Направленный ответвитель свч своими руками
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 08.09.2024
Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для ответвления из высокочастотного тракта части мощности одной из двух бегущих волн, распространяющихся по линии в противоположных направлениях. Изобретение позволяет использовать направленный ответвитель в более коротковолновом, вплоть до субмиллиметрового, диапазоне длин волн при малых габаритах и простоте изготовления. Разработанный ответвитель содержит отрезок 1 прямоугольного волновода, в котором параллельно широким стенкам установлена проводящая пластина 3, формирующая три плеча волноводного типа. Первое плечо образовано отрезком 1 волновода. Два других плеча, расположенных на противоположном конце отрезка 1 волновода, образованы стенками волновода и проводящей пластиной 3. В одном из этих плеч установлена согласованная нагрузка 5. В проводящей пластине 3 выполнена щель 6, которая вместе со стенками волновода образует отрезок волноводно-щелевой линии, являющийся четвертым плечом няправленного ответвителя. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Формула изобретения
1. Направленный ответвитель СВЧ мощности, содержащий отрезок прямоугольного волновода, в котором параллельно широким стенкам установлена проводящая пластина, и отрезок линии другого типа, имеющий выход на узкой стенке отрезка прямоугольного волновода, при этом первое плечо образовано отрезком прямоугольного волновода, два других плеча образованы стенками прямоугольного волновода и проводящей пластиной, а четвертым плечом является отрезок линии другого типа, отличающийся тем, что отрезок линии другого типа представляет собой волноводно-щелевую линию, образованную щелью, выполненной в проводящей пластине, и стенками отрезка прямоугольного волновода, а одно из плеч, образованных стенками отрезка прямоугольного волновода и проводящей пластиной, нагружено на согласованную нагрузку.
2. Направленный ответвитель по п.1, отличающийся тем, что щель в металлической пластине выполнена по одну сторону продольной плоскости отрезка прямоугольного волновода под углом к ней, меньшим arctg 2a/, где - средняя длина волны в волноводе, a - ширина отрезка волновода, причем конец щели, противоположный выходу волноводно-щелевой линии на узкой стенке волновода, нагружен на согласованную нагрузку.
3. Направленный ответвитель по п.1, отличающийся тем, что металлическая пластина, расположенная в отрезке прямоугольного волновода, выполнена на диэлектрической подложке.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для ответвления из высокочастотного тракта части мощности одной из двух бегущих волн, распространяющихся по линии в противоположных направлениях.
Известные устройства для ответвления части мощности одной из двух бегущих волн, распространяющихся по линии в противоположных направлениях, содержат прямоугольный волновод, соединенный отверстиями связи с волноводной линией того же или иного типа с образованием четырех волноводных плеч, через которые устройство подключается к СВЧ цепям.
Общими недостатками данных устройств являются недостаточная величина направленности и узкополосность относительно рабочей полосы частот волновода при малом числе отверстий связи. Улучшение направленности и расширение полосы рабочих частот ответвителей данного типа достигается за счет большого числа отверстий связи, однако одновременно увеличиваются габариты конструкции, усложняется технология при изготовлении, что ограничивает их применение в малогабаритной и дешевой аппаратуре.
Наиболее близкой к заявляемой является конструкция волноводно-коаксиального мостового устройства [А.с. СССР N 167550, кл. H 01 P 5/18, 1965]. Устройство выполнено в виде отрезка прямоугольного волновода, разделенного на две половины металлической пластиной, расположенной внутри волновода параллельно его широкой стенке. Один конец пластины плавно переходит во внутренний проводник коаксиальной линии, связанной с волноводом через отверстие в его узкой стенке.
Недостатком конструкции является наличие отрезка коаксиальной линии, имеющей большие и сильнее возрастающие с частотой, по сравнению с полыми волноводами, потери СВЧ мощности, что затрудняет применение устройства в миллиметровом диапазоне волн. Кроме того, в случае использования данной конструкции мостового устройства в качестве направленного ответвителя мощности, отрезок коаксиальной линии требует, для обеспечения широкополосности устройства, центрального расположения проводящей пластины внутри отрезка прямоугольного волновода с делением его на две половины, обеспечивающего равное деление СВЧ мощности волны прямоугольного волновода по плечам устройства, образованным стенками отрезка волновода и металлической пластиной. Такое расположение проводящей пластины не позволяет варьировать величиной переходного ослабления и уменьшить потери в основной линии ответвителя за счет минимизации потерь мощности в плече, нагруженном на согласованную нагрузку.
Задачей изобретения является разработка конструкции направленного ответвителя СВЧ мощности, состоящего из отрезков полых волноводов, обладающей возможностью перераспределения СВЧ мощности по волноводным плечам в необходимой пропорции, имеющей меньшие потери мощности в плече, выполненном на другом типе волновода, и пригодной для использования в качестве эффективного направленного ответвителя мощности в более коротком, вплоть до субмиллиметрового, диапазоне длин волн.
Один из технических результатов данного изобретения - применимость в более коротковолновом диапазоне длин волн достигается за счет использования отрезка волноводно-щелевой линии, связанной с отрезком прямоугольного волновода через отверстие в его узкой стенке. Расположением же металлической пластины относительно широкой стенки волновода и шириной выполненной в ней щели отрезка волноводно-щелевой линии достигается возможность изменения величины переходного ослабления и потерь мощности в основной линии предлагаемого устройства. В этом случае в одно из плеч, образованных стенками волновода и проводящей пластиной, установлена согласованная нагрузка и предлагаемое устройство представляет собой ответвитель мощности.
Для решения поставленной задачи разработанный направленный ответвитель мощности содержит, как и прототип, отрезок прямоугольного волновода, в котором параллельно широким стенкам установлена проводящая пластина, и отрезок линии другого типа, имеющий выход на узкой стенке отрезка прямоугольного волновода, при этом первое плечо образовано отрезком прямоугольного волновода, два других плеча образованы стенками отрезка прямоугольного волновода и проводящей пластиной, а четвертым плечом является отрезок линии другого типа.
Новым в разработанном направленном ответвителе является то, что отрезок линии другого типа представляет собой волноводно-щелевую линию, образованную щелью, выполненной в проводящей пластине, и стенками отрезка прямоугольного волновода, а одно из плеч, образованных стенками отрезка прямоугольного волновода и проводящей пластиной, нагружено на согласованную нагрузку.
В одном частном случае для достижения минимальной неравномерности переходного ослабления в рабочей полосе частот щель в проводящей пластине выполнена по одну сторону продольной плоскости отрезка прямоугольного волновода под углом меньшим, чем arctg 2a/ к ней (а - ширина отрезка волновода, - - средняя длина волны в волноводе).
В другом частном случае проводящая пластина в отрезке прямоугольного волновода выполнена на диэлектрической подложке.
Выполнение в конструкции существенных признаков изобретения, указанных выше, обеспечивает ее применимость для использования в качестве эффективного направленного ответвителя мощности в более коротком, вплоть до субмиллиметрового, диапазоне длин волн.
На фиг. 1 показана конструкция ответвителя с разрезом верхней части по продольной плоскости волновода; на фиг. 2 - вид со стороны плеча, образованного отрезком волновода; на фиг. 3 - а), в) - разрез по плоскости узкой стенки волновода; на фиг. 4 а), в) показаны различные конфигурации щели, выполненной в проводящей пластине.
Ответвитель содержит отрезок 1 прямоугольного волновода (см. фиг.1, 2, 3), образованное им первое плечо 2 (см. фиг. 1, 3), проводящую пластину 3 (см. фиг. 1, 2, 3, 4), расположенную в отрезке 1 прямоугольного волновода (см. фиг. 1, 2, 3) параллельно его широким стенкам. Два других волноводных плеча, расположенных на противоположном конце отрезка прямоугольного волновода 1 (см. фиг. 1, 2, 3), образованы его стенками и проводящей пластиной 3 (см. фиг. 1, 2, 3, 4). Одно из этих плеч 4 (см. фиг. 1, 2, 3) образует с первым плечом 2 (см. фиг. 1, 3) основную линию ответвителя. Другое плечо нагружено на согласованную нагрузку 5 (см. фиг. 1, 2, 3, 4б). Плечо на другом типе линии представляет собой щель 6 (см. фиг. 1, 2, 3, 4), выполненную в проводящей пластине 3 (фиг. 1, 2, 3, 4) и образующую со стенками отрезка 1 прямоугольного волновода (см. фиг. 1, 2, 3) отрезок волноводно-щелевой линии, имеющей выход 7 (см. фиг. 1, 3, 4) на узкой стенке отрезка 1 волновода.
В частном случае выполнения ответвителя для достижения минимальной неравномерности переходного ослабления в рабочей полосе частот щель 6 в диафрагме 3 может быть выполнена под углом к продольной (центральной) плоскости отрезка 1 волновода, таким, что o к продольной плоскости отрезка 1 волновода. Длина щели 6 равна 11 мм, а ее ширина 10 поля прямоугольного волновода поступает на первое плечо 2, образованное отрезком 1 прямоугольного волновода. Ее мощность P+ делится проводящей пластиной 3, расположенной в отрезке 1 волновода параллельно его широким стенкам, по двум другим плечам, расположенным на противоположном конце отрезка 1 и образованным стенками волновода 1 и проводящей пластиной 3 в соотношении:
где
b - высота отрезка 1 волновода;
b"" - высота волноводного плеча, нагруженного на нагрузку 5;
b" - высота волноводного плеча 4.
Поскольку толщина пластины 3 много меньше высоты b отрезка 1 волновода, поэтому отражением волны от края пластины пренебрегаем. Токи с плотностями j" и j"" (см. фиг. 2), возбуждаемые двумя волнами с мощностями , противонаправлены друг другу в любой точке пластины 3 и равны по величине. Действительно, подставив в выражения [И.В. Лебедев. Техника и приборы СВЧ. Под. ред. акад. Н. Д. Девяткова, Т. 1, 1970, М.: Высшая школа, стр. 101, выр. (5.6), (5.7)] для компонент плотностей j x , j z токов волновода в его широких стенках приведенные выше пропорции для мощностей , получим:
,
,
где
K x , K z - коэффициенты, не зависящие от высоты волновода. Таким образом, в любой точке щели 6 и в любой момент времени токи смещения тождественно равны по величине j" j"", а в силу их противонаправленности, волна мощностью p + не может трансформироваться в моду поля отрезка волноводно-щелевой линии. Ответвляемая мощность на выходе 7 будет нулевой p +отв =0. Это означает, что собственная направленность предлагаемого ответвителя может быть бесконечно большой.
Необходимо отметить, что мощность полностью поглощается нагрузкой 5 и вносит основной вклад в прямые потери ответвителя. Их минимизация производится выбором высот плеч b"" - , поступающая в плечо 4, возбуждает в проводящей пластине 3 токи, соответствующие токам моды H 10 в широкой стенке прямоугольного волновода. При пересечении последними щели 6, в ней возбуждается волна волноводно-щелевого типа, E плоскость которой ортогональна E плоскости моды H 10 . Ответвляемая мощность p" -отв отраженной волны p - поступает на выход 7 волноводно-щелевой линии, являющейся плечом ответвителя. Компонента мощности p"" -отв , возникающая на неоднородности волновода, созданной проводящей пластиной на ее кромке, также способна трансформироваться в моду поля волноводно-щелевой линии и влиять на величину неравномерности переходного ослабления. Однако ее вклад в ответвляемую мощность p -отв невелик, так как при выполнении условия минимизации прямых потерь (b"" -отв -
При исполнении щели 6 по одну сторону продольной плоскости волновода 1, параллельно либо под малым углом к ней (см. фиг. 1), возбуждение волноводно-щелевой моды происходит в основном j x компонентой тока в проводящей пластине, играющей роль широкой стенки волновода. j z составляющая возбуждает волну в щели 6, выполненной в поперечной плоскости волновода 1 (см. фиг. 4).
Эксперименты показали, что при углах между щелью 6 и продольной плоскостью отрезка 1 волновода меньших, чем arctg2a/ выбором ширины щели 6 и расположения (b", b"") пластины 3 в отрезке 1 волновода возможно уравнять фазовые скорости волны H 10 прямоугольного волновода и моды волноводно-щелевого типа в полосе частот отрезка 1 волновода. Это дает возможность считать заявляемый ответвитель по способу связи линий близким к классу направленных ответвителей на связанных симметричных линиях в полосковом либо коаксиальном исполнении, обладающих идеальной направленностью и согласованием в неограниченной полосе частот (А. Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич, В.П. Смирнов. Справочник по элементам волноводной техники. Государственное энергетическое издательство. Москва, Ленинград, 1963, стр. 343). Большое влияние на величину направленности заявляемой конструкции ответвителя оказывает возможная неплоскостность пластины 3 ввиду ее малой толщины. Это приводит к деформации щели 6, вследствие чего возможна трансформация волны мощностью P + , поступающей через плечо 2, в волну моды волноводно-щелевой линии из-за невыполнимости тождества для токов в пластине 3 (j"j""). Поэтому весьма полезно для достижения идеальных параметров ответвителя изготовлять проводящую пластину 3 методами фотолитографии на тонкой, механически прочной диэлектрической подложке 9 с малым значением диэлектрической проницаемости.
Таким образом за счет того, что отрезок линии другого типа представляет собой волноводно-щелевую линию, образованную щелью 6, выполненной в проводящей пластине 3 и стенками отрезка 1 прямоугольного волновода, достигается уменьшение потерь мощности в более коротковолновом, вплоть до субмиллиметрового, диапазоне длин волн. Расположением проводящей пластины 3 относительно широкой стенки отрезка 1 прямоугольного волновода, а также изменением геометрии щели 6, достигается возможность изменять переходное ослабление и минимизировать потери в основной линии предлагаемого ответвителя мощности. Согласованная нагрузка 5, установленная в одном из плеч, образованных стенками отрезка 1 прямоугольного волновода и проводящей пластиной 3, поглощает отраженную мощность волны в этом плече, чем и достигается эффект направленности ответвителя.
Документ из архива "Направленный ответвитель", который расположен в категории "рефераты". Всё это находится в предмете "радиоэлектроника" из раздела "Студенческие работы", которые можно найти в файловом архиве Студент. Не смотря на прямую связь этого архива с Студент, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "рефераты, доклады и презентации", в предмете "радиоэлектроника" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "2"
Текст из документа "2"
Спроектировать двухшлейфный направленный ответвитель на основе несимметричной полосковой линии.
Рабочая длинна волны = 3 см.
Волновое сопротивление подводящих линий Z0 =50 Ом.
Переходное ослабление С13 = 2 дБ
Диапазон рабочих температур: от –50С до +150С
Дополнительные требования: минимальные габариты.
Необходимо выбрать материал для изготовления направленного ответвителя. Рассчитать размеры элементов полосковой схемы, вычислить рабочие параметры, определить минимальную величину направленности С34 при расстройке от центральной частоты диапазона на ff0, качественно обосновать необходимость подключения к развязанному плечу согласованной разгрузки.
Теоретическая часть.
Направленные ответвители (НО) называются восьмиполюсники, предназначенные для направленного ответвления СВЧ- энергии.
Они используются в схемах измерения коэффициентов отражения, смещения и разделения сигналов, контроля параметров сигналов, мощности, частоты, а также переключателей, фазовращателей и т. д.
Линия передачи НО, по которой передается основная мощность, называется первичной, или основной, а линия, в которую ответвляется часть мощности, - вторичной, или вспомогательной.
Основными характеристиками, НО являются переходное ослабление, направленность.
Переходное ослабление представляет собой выраженное в децибелах отношение входной мощности основной линии к мощности, ответвленной в рабочее плечо 4 вспомогательной линии:
Направленность представляет собой выраженное в децибелах отношение мощностей на выходе рабочего 4 и нерабочего 3 плеч вторичной линии
Выход нерабочего плеча вторичной линии всегда нагружается на согласованную нагрузку.
1 Основная линия 2
Схема направленного ответвителя.
Шлейфные направленные ответвители (НО).
Они состоят из двух отрезков полосковых линий передачи, соединенных между собой с помощью двух и более шлейфов, длинны и расстояния, между которыми равны четверти длины волны, определенной в полосковой линии передачи.
С увеличением числа шлейфов направленность и диапазонные характеристики шлейфового, НО улучшается. Однако при числе шлейфов более трех их волновые сопротивления становятся настолько большими, что практически не могут быть реализованы в печатном исполнении. В связи с этим в ИС СВЧ наибольшее распространение получили двух – и трехшлейфные НО.
Шлейфный направленный ответвитель в виде квадрата.
Основной расчёт.
Выбор материала для диэлектрической подложки.
Исходя из дополнительных условий (минимальные габариты) нужно выбрать такой материал, у которого диэлектрическая проницаемость () максимальная, а tg - минимальный. Также должен соблюдаться диапазон рабочих температур.
На основании вышесказанного выберем керамику, имеющую следующие параметры.
Расчёт на компьютере
Волновое сопротивление (Ом) 50.00000
Диэлектрическая проницаемость материала 10.30000
Толщина токоведущей полоски (мм) 0.03500
Толщина подложки (мм) 1.50000
Эффект. Диэлектрическая проницаемость 7.05203
Длина волны в линии на ср. частоте диап. (См) 1.12970
Длина отрезков полоскового волновода (См) 0.28243
Длина шлейфа (См) 0.25418
Ширина отрезков полосковых линий (мм) 2.31461
Ширина плеч подводящих линий (мм) 1.36813
Рабочее затухание (дБ) 2.47703
Переходное ослабление (дБ) 3.49194
Коэффицент деления мощности (дБ) 0.91515
При F=FN (дБ) С34 = -35.99067
При F=FB (дБ) С34 = -36.16438
Центральная частота диапазона (ГГц) 8.27444
Чертёж рассчитанной выше топологии НО приводится в приложении. Окончательно размеры подложки будут 15х14 мм.
3. Выбор корпуса
Так как данное полосковое устройство не имеет никаких навесных элементов, и доступ к нему нужен только с одной стороны, то целесообразно использовать корпус чашечного типа.
Чашечный корпус включает в себя: непосредственно сам корпус, переход высокочастотный, плату, резиновую прокладку, крышку, трубку (для заполнения инертным газом), низкочастотный вывод, проволоку. Корпус легко изготовить фрезерованием. При серийном изготовлении можно использовать литье, штамповку, прессование из пластмассы и металлизацию гальванопластическим или химико-гальваническим способом. Плата в корпусе крепится либо механическим прижимом ее ко дну корпуса с помощью винтов или других элементов (например, верхней крышки при сборке конструкции на СПЛ), либо припайкой металлизированной экранированной стороны платы к дну корпуса (непосредственно или через компенсирующие прокладки из металлической сетки, чтобы снизить напряжения, возникающие из-за разности КТЛР).
Герметизация корпуса производится пайкой по контуру крышки и переходов, заливкой щелей компаундами. При использовании пайки выполняем шов с закладкой проволоки , что обеспечивает возможность вскрытия корпуса при ремонте, и используем резиновую прокладку, препятствующую попаданию припоя и флюса внутрь корпуса. Сборочный чертёж корпуса приводится в приложении.
4. Список использованной литературы
Полосковые платы и узлы. Пректирование и изготовление. Е. П. Котов. Сов. радио, 1979.
Справочник по расчёту и конструированию СВЧ полосковых устройств. В. И. Вольман. Радио и связь. 1982г.
Направленный ответвитель и его частный случай - мостовая схема является взаимным, реактивным воcьмиполюсным устройством, в котором плечи попарно развязаны. Схема восьмиполюсника показана на рисунке 1.11. Матрица рассеяния взаимных систем симметрична, т.е. S12 = S21; S13 = S31; S14 = S41; S23 = S32; S34 = S43.
Большинство ответвителей имеют две плоскости симметрии [6]. Симметрия относительно плоскости I приводит к равенству следующих элементов матрицы: S13 = S24; S11 = S22; S33 = S44, а симметрия относительно плоскости II добавляет еще равенства S12 = S34; S11 = S33; S22 = S44; S14 = S23. В результате матрица рассеяния взаимного реактивного восьмиполюсника с двумя плоскостями симметрии приобретает вид
Взаимный реактивный восьмиполюсник обладает следующими свойствами: если он является направленным ответвителем, то согласуется со всех четырёх плеч. Справедливо и обратное: если восьмиполюсник согласован со всех плеч, то он является ответвителем. Это свойство восьмиполюсной схемы доказывается в общем виде из унитарности его матрицы рассеяния.
Рисунок 1.11 Восьмиполюсное устройство
Докажем вторую часть этого свойства восьмиполюсника на примере матрицы (1). Положим S11 = 0 и применим к (1) свойство унитарности в развёрнутом виде:
Найдём из (2, в) величину и подставим ее в (2, г). В результате получим S12(S14 S13 - S13 S14) = 0. Выражение , так как это противоречит (2, б). Следовательно, S12 = 0, т.е. согласование всех входов (S11 = 0) привело к тому, что передачи из плеча 1 в 2 и из плеча 3 в 4 нет. Матрица рассеяния устройства становится следующей:
Получили первый тип направленного ответвителя, схема которого изображена на рисунке 1.12, а. В нём мощность, подводимая к плечу 1, делится в плечах 3 и 4 в соответствии S132 и S142 =1- S132. Из (2, б) следует, что
Поля в выходных плечах 3 и 4 сдвинуты по фазе на р/2. Отметим, что если ответвитель имеет одну плоскость симметрии, то поля в выходных плечах либо синфазны, либо противофазны.
Рисунок 1.12 Три типа направленных ответвителей
Второй тип ответвителя показан на рисунке 1.12, б. В нем изолированы друг от друга плечи 1-4 и 2-3 (S14 = 0). В третьем типе ответвителя, изображенном на рисунке 1.12, в, отсутствует связь между плечами 1 - 3 и 2 - 4 (S13 = 0).
Любой ответвитель характеризуется двумя основными параметрами: переходным затуханием С и направленностью D.
