Направленный ответвитель на связанных линиях. Анализ и расчет с помощью S-параметров
Связанные длинные линии передач используются для создания фильтров, сумматоров и делителей, направленных ответвителей, КСВ-метров и т. п. Чаще всего на высоких частотах такие линии создаются на основе микрополосковой технологии и могут быть как симметричные, так и несимметричные и иметь разнообразную пространственную конфигурацию. Эта статья является справочным материалом к нашим калькуляторам посвященным расчету таких линий, а также как пример использования S-параметров.
Для лучшего понимания метода расчета связанной линии, возьмем в качестве примера анализ реального устройства — направленного ответвителя. Это устройство состоит из двух связанных линий и имеет четыре порта. Поскольку многие радиолюбители имеют в своем распоряжении векторные анализаторы цепей, будет полезно провести анализ с помощью S-параметров. В общем случае четырех-портовое устройство характеризуется аж 16-ю S-параметрами. Однако направленный ответвитель из нашего примера обладает квадратурной симметрией, то есть если на нашем чертеже изобразить координатную плоскость XY, то то, что попало в один угол этой плоскости будет симметрично остальным трем. Проще говоря, обе линии совершенно одинаковы. В таком случае выполняется условие равенства ряда параметров S-матрицы рассеяния, например S11 = S22 = S33 = S44. Тогда достаточно измерить/вычислить только 4 независимых элемента матрицы, а сама она будет выглядеть тоже вполне симметричным образом:Волновое сопротивление всех портов одно и то же и его величина называется «системным импедансом» устройства Zo . Другими словами, системный импеданс — это волновое сопротивление всех его входов/выходов.
Достаточно сложное электромагнитное взаимодействие двух линий, при котором имеют место как прямые, так обратные волны, можно свести к двум частным случаям.
- Линии возбуждаются от портов 1 и 3 двумя волнами одинаковой амплитуды и фазы — синфазно. Так называемый «четный режим» возбуждения (Even mode).
- Линии возбуждаются двумя волнами одинаковой амплитуды и с противоположной фазой — противофазно. Так называемый «нечетный режим» возбуждения (Odd mode).
В этих двух режимах конфигурация электромагнитного поля значительно различается. На рисунке можно видеть конфигурацию силовых линий электрического поля:Из этого следует, что по крайней мере погонная емкость каждой линии в разных режимах разная, а значит разнятся и волновые сопротивления. Поэтому вводятся такие понятия как волновое сопротивление при четном режиме возбуждения — Zeven и при нечетном — Zodd . Если линии никак не взаимодействуют друг с другом, то Zeven = Zodd = Zo. При связи между линиями Zeven и Zodd всегда разные и всегда справедливо условие
Zeven > Zo > Zodd. Все эти волновые сопротивления связаны между собой следующим выражением:При использовании связанных линий в качестве направленного ответвителя порт1 используется в качестве порта возбуждения, а остальные три в качестве пассивной нагрузки. Кроме того, должно соблюдаться условие отсутствия отражений, то есть КСВ = 1 или S11 = 0. На практике это трудно достижимо, то есть мы рассматриваем здесь идеальный направленный ответвитель. Очевидно, что часть волны дойдет по прямому пути до порта2, часть ответвится во вторую линию. Параметр S31 показывает какая доля волны дойдет до порта3. В общем случае он является комплексной величиной и зависит от электрической длины линий θ = βl, где β=2π/λ — постоянная распространения зависящая от длины волны, а l — физическая длина линий: Нас интересует частный случай когда электрическая длина связанных линий составляет 90° или если физическая длина равна четверти длины волны. В этом случае ctg(θ) = 0 и S31 определяется следующим образом:Формула для S41(θ) аналогична формуле S31(θ), только в знаменателе вместо котангенса стоит тангенс. Очевидно, что в случае четвертьволновой линии для идеального направленного ответвителя tg(θ) = ∞ и следовательно S41 = 0, то есть в четвертый порт волна не попадает. В реальной конструкции этот свободный выход конечно же должен быть нагружен активным сопротивлением, равным системному импедансу. Это правило должно соблюдаться и при измерении устройства с помощью векторного анализатора. Мы подключаем выходы анализатора к тем портам, параметры которых нас интересуют, а свободные порты всегда нагружаем системным сопротивлением.
Важным параметром направленного ответвителя является коэффициент связи. В сети полно абсолютно безграмотных переводов англоязычных ресурсов, которые позиционируют себя в качестве учебных материалов. Почