ответвителя, представленного на рисунке 2.33, составляет 7,2 – 10,8 ГГц, неравномерность АЧХ в диапазоне рабочих частот – () дБ, уровень КСВН в диапазоне рабочих частот – ниже 1,5, уровень развязки между выходами прямого плеча и ответвленного – ниже 18 дБ.

На рисунке 2.35 представлена конструкция направленного ответвителя, рассчитанного на диапазон рабочих частот 12 – 18 ГГц, а рисунке 2.36 – его частотные характеристики.

Диапазон рабочих частот этого ответвителя составляет 12,2 – 15,8 ГГц, неравномерность АЧХ в диапазоне рабочих частот – () дБ, уровень КСВН в диапазоне рабочих частот – ниже 1,65, уровень развязки между выходами прямого плеча и ответвленного – ниже 14 дБ.

Рисунок 2.35 - Направленный ответвитель на связанных симметричных линиях в диапазоне 12 – 18 ГГц

а)

б)

Рисунок 2.36 - Рассчитанная АЧХ (а) и частотная зависимость КСВН (б)

Таким образом, проведенные расчеты позволяют говорить о возможности реализации направленных ответвителей на основе отрезков линий передач с использованием жидкокристаллических полимеров в широком диапазоне частот.