Делители мощности и направленные ответвители - Power dividers and directional couplers

Делители мощности (также делители мощности и, при использовании в обратном направлении, сумматоры мощности ) и направленные ответвители - это пассивные устройства, используемые в основном в области радиотехники. Они передают определенное количество электромагнитной энергии в линии передачи на порт, позволяя использовать сигнал в другой цепи. Существенной особенностью направленных ответвителей является то, что они объединяют мощность, протекающую только в одном направлении. Питание, поступающее на выходной порт, подается на изолированный порт, но не на связанный порт. Направленный ответвитель, предназначенный для равного распределения мощности между двумя портами, называется гибридным ответвителем .

Направленные ответвители чаще всего конструируются из двух связанных линий передачи, установленных достаточно близко друг к другу, так что энергия, проходящая через одну, связывается с другой. Этому методу отдают предпочтение на микроволновых частотах, где конструкции линий передачи обычно используются для реализации многих схемных элементов. Однако устройства с сосредоточенными компонентами также возможны на более низких частотах, таких как звуковые частоты, встречающиеся в телефонии . Также на микроволновых частотах, особенно в более высоких диапазонах, могут использоваться конструкции волноводов. Многие из этих волноводных ответвителей соответствуют одной из конструкций проводящих линий передачи, но есть также типы, которые уникальны для волноводов.

Направленные ответвители и делители мощности находят множество применений. К ним относятся предоставление выборки сигнала для измерения или мониторинга, обратная связь, объединение сигналов на антенны и от антенн, формирование антенного луча, обеспечение ответвлений для кабельных распределенных систем, таких как кабельное телевидение, и разделение переданных и принятых сигналов по телефонным линиям.

Обозначения и символы

Символы, наиболее часто используемые для направленных ответвителей, показаны на рисунке 1. На этом символе может быть указан коэффициент связи в дБ . Направленные ответвители имеют четыре порта . Порт 1 - это входной порт, на который подается питание. Порт 3 - это связанный порт, через который появляется часть мощности, подаваемой на порт 1. Порт 2 - это переданный порт, через который выводится мощность из порта 1, за вычетом части, которая шла на порт 3. Направленные ответвители часто бывают симметричными, поэтому также существует порт 4, изолированный порт. Часть мощности, подаваемой на порт 2, будет передаваться на порт 4. Однако устройство обычно не используется в этом режиме, и порт 4 обычно заканчивается согласованной нагрузкой (обычно 50 Ом). Это завершение может быть внутренним для устройства, и порт 4 недоступен для пользователя. Фактически это приводит к трехпортовому устройству, отсюда и полезность второго символа для направленных ответвителей на рисунке 1.

Символы формы;

${\ displaystyle P _ {\ mathrm {a, b}} \}$

в этой статье имеют значение «параметр P на порту a из-за входа на порт b ».

Символ делителей мощности показан на рисунке 2. Делители мощности и направленные ответвители по сути относятся к одному классу устройств. Направленный ответвитель обычно используется для 4-портовых устройств, которые слабо связаны, то есть лишь небольшая часть входной мощности поступает на связанный порт. Делитель мощности используется для устройств с жесткой связью (обычно делитель мощности обеспечивает половину входной мощности на каждом из своих выходных портов - делитель 3 дБ ) и обычно считается трехпортовым устройством.

Параметры

Общие свойства, необходимые для всех направленных ответвителей, - это широкая рабочая полоса пропускания , высокая направленность и хорошее согласование импеданса на всех портах, когда другие порты имеют согласованные нагрузки. Некоторые из этих и других общих характеристик обсуждаются ниже.

Коэффициент связи

Коэффициент связи определяется как: ${\ Displaystyle C_ {3,1} = 10 \ log {\ left ({\ frac {P_ {3}} {P_ {1}}} \ right)} \ quad {\ rm {дБ}}}$

где P ₁ - входная мощность на порте 1, а P ₃ - выходная мощность из соединенного порта (см. рисунок 1).

Коэффициент связи представляет собой основное свойство направленного ответвителя. Коэффициент связи является отрицательной величиной, он не может превышать 0 дБ для пассивного устройства и на практике не превышает −3 дБ, так как превышение этого значения приведет к большей выходной мощности от связанного порта, чем мощность от переданного порта - в действительности их роли поменялись бы местами. Хотя это отрицательная величина, знак минус часто опускается (но все же подразумевается) в бегущем тексте и диаграммах, и некоторые авторы заходят так далеко, что определяют его как положительную величину. Связь не постоянна, но зависит от частоты. Хотя различные конструкции могут уменьшить отклонения, теоретически невозможно построить идеально плоский соединитель. Направленные ответвители указаны с точки зрения точности связи в центре полосы частот.

Потеря

Вносимые потери основной линии от порта 1 к порту 2 (P ₁ - P ₂ ) составляют:

Вносимые потери: ${\ Displaystyle L_ {i2,1} = - 10 \ log {\ left ({\ frac {P_ {2}} {P_ {1}}} \ right)} \ quad {\ rm {дБ}}}$

Частично эти потери связаны с некоторой мощностью, поступающей на связанный порт, и называются потерями связи и определяются по формуле:

Потери сцепления: ${\ Displaystyle L_ {c2,1} = - 10 \ log {\ left (1 - {\ frac {P_ {3}} {P_ {1}}} \ right)} \ quad {\ rm {дБ}}}$

Вносимые потери идеального направленного ответвителя полностью состоят из потерь связи. Однако в реальном направленном ответвителе вносимые потери состоят из комбинации потерь связи, диэлектрических потерь, потерь в проводнике и потерь КСВН . В зависимости от частотного диапазона, потери связи становятся менее значительными при превышении уровня связи 15 дБ, где другие потери составляют большую часть общих потерь. Теоретические вносимые потери (дБ) в зависимости от связи (дБ) для бездиссипативного ответвителя показаны на графике на рисунке 3 и в таблице ниже.

Вносимые потери из-за муфты

Связь	Вносимая потеря
дБ	дБ
3	3,00
6	1,25
10	0,458
20	0,0436
30	0,00435

Изоляция

Изоляцию направленного ответвителя можно определить как разницу уровней сигнала в дБ между входным портом и изолированным портом, когда два других порта терминируются согласованными нагрузками, или:

Изоляция: ${\ displaystyle I_ {4,1} = - 10 \ log {\ left ({\ frac {P_ {4}} {P_ {1}}} \ right)} \ quad {\ rm {дБ}}}$

Изоляция также может быть определена между двумя выходными портами. В этом случае один из выходных портов используется как вход; другой считается выходным портом, в то время как два других порта (входной и изолированный) закрываются согласованными нагрузками.

Как следствие: ${\ displaystyle I_ {3,2} = - 10 \ log {\ left ({\ frac {P_ {3}} {P_ {2}}} \ right)} \ quad {\ rm {дБ}}}$

Изоляция между входом и изолированными портами может отличаться от изоляции между двумя выходными портами. Например, изоляция между портами 1 и 4 может составлять 30 дБ, а изоляция между портами 2 и 3 может иметь другое значение, например 25 дБ . Изоляцию можно оценить по муфте и обратным потерям . Изоляция должна быть максимально высокой. В реальных соединителях изолированный порт никогда не бывает полностью изолированным. Некоторая мощность RF будет присутствовать всегда. Наилучшую изоляцию будут иметь волноводные направленные ответвители.

Направленность

Направленность напрямую связана с изоляцией. Это определяется как:

Направленность: ${\ displaystyle D_ {3,4} = - 10 \ log {\ left ({\ frac {P_ {4}} {P_ {3}}} \ right)} = - 10 \ log {\ left ({\ frac {P_ {4}} {P_ {1}}} \ right)} + 10 \ log {\ left ({\ frac {P_ {3}} {P_ {1}}} \ right)} \ quad {\ rm {дБ}}}$

где: P ₃ - выходная мощность из связанного порта, а P ₄ - выходная мощность из изолированного порта.

Направленность должна быть максимально высокой. На проектной частоте направленность очень высока и является более чувствительной функцией частоты, поскольку зависит от подавления двух волновых составляющих. Наилучшую направленность будут иметь волноводные направленные ответвители. Направленность не поддается непосредственному измерению и рассчитывается путем сложения измерений изоляции и (отрицательной) связи как:

${\ Displaystyle D_ {3,4} = I_ {4,1} + C_ {3,1} \ quad {\ rm {дБ}}}$

Обратите внимание, что если используется положительное определение сцепления, формула дает:

${\ displaystyle D_ {3,4} = I_ {4,1} -C_ {3,1} \ quad {\ rm {дБ}}}$

S-параметры

S-матрица для идеальной (бесконечной изоляции и идеально подходят) симметричны направленный ответвитель задается,

${\ displaystyle \ mathbf {S} = {\ begin {bmatrix} 0 & \ tau & \ kappa & 0 \\\ tau & 0 & 0 & \ kappa \\\ kappa & 0 & 0 & \ tau \\ 0 & \ kappa & \ tau & 0 \ end {bmatrix} }}$

${\ Displaystyle \ тау \}$ - коэффициент передачи и,

${\ Displaystyle \ каппа \}$ коэффициент связи

В общем, и являются комплексными , частотно-зависимыми числами. Нули на главной диагонали матрицы являются следствием идеального согласования - мощность, подаваемая на какой-либо порт, не отражается обратно на тот же порт. Нули на антидиагонали матрицы являются следствием идеальной изоляции между входом и изолированным портом. ${\ Displaystyle \ тау \}$${\ Displaystyle \ каппа \}$

Для пассивного направленного ответвителя без потерь мы должны дополнительно иметь:

${\ displaystyle \ tau {\ overline {\ tau}} + \ kappa {\ overline {\ kappa}} = 1}$

поскольку мощность, поступающая на входной порт, должна полностью уходить через один из двух других портов.

Вносимые потери связаны с; ${\ Displaystyle \ тау \}$

${\ Displaystyle L (\ mathrm {дБ}) = - 20 \ log | \ тау | \}$

Коэффициент связи связан с; ${\ Displaystyle \ каппа \}$

${\ Displaystyle С (\ mathrm {дБ}) = 20 \ журнал | \ каппа | \}$

Ненулевые записи по главной диагонали связаны с возвратными потерями , а ненулевые антидиагональные записи связаны с изоляцией аналогичными выражениями.

Некоторые авторы определяют номера портов, поменяв местами порты 3 и 4. Это приводит к матрице рассеяния, которая больше не состоит из нулей на антидиагонали.

Амплитудный баланс

Эта терминология определяет разницу мощности в дБ между двумя выходными портами гибрида на 3 дБ . В идеальной гибридной схеме разница должна составлять 0 дБ . Однако на практике баланс амплитуд зависит от частоты и отклоняется от идеальной разницы в 0 дБ .

Фазовый баланс

Разность фаз между двумя выходными портами гибридного ответвителя должна составлять 0 °, 90 ° или 180 ° в зависимости от используемого типа. Однако, как и баланс амплитуд, разность фаз чувствительна к входной частоте и обычно изменяется на несколько градусов.

Типы линий передачи

Направленные ответвители

Спаренные линии передачи

Наиболее распространенная форма направленного ответвителя - это пара связанных линий передачи. Они могут быть реализованы в ряде технологий, включая коаксиальную и планарную технологии ( полосковая и микрополосковая ). Полосковая реализация направленного ответвителя на четверть длины волны (λ / 4) показана на рисунке 4. Электропитание в связанной линии течет в направлении, противоположном силе на основной линии, поэтому расположение портов не такое, как показано на рисунке 1, но нумерация остается той же. По этой причине его иногда называют обратным ответвителем .

Основная линия представляет собой участок между портами 1 и 2 и соединенной линией является разделом между портами 3 и 4. Так как направленный ответвителем является линейным устройством, обозначения на рисунке 1 , являются произвольными. Любой порт может быть входом (пример показан на рисунке 20), что приведет к тому, что напрямую подключенный порт будет переданным портом, соседний порт будет связанным портом, а диагональный порт будет изолированным портом. На некоторых направленных ответвителях основная линия предназначена для работы с высокой мощностью (большие разъемы), в то время как для связанного порта может использоваться небольшой разъем, такой как разъем SMA . Внутренняя нагрузка номинальной мощности могут также ограничить операцию по спаренной линии.

Точность коэффициента связи зависит от допусков на размер расстояния между двумя соединенными линиями. Для технологий планарной печати это сводится к разрешающей способности процесса печати, которая определяет минимальную ширину дорожки, которая может быть произведена, а также устанавливает ограничение на то, насколько близко линии могут быть расположены друг к другу. Это становится проблемой, когда требуется очень плотная связь, а ответвители на 3 дБ часто используют другую конструкцию. Однако плотно связанные линии могут изготавливаться на воздушной полосовой линии, что также позволяет производить их по печатной планарной технологии. В этом дизайне две линии напечатаны на противоположных сторонах диэлектрика, а не рядом. Соединение двух линий по их ширине намного больше, чем соединение, когда они расположены друг к другу ребром.

Конструкция связанных линий λ / 4 хороша для реализаций коаксиальных и полосковых линий, но не так хорошо работает в популярном ныне формате микрополосковых линий, хотя конструкции действительно существуют. Причина этого в том, что микрополоска не является однородной средой - есть две разные среды выше и ниже полосы пропускания. Это приводит к режимам передачи, отличным от обычного режима ТЕМ, обнаруживаемого в проводящих цепях. Скорости распространения четных и нечетных мод различны, что приводит к дисперсии сигнала. Лучшее решение для микрополосковой линии - это линия связи, намного короче, чем λ / 4, показанная на рисунке 5, но это имеет недостаток в виде коэффициента связи, который заметно возрастает с увеличением частоты. Вариант этой конструкции, с которой иногда встречаются, имеет более высокий импеданс соединенной линии, чем основная линия, как показано на рисунке 6. Эта конструкция выгодна, когда ответвитель подается на детектор для контроля мощности. Линия с более высоким импедансом приводит к более высокому высокочастотному напряжению для данной мощности основной линии, что упрощает работу детекторного диода.

Частотный диапазон, указанный производителями, соответствует диапазону связанной линии. Отклик основной линии намного шире: например, ответвитель, указанный как 2–4 ГГц, может иметь основную линию, которая может работать на частоте 1–5 ГГц . Связанный отклик периодичен с частотой. Например, ответвитель на соединенных линиях λ / 4 будет иметь отклики при n λ / 4, где n - нечетное целое число.

Одиночная секция, связанная с λ / 4, хороша для полос частот менее октавы. Для достижения большей полосы пропускания используются несколько секций связи λ / 4. Конструкция таких ответвителей во многом аналогична конструкции фильтров с распределенными элементами . Секции ответвителя рассматриваются как секции фильтра, и, регулируя коэффициент связи каждой секции, соединенный порт может иметь любой из классических характеристик фильтра, таких как максимально ровный ( фильтр Баттерворта ), равномерный ( Фильтр Кауэра ) или ответ с заданной пульсацией ( фильтр Чебычева ). Пульсация - это максимальное изменение выходного сигнала связанного порта в его полосе пропускания , обычно указываемое как плюс или минус значение в дБ от номинального коэффициента связи.

Можно показать, что направленные ответвители на связанных линиях имеют чисто реальные и чисто мнимые на всех частотах. Это приводит к упрощению S-матрицы и результату, что связанный порт всегда находится в квадратурной фазе (90 °) с портом вывода. Некоторые приложения используют эту разность фаз. Допустим , идеальный случай работы без потерь упрощает: ${\ Displaystyle \ тау \}$${\ Displaystyle \ каппа \}$${\ Displaystyle \ каппа = я \ каппа _ {\ mathrm {I}} \}$

${\ Displaystyle \ тау ^ {2} + {\ каппа _ {\ mathrm {I}}} ^ {2} = 1 \}$

Ответвитель

Ответвитель состоит из двух параллельных линий передачи, физически соединенных вместе с двумя или более ответвлениями между ними. Линии ответвления разнесены на λ / 4 друг от друга и представляют секции конструкции многосекционного фильтра таким же образом, как и несколько секций ответвителя, за исключением того, что здесь связь каждой секции регулируется импедансом линий ответвления. . Основная и связанная линии относятся к системному сопротивлению. Чем больше секций в ответвителе, тем выше соотношение импедансов ответвлений. Линии с высоким импедансом имеют узкие дорожки, и это обычно ограничивает конструкцию тремя секциями в плоских форматах из-за производственных ограничений. Аналогичное ограничение применяется для коэффициентов связи менее 10 дБ ; низкое сцепление также требует узких гусениц. Связанные линии являются лучшим выбором, когда требуется слабая связь, но ответвители хороши для плотной связи и могут использоваться для гибридов 3 дБ . Ответвители обычно не имеют такой широкой полосы пропускания, как связанные линии. Этот тип соединителя хорошо подходит для использования в мощных, воздушных диэлектриках, сплошных стержнях, так как жесткую конструкцию легко поддерживать механически. ${\ displaystyle \ scriptstyle {\ sqrt {2}}}$

Разветвители ответвлений могут использоваться в качестве кроссоверов в качестве альтернативы воздушным мостам , которые в некоторых приложениях вызывают неприемлемую связь между пересекаемыми линиями. Теоретически идеальный кроссовер ответвления не имеет связи между двумя проходящими через него путями. Конструкция представляет собой 3-ответвительный ответвитель, эквивалентный двум гибридным ответвителям 3 дБ 90 °, соединенным в каскад . В результате получается ответвитель 0 дБ . Он переключает входы на диагонально противоположные выходы с фазовой задержкой 90 ° в обеих линиях.

Муфта Ланге

Конструкция ответвителя Ланге аналогична встречно-штыревому фильтру с чередующимися параллельными линиями для достижения связи. Он используется для прочных соединений в диапазоне от 3 дБ до 6 дБ .

Делители мощности

Самые ранние делители мощности линии передачи были простыми Т-образными переходниками. Они страдают от очень плохой изоляции между выходными портами - большая часть мощности, отраженной обратно от порта 2, попадает в порт 3. Можно показать, что теоретически невозможно одновременно согласовать все три порта пассивного без потерь. трехпортовый и плохая изоляция неизбежны. Однако это возможно с четырьмя портами, и это основная причина, по которой четырехпортовые устройства используются для реализации трехпортовых делителей мощности: четырехпортовые устройства могут быть спроектированы так, чтобы мощность, поступающая на порт 2, распределялась между портом 1 и порт 4 (который заканчивается соответствующей нагрузкой), и ни один (в идеальном случае) не идет на порт 3.

Термин « гибридный ответвитель» первоначально применялся к направленным ответвителям с линейной связью 3 дБ , то есть к направленным ответвителям, в которых каждый из двух выходов составляет половину входной мощности. Это синонимично означало квадратурный ответвитель на 3 дБ с выходами, сдвинутыми по фазе на 90 °. Теперь любой согласованный 4-портовый с изолированными плечами и равным разделением мощности называется гибридным или гибридным ответвителем. Другие типы могут иметь другие фазовые отношения. Если 90 °, это гибрид 90 °, если 180 °, гибрид 180 ° и так далее. В этой статье под гибридным соединителем без квалификации подразумевается гибрид со спаренной линией.