Переходное затухание С для ответвителя первого типа будет
Переходное затухание определяет долю мощности, ответвляющуюся из плеча 1 в плечо 4. Зависимость величины С от частоты является частотной характеристикой ответвителя.
Для ответвителя первого типа направленность определяется как
этот параметр характеризует долю мощности, просачивающейся в плечо 2.
Наличие плоскостей симметрии у восьмиполюсников позволяет существенно упростить расчёт их матриц рассеяния, через элементы в которых находятся все необходимые параметры. При этом задача расчёта восьмиполюсника сводится к задаче расчёта двух четырехполюсников. Метод заключается в синфазном и противофазном возбуждении входов восьмиполюсника.
Пусть восьмиполюсник имеет плоскость симметрии 1 (см. рисунок 1.11). Подадим на вход 1 волну a1=a/2, на вход 2 - волну a2= - a/2, а входы 3 и 4 согласованы. В силу симметрии схемы при подобном противофазном возбужденни в плоскости симметрии 1 будет нуль напряжения, и здесь можно разместить металлическую плоскость. Восьмиполюсник распался на два несвязанных четырехполюсника. Обозначим их матрицу рассеяния как
С помощью этой матрицы рассеяния определим выходные волны как
Теперь возбудим входы 1 - 2 синфазно: a1=a/2; a2=a/2. При этом в плоскости 1 устанавливается пучность напряжения (режим холостого хода) и схема разделяется идеальной магнитной плоскостью на два одинаковых четырёхполюсника.
Матрица рассеяния четырёхполюсника запишется так:
Выходные волны b теперь будут следующими:
Суперпозиция обоих режимов приводит к возбуждению восьмиполюсника только с входа 1 волной а 1 - а. Далее суммируем выходные волны:
отсюда искомый элемент матрацы рассеяния S11 будет следующий:
Аналогично находим другие элементы матрицы:
Если восьмиполюсник имеет две плоскости симметрии I и II, то все элементы матрицы S известны. Если же симметрии в плоскости II нет, то необходимо рассмотреть дополнительно возбуждение со стороны входа 3 или 4. В результате получим недостающие элементы матрицы S взаимного восьмиполюсника:
Конструктивно направленный ответвитель представляет собой две линии передачи, соединённые элементами связи. Так как эта система реактивная, то отсутствие передачи между плечами может происходить только за счёт взаимной компенсации двух или более волн.
Простейший тип ответвителя изображён на рисунке 1.13. Это два волновода с общей узкой стенкой, в которой прорезаны два отверстия связи, расположенные на расстоянии лл/4 . Если генератор подключён к плечу 1, то в 2 проходят две волны с одинаковой амплитудой и противоположными фазами. В результате суммарное поле здесь оказывается равным нулю. Величина направленности D зависит от точности изготовления ответвителя.
Величина переходного затухания С определяется степенью связи, т.е. диаметром отверстий. Ответвители с двумя элементами используются редко, так как они имеют очень узкую полосу частот. Чаще используются многоэлементные ответвители. Подбирая диаметр отверстий и их число, можно обеспечить нужную частотную характеристику переходного затухания. Чаще всего используются чебышевская
и максимально-плоская характеристики
здесь h и S - амплитудный и масштабный коэффициенты; и - электрическое расстояние между отверстиями связи; k - число отверстий.
Рисунок 1.13. Волноводный направленный ответвитель
Очень широкое применение в технике СВЧ имеют мостовые схемы. Мост - это направленный ответвитель, в котором мощность, подводимая к одному из плеч, в выходных плечах делится пополам. Мостовую схему часто называют трёхдецибельным направленным ответвителем.
Волноводно-щелевой мост состоит из двух волноводов с общей узкой стенкой. В этой стенке прорезано окошко связи длиной l (рисунок 1.14) [2].