Делитель мощности Уилкинсона

Делитель мощности Уилкинсона состоит из двух параллельных несвязанных линий λ / 4 передачи. Вход подается на обе линии параллельно, а выходы имеют оконечное сопротивление, в два раза превышающее системное сопротивление, подключенное между ними. Конструкция может быть реализована в плоском формате, но она имеет более естественную реализацию в коаксиальном кабеле - в планарной схеме две линии должны быть отделены друг от друга, чтобы они не соединялись, а были соединены на своих выходах, чтобы их можно было завершить, тогда как в коаксиальном кабеле линии можно прокладывать бок о бок, полагаясь на экранирование внешних коаксиальных проводников. Делитель мощности Уилкинсона решает проблему согласования простого Т-образного перехода: он имеет низкий КСВН на всех портах и ​​высокую изоляцию между портами вывода. Входной и выходной импедансы на каждом порте должны быть равны характеристическому импедансу микроволновой системы. Это достигается за счет того, что импеданс линии соответствует импедансу системы - для системы с сопротивлением 50 Ом линии Уилкинсона составляют приблизительно 70 Ом.${\ displaystyle \ scriptstyle {\ sqrt {2}}}$

Гибридный соединитель

Направленные ответвители со связанными линиями описаны выше. Если связь рассчитана на 3 дБ, она называется гибридным ответвителем. S-матрица для идеального симметричного гибридного ответвителя сводится к;

${\ displaystyle \ mathbf {S} = {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} {\ begin {bmatrix} 0 & -i & -1 & 0 \\ - i & 0 & 0 & -1 \\ - 1 & 0 & 0 & -i \\ 0 & - 1 & -i & 0 \ end {bmatrix}}}$

Два выходных порта имеют разность фаз 90 ° (от - i до -1), так что это гибрид 90 °.

Гибридный кольцевой соединитель

Гибридного кольца муфта , которая также называется крыса-раса ответвитель, представляет собой четыре порта 3 дБ направленный ответвитель , состоящий из 3λ / 2 кольца линии передачи с четырьмя линиями в интервалах , показанных на рисунке 12. Потребляемая мощность в порт 1 и расщепляется путешествует в обе стороны по кольцу. На порты 2 и 3 сигнал поступает синфазно и складывается, тогда как на порте 4 он не совпадает по фазе и отменяется. Порты 2 и 3 находятся в фазе друг с другом, поэтому это пример гибрида 0 °. На рисунке 12 показана планарная реализация, но эта конструкция также может быть реализована в коаксиальном или волноводном исполнении. Можно изготовить ответвитель с коэффициентом связи, отличным от 3 дБ , сделав каждый участок кольца λ / 4 попеременно низким и высоким импедансом, но для ответвителя на 3 дБ все кольцо состоит из импедансов портов - для 50 Ом конструкция кольца будет примерно 70 Ом . ${\ displaystyle \ scriptstyle {\ sqrt {2}}}$

S-матрица для этого гибрида равна;

${\ displaystyle \ mathbf {S} = {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} {\ begin {bmatrix} 0 & -i & -i & 0 \\ - i & 0 & 0 & i \\ - i & 0 & 0 & -i \\ 0 & i & -i & 0 \ конец {bmatrix}}}$

Гибридное кольцо не является симметричным по своим портам; выбор другого порта в качестве входа не обязательно дает те же результаты. С портом 1 или портом 3 в качестве входа гибридное кольцо, как указано, является гибридным с углом 0 °. Однако использование порта 2 или порта 4 в качестве входа приводит к гибриду на 180 °. Этот факт приводит к другому полезному применению гибридного кольца: его можно использовать для создания суммарных (Σ) и разностных (Δ) сигналов из двух входных сигналов, как показано на рисунке 12. При вводе в порты 2 и 3 появляется сигнал Σ. на порте 1, а сигнал Δ появляется на порте 4.

Несколько выходных делителей

Типичный делитель мощности показан на рисунке 13. В идеале входная мощность должна делиться поровну между портами вывода. Делители состоят из нескольких ответвителей и, как и ответвители, могут быть перевернуты и использоваться в качестве мультиплексоров . Недостатком является то, что для четырехканального мультиплексора выходная мощность составляет только 1/4 мощности каждого из них, и это относительно неэффективно. Причина этого в том, что на каждом сумматоре половина входной мощности поступает на порт 4 и рассеивается на нагрузочной нагрузке. Если бы два входа были когерентными, фазы можно было бы расположить так, чтобы аннулирование происходило на порте 4, а затем вся мощность шла бы на порт 1. Однако входы мультиплексора обычно поступают из полностью независимых источников и, следовательно, не когерентны. Мультиплексирование без потерь возможно только с фильтрующими сетями.

Типы волноводов

Волноводные направленные ответвители

Волноводный ответвитель

Ветка ответвитель описано выше , также может быть реализован в волноводе.

Направленный ответвитель с отверстием Бете

Одним из наиболее распространенных и простых волноводных направленных ответвителей является направленный ответвитель типа Бете-Дыр. Он состоит из двух параллельных волноводов, расположенных друг над другом с отверстием между ними. Часть энергии из одной направляющей запускается через отверстие в другую. Ответвитель с отверстием Бете - еще один пример обратного ответвителя.

Концепция соединителя отверстий Бете может быть расширена за счет создания нескольких отверстий. Отверстия расположены на расстоянии λ / 4 друг от друга. Конструкция таких ответвителей параллельна многосекционным линиям электропередачи. Использование нескольких отверстий позволяет расширить полосу пропускания за счет проектирования секций как фильтров Баттерворта, Чебышева или какого-либо другого класса. Размер отверстия выбирается таким образом, чтобы обеспечить желаемое соединение для каждой секции фильтра. Критерии проектирования заключаются в достижении по существу плоской связи вместе с высокой направленностью в нужном диапазоне.

Соединитель с короткими пазами Riblet

Соединитель с короткими пазами Riblet представляет собой два волновода, расположенных бок о бок с общей боковой стенкой, а не с длинной стороной, как в соединителе с отверстиями Бете. В боковой стенке прорезана прорезь для сцепления. Эта конструкция часто используется для изготовления ответвителя на 3 дБ .

Обратно-фазный ответвитель Schwinger

Обратно-фазовый ответвитель Schwinger - это еще одна конструкция, в которой используются параллельные волноводы, на этот раз длинная сторона одного является общей с короткой боковой стенкой другого. Между волноводами, разнесенными на λ / 4, прорезаны две смещенные от центра щели. Schwinger - обратный соединитель. Эта конструкция имеет преимущество в виде практически плоской характеристики направленности и недостаток сильно зависимой от частоты связи по сравнению с соединителем Бете-дыр, который имеет небольшое изменение коэффициента связи.

Муфта с перекрестными направляющими Moreno

В ответвителе Moreno с перекрестными волноводами есть два волновода, уложенных друг на друга, как в ответвителе с отверстиями Бете, но под прямым углом друг к другу, а не параллельно. По диагонали между волноводами на некотором расстоянии друг от друга вырезаются два смещенных от центра отверстия, обычно крестообразные . Муфта Moreno подходит для плотных соединений. Это компромисс между свойствами ответвителей Бете-Дыра и Швингера, при этом связь и направленность изменяются в зависимости от частоты. ${\ displaystyle \ scriptstyle {\ sqrt {2}} \ lambda / 4}$

Волноводные делители мощности

Волноводное гибридное кольцо

Гибридное кольцо обсуждалось выше , также может быть реализовано в волноводе.

Волшебная футболка

Впервые согласованное разделение мощности было осуществлено с помощью простых тройников. На микроволновых частотах тройники волновода имеют две возможные формы - E-плоскость и H-плоскость . Эти два перехода разделяют мощность поровну, но из-за различных конфигураций поля в переходе электрические поля на выходных плечах синфазны для тройника в плоскости H и сдвинуты по фазе на 180 ° для тройника в плоскости E. Комбинация этих двух тройников, образующих гибридную тройку, известна как волшебная тройка . Магический тройник - это четырехпортовый компонент, который может выполнять векторную сумму (Σ) и разность (Δ) двух когерентных микроволновых сигналов.

Типы дискретных элементов

Гибридный трансформатор

Стандартный гибридный трансформатор 3 дБ показан на рисунке 16. Мощность на порте 1 делится поровну между портами 2 и 3, но в противофазе друг к другу. Таким образом, гибридный трансформатор является гибридным на 180 °. Центральный ответвитель обычно имеет внутреннее завершение, но его можно вывести как порт 4; в этом случае гибрид может использоваться как гибрид суммы и разницы. Однако порт 4 представляет собой импеданс, отличающийся от других портов, и для преобразования импеданса потребуется дополнительный трансформатор, если требуется использовать этот порт при том же импедансе системы.

Гибридные трансформаторы обычно используются в телекоммуникациях для преобразования от 2 до 4 проводов. В телефонных трубках есть такой преобразователь для преобразования 2-проводной линии в 4-проводную, идущую от динамика и мундштука.

Трансформаторы с перекрестным соединением

Для более низких частот (менее 600 МГц ) возможна компактная широкополосная реализация с помощью ВЧ трансформаторов . На рисунке 17 показана схема, предназначенная для слабой связи, и ее можно понять по следующим линиям: Сигнал идет по одной паре линий. Один трансформатор снижает напряжение сигнала, другой - ток. Следовательно, импеданс согласован. Тот же аргумент справедлив для любого другого направления сигнала через ответвитель. Относительный знак наведенного напряжения и тока определяет направление исходящего сигнала.

Муфта определяется выражением;

${\ Displaystyle C_ {3,1} = 20 \ журнал п \}$

где n - отношение витков вторичной обмотки к первичной.

Для связи 3 дБ это равное разделение сигнала между переданным портом и связанным портом, а изолированный порт имеет оконечное сопротивление, в два раза превышающее характеристическое сопротивление - 100 Ом для системы 50 Ом . 3 дБ делителя мощности на основе этой схемы имеет два выхода на 180 ° фазы друг с другом, по сравнению с λ / 4 , соединенные линиями , которые имеют фазовое соотношение 90 °. ${\ Displaystyle \ scriptstyle п = {\ sqrt {2}}}$

Резистивный тройник

В качестве делителя мощности можно использовать простую тройниковую схему из резисторов, как показано на рисунке 18. Эта схема также может быть реализована как схема треугольника, применяя преобразование Y-Δ . В дельта-форме используются резисторы, равные сопротивлению системы. Это может быть выгодно, потому что прецизионные резисторы, соответствующие значению полного сопротивления системы, всегда доступны для большинства номинальных сопротивлений системы . Тройник имеет преимущества простоты, низкой стоимости и широкой полосы пропускания. У него есть два основных недостатка; Во-первых, схема будет рассеивать мощность, поскольку она резистивная: равное разделение приведет к вносимым потерям 6 дБ вместо 3 дБ . Вторая проблема заключается в том, что направленность 0 дБ приводит к очень плохой изоляции между выходными портами.

Вносимые потери не являются такой проблемой при неравном распределении мощности: например, -40 дБ на порте 3 имеет вносимые потери менее 0,2 дБ на порте 2. Изоляция может быть улучшена за счет вносимых потерь на обоих выходных портах с помощью замена выходных резисторов на Т-образные контактные площадки . Улучшение изоляции больше, чем добавленные вносимые потери.

Гибридный резистивный мост 6 дБ

Настоящий гибридный делитель / ответвитель с теоретической бесконечной развязкой и направленностью может быть выполнен из резистивной мостовой схемы. Как и тройник, у моста вносимые потери 6 дБ . Его недостаток состоит в том, что его нельзя использовать с несимметричными цепями без добавления трансформаторов; однако он идеально подходит для симметричных телекоммуникационных линий с сопротивлением 600 Ом, если вносимые потери не являются проблемой. Резисторы в мосте, которые представляют порты, обычно не являются частью устройства (за исключением порта 4, который вполне может быть оставлен постоянно подключенным внутри), они обеспечиваются заделками линии. Таким образом, устройство состоит из двух резисторов (плюс оконечная нагрузка порта 4).

Приложения

Мониторинг

Связанный выход направленного ответвителя можно использовать для контроля частоты и уровня мощности сигнала без прерывания основного потока мощности в системе (за исключением снижения мощности - см. Рисунок 3).

Использование изоляции

Если изоляция высока, направленные ответвители хороши для объединения сигналов для подачи одной линии на приемник для двухтональных тестов приемника . На рисунке 20 один сигнал поступает в порт P _3, другой - в порт P ₂ , а оба выходят из порта P ₁ . Сигнал от порта P ₃ к порту P ₁ будет испытывать потери 10 дБ , а сигнал от порта P ₂ к порту P ₁ будет иметь потери 0,5 дБ . Внутренняя нагрузка на изолированный порт будет рассеивать потери сигнала от порта P ₃ и порта P ₂ . Если пренебречь изоляторами на рисунке 20, измерение изоляции (от порта P ₂ до порта P ₃ ) определяет количество энергии от генератора сигналов F _2, которое будет подаваться в генератор сигналов F ₁ . По мере увеличения уровня впрыска это может вызвать модуляцию генератора сигналов F ₁ или даже синхронизацию фазы впрыска. Из-за симметрии направленного ответвителя обратная инжекция будет происходить с теми же возможными проблемами модуляции генератора сигналов F ₂ посредством F ₁ . Поэтому изоляторы на рис. 20 используются для эффективного увеличения развязки (или направленности) направленного ответвителя. Следовательно, потери при инжекции будут представлять собой изоляцию направленного ответвителя плюс обратную изоляцию изолятора.

Гибриды

Применения гибрида включают моноимпульсные компараторы, смесители , сумматоры мощности, делители, модуляторы и антенные системы радаров с фазированной решеткой . Как синфазные устройства (такие как делитель Уилкинсона), так и квадратурные (90 °) гибридные ответвители могут использоваться для когерентных делителей мощности. Пример квадратурных гибридов, используемых в приложении когерентного сумматора мощности, приведен в следующем разделе.

Недорогая версия делителя мощности используется в домашних условиях для разделения сигналов кабельного или эфирного телевидения на несколько телевизоров и других устройств. Многопортовые разветвители с более чем двумя выходными портами обычно состоят из нескольких каскадных соединителей. Внутренний широкополосный доступ в Интернет может быть предоставлен компаниями кабельного телевидения ( кабельный Интернет ). Кабельный интернет- модем домашнего пользователя подключается к одному порту разветвителя.

Сумматоры мощности

Поскольку гибридные схемы двунаправлены, их можно использовать как для когерентного объединения мощности, так и для ее разделения. На рисунке 21 показан пример разделения сигнала для подачи на несколько усилителей малой мощности, а затем рекомбинации для подачи на одну антенну с высокой мощностью.

Фазы входов в каждый сумматор мощности расположены так, что два входа не совпадают по фазе на 90 ° друг с другом. Поскольку связанный порт гибридного сумматора смещен по фазе на 90 ° с переданным портом, это приводит к суммированию мощностей на выходе сумматора и отмене на изолированном порте: типичный пример с рисунка 21 показан на рисунке 22. Обратите внимание, что есть дополнительный фиксированный фазовый сдвиг 90 ° для обоих портов на каждом сумматоре / делителе, который не показан на схемах для простоты. Применение синфазного питания к обоим входным портам не приведет к желаемому результату: квадратурная сумма двух входов появится на обоих выходных портах, что составляет половину общей мощности каждого из них. Такой подход позволяет использовать в схемах множество менее дорогих и маломощных усилителей вместо одной мощной ЛБВ . Еще один подход состоит в том, чтобы каждый твердотельный усилитель (SSA) питал антенну и позволял объединять мощность в пространстве или использовать для питания линзы, прикрепленной к антенне.

Разность фаз

Фазовые свойства 90-градусного гибридного ответвителя могут быть использованы с большим преимуществом в микроволновых цепях. Например, в сбалансированном СВЧ-усилителе два входных каскада питаются через гибридный ответвитель. Устройство на полевом транзисторе обычно имеет очень плохое согласование и отражает большую часть падающей энергии. Однако, поскольку устройства по существу идентичны, коэффициенты отражения от каждого устройства равны. Отраженное напряжение от полевых транзисторов синфазно на изолированном порте и различается на 180 ° на входном порте. Следовательно, вся отраженная мощность от полевых транзисторов поступает на нагрузку изолированного порта, а мощность на входной порт не поступает. Это приводит к хорошему входному согласованию (низкий КСВН).

Если согласованные по фазе линии используются для входа антенны в гибридный ответвитель на 180 °, как показано на рисунке 23, ноль будет возникать непосредственно между антеннами. Чтобы получить сигнал в этой позиции, нужно либо изменить тип гибрида, либо длину линии. Это хороший подход, чтобы отклонить сигнал с заданного направления или создать разностную диаграмму для моноимпульсного радара .

Фазо-разностные ответвители можно использовать для создания наклона луча на УКВ FM- радиостанции , задерживая фазу до нижних элементов антенной решетки . В более общем смысле, разностные ответвители вместе с фиксированными фазовыми задержками и антенными решетками используются в схемах формирования луча, таких как матрица Батлера , для создания луча радиосвязи в любом заданном направлении.

Смотрите также

• Звездная муфта
• Светоделитель

использованная литература

Библиография

 Эта статья включает в себя  материалы, являющиеся общественным достоянием, из документа Департамента авионики Центра авиационной борьбы ВМС: «Справочник по проектированию радиоэлектронной борьбы и радиолокационных систем (номер отчета TS 92-78)» . Проверен 9 июнь 2 006 . (стр. 6–4.1–6–4.5 Делители мощности и ответвители)

• Стивен Дж. Бигелоу, Джозеф Дж. Карр, Стив Уиндер, Понимание телефонной электроники Newnes, 2001 ISBN  0-7506-7175-0 .
• Джефф Х. Брайант, Принципы микроволновых измерений , Институт инженеров-электриков, 1993 ISBN  0-86341-296-3 .
• Роберт Дж. Чапуис, Амос Э. Джоэл, 100 лет телефонной коммутации (1878–1978): электроника, компьютеры и телефонная коммутация (1960–1985) , IOS Press, 2003 ISBN  1-58603-372-7 .
• Уолтер Ю. Чен, Основы домашних сетей , Prentice Hall Professional, 2003 ISBN  0-13-016511-5 .
• Р. Комитанджело, Д. Минервини, Б. Пиовано, " Лучшеобразующие сети оптимального размера и компактности для многолучевых антенн на частоте 900 МГц" , Международный симпозиум IEEE Antennas and Propagation Society 1997 , вып. 4. С. 2127-2130, 1997.
• Стивен А. Дайер, Обзор средств измерений и измерений Wiley-IEEE, 2001 ISBN  0-471-39484-X .
• Kyōhei Fujimoto, Справочник по мобильным антенным системам , Artech House, 2008 ISBN  1-59693-126-4 .
• Престон Гралла, Как работает Интернет , Que Publishing, 1998 ISBN  0-7897-1726-3 .
• Ян Хикман, Практический справочник по радиочастотам , Newnes, 2006 ISBN  0-7506-8039-3 .
• Апинья Иннок, Пирапонг Утансакул, Монтиппа Утансакул, "Техника углового формирования луча для системы формирования луча MIMO" , Международный журнал антенн и распространения , вып. 2012, вып. 11 декабря 2012 г.
• Томас Корю Исии, Справочник по микроволновой технологии: компоненты и устройства , Academic Press, 1995 ISBN  0-12-374696-5 .
• Ю. Т. Ло, С. В. Ли, Справочник по антеннам: приложения , Springer, 1993 ISBN  0-442-01594-1 .
• Matthaei, George L .; Янг, Лео и Джонс, СВЧ-фильтры EMT , согласующие импеданс сети и соединительные структуры McGraw-Hill 1964 OCLC  299575271
• Д. Морган, Справочник по тестированию и измерению ЭМС , IET, 1994 ISBN  0-86341-756-6 .
• Антти В. Ряйсянен, Арто Лехто, Радиотехника для беспроводной связи и сенсорных приложений , Artech House, 2003 ISBN  1-58053-542-9 .
• KR Reddy, SB Badami, V. Balasubramanian, Колебания и волны , Universities Press, 1994 ISBN  81-7371-018-X .
• Питер Визмюллер, Руководство по радиочастотному проектированию: системы, схемы и уравнения, Том 1 , Artech House, 1995 ISBN  0-89006-754-6 .