В волноводно-щелевом мосте развязаны плечи 1 - 2 и 3 - 4. Принцип работы моста заключается в следующем. Во всех входах распространяется только волна Н 10. В том месте, где прорезано окно связи, размер волновода увеличивается вдвое и волновод становится докритическим для двух волн Н 10 и Н 20, которые и возникают в начале окна. Причиной, вызывающей возникновение волны Н 20, является острое ребро, расположенное в пучности поля Е волны Н 10. В начале окна в волноводе 1 - 3 обе волны в фазе, а в волноводе 2 - 4 - в противофазе. По этой причине в плече 2 суммарное поле равно нулю и плечо 2 оказывается развязанным от плеча 1. Далее обе волны распространяются вдоль окна. Поле на входах плеч 3 и 4 будет определяться фазовыми соотношениями волн Н 10 и Н 20. Чтобы система была мостом, необходимо, чтобы разность фазовых набегов волн Н 10 и Н 20 на длине окна l равнялась р / 2. Последнее поясняется векторными диаграммами в начале и конце окна связи, приведёнными на рисунке 1.15. Если разность фазовых набегов равна р / 2, то поля в выходах 3 и 4 одинаковы по амплитуде и сдвинуты по фазе на р / 2. Из векторных диаграмм рисунка 1.15 видно, также, что если разность фазовых набегов волн Н 10 и Н 20 будет отличаться от р / 2, то суммарные векторы поля в плечах 3 и 4 будут неодинаковыми, т.е. система перестанет быть мостом. В частности, если разность фазовых набегов составит 180°, то из плеча 1 вся энергия перейдёт в плечо 4, т.е. плечи 1 - 3 окажутся развязанными. Такую систему называют мостом с полной связью [6]. 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 Н 30, в месте окна делается небольшое сужение волноводов.
Рисунок 1.14 Волноводно-щелевой мост
Рисунок 1.15 Векторные диаграммы, поясняющие работу волноводно-щелевого моста
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 мост является ответвителем первого типа, и его матрица рассеяния описывается формулой (3). Определим элементы матрицы S моста и с помощью этой матрицы проанализируем его работу. При этом выясним области применения мостовых схем. В мостовой схеме мощности в выходных плечах одинаковы, поэтому |S13| = |S14|. Из условия унитарности
определим эти элементы:
отсюда матрица рассеяния будет
В (6) ш - набег фазы на участке от входа до начала окна связи; этот набег фазы одинаков для всех плеч, и мы его опустим, т.е. плоскости отсчёта расположим близко к окну связи.
Напишем уравнение [b] = [S] [a] в развёрнутом виде:
Проанализируем с помощью (7) различные случаи работы моста.
1. В плечо 1 включен генератор, создающий волну а 1 = а. Все остальные плечи нагружены на согласованные нагрузки а 2 = a3 = а 4 = 0. Из (7) имеем
Поля в плечах 3 и 4 имеют одинаковые амплитуды. Поле в плече 3 опережает по фазе поле в плече 4 на 90°.
В этом режиме мост работает как делитель мощности. Достоинством такого делителя мощности по сравнению с обычными тройниками является отсутствие связи между выходными плечами 3 и 4.
2. К плечам 1 и 2 подключены два генератора, создающие на входах одинаковые синфазные поля а 1 = а 2 = а; а 3 = а 4 = 0. Тогда
Мощности генераторов сложились, и сумма поделилась поровну между плечами 3 и 4. Поля в выходных плечах в фазе и сдвинуты на 45° по отношению к входных волнам. Влияния одного генератора на другой нет, так как плечи 1 и 2 развязаны.
3. Ко входам 1 и 2 снова подключены два генератора, создающие одинаковые по амплитуде, но сдвинутые по фазе на 90° поля а 1 = а; a2 = ja; а 3 = а 4 = 0. Из (7) следует, что
Теперь в плече 3 поля сложились в фазе, а в плече 4 - в противофазе. Мощность обоих генераторов проходит только в плечо 3. Такой режим работы мостовой схемы очень широко применяется на практике.
Первое применение - сложение мощности двух генераторов в общей нагрузке. Особенно большое применение он имеет в микроэлектронике. Мощности современных СВЧ - полупроводниковых приборов пока невелики. Зачастую требуются значительно большие, чем может обеспечить один транзисторный или диодный генератор СВЧ; в этом случае системы суммирования мощностей нескольких генераторов строятся на основе мостовых схем. Из равенств (8) видно, что в плече 3 образуется сумма полей, в плече 4 - их разность. Это позволяет на основе моста строить различные балансные схемы: балансные смесители, балансные детекторы, фазовые детекторы. С помощью мостовых схем удобно сравнивать сигналы двух изолированных друг от друга источников. Если поддерживать разность фаз двух сигналов равной р / 2, то их можно сравнить по амплитуде. Уравняв их амплитуды - осуществить сравнение по фазе.
Если изменить фазы входных сигналов так, чтобы а 1 = ja; а 2 = a, то аналогично получим
Энергия теперь поступает только в плечо 3. Изменяя сдвиг фаз между сигналами а 1 и a2 в пределах ±р/2, можно мощности в выходных плечах разделить в любом отношении.
Направленный ответвитель — это устройство, которое измеряет небольшое количество микроволновой энергии для целей измерения. Измерения мощности включают падающую мощность, отраженную мощность, значения КСВН и т. Д.
Направленный ответвитель представляет собой 4-портовый волноводный переход, состоящий из первичного основного волновода и вторичного вспомогательного волновода. На следующем рисунке показано изображение направленного ответвителя.
Направленный ответвитель используется для подключения микроволновой мощности, которая может быть однонаправленной или двунаправленной.
Свойства направленных ответвителей
Свойства идеального направленного ответвителя состоят в следующем.
Все окончания соответствуют портам.
Когда питание передается от порта 1 к порту 2, некоторая его часть подключается к порту 4, но не к порту 3.
Поскольку это также двунаправленный ответвитель, когда питание передается от порта 2 к порту 1, некоторая его часть подключается к порту 3, но не к порту 4.
Если питание подается через порт 3, часть его подключается к порту 2, но не к порту 1.
Если питание подается через порт 4, часть его подключается к порту 1, но не к порту 2.
Порты 1 и 3 разъединены, так же как и порт 2 и порт 4.
Все окончания соответствуют портам.
Когда питание передается от порта 1 к порту 2, некоторая его часть подключается к порту 4, но не к порту 3.
Поскольку это также двунаправленный ответвитель, когда питание передается от порта 2 к порту 1, некоторая его часть подключается к порту 3, но не к порту 4.
Если питание подается через порт 3, часть его подключается к порту 2, но не к порту 1.
Если питание подается через порт 4, часть его подключается к порту 1, но не к порту 2.
Порты 1 и 3 разъединены, так же как и порт 2 и порт 4.
В идеале выходной порт 3 должен быть нулевым. Тем не менее, практически, небольшое количество энергии, называемой обратной мощностью , наблюдается в порту 3. На следующем рисунке показан поток мощности в направленном ответвителе.
P i = мощность инцидента в порту 1
P r = Полученная мощность в порту 2
P f = Прямое связанное питание в порту 4
P b = обратная мощность в порту 3
P i = мощность инцидента в порту 1
P r = Полученная мощность в порту 2
P f = Прямое связанное питание в порту 4
P b = обратная мощность в порту 3
Ниже приведены параметры, используемые для определения производительности направленного ответвителя.
Коэффициент сцепления (C)
Коэффициент связи направленного ответвителя — это отношение падающей мощности к прямой мощности, измеренное в дБ.
C = 10 l o g 10 f r a c P i P f д Б
Направленность (D)
Направленность направленного ответвителя — это отношение прямой мощности к задней мощности, измеренное в дБ.
D = 10 l o g 10 f r a c P f P b д Б
изоляция
Он определяет директивные свойства направленного ответвителя. Это отношение падающей мощности к задней мощности, измеренное в дБ.
I = 10 l o g 10 f r a c P i P b д Б
Изоляция в дБ = Коэффициент связи + Направленность
Направленная муфта с двумя отверстиями
Это направленный ответвитель с теми же основными и вспомогательными волноводами, но с двумя небольшими отверстиями, которые являются общими для них. Эти отверстия находятся на расстоянии l a m b d a g / 4 , где λg — длина волны гида. На следующем рисунке показано изображение направленного ответвителя с двумя отверстиями.
Направленный ответвитель с двумя отверстиями разработан для удовлетворения идеального требования направленного ответвителя, который состоит в том, чтобы избежать обратной мощности. Некоторая часть электроэнергии, проходя между портом 1 и портом 2, выходит через отверстия 1 и 2.
Величина мощности зависит от размеров отверстий. Эта мощность утечки в обоих отверстиях находится в фазе в отверстии 2, суммируя мощность, вносящую вклад в прямую мощность P f . Тем не менее, он находится в противофазе в отверстии 1, компенсируя друг друга и предотвращая возникновение обратной мощности.
Следовательно, направленность направленного ответвителя улучшается.
Волноводные соединения
Поскольку волноводная система не всегда может быть собрана в единый элемент, иногда необходимо объединить разные волноводы. Это соединение должно быть тщательно сделано, чтобы предотвратить такие проблемы, как — эффекты отражения, создание стоячих волн, увеличение затухания и т. Д.
Соединения волновода, помимо того, что избегают неровностей, должны также учитывать структуру полей E и H, не затрагивая их. Существует много типов волноводных соединений, таких как фланцевое соединение с болтом, фланцевое соединение, воздушное соединение и т. Д.
Читайте также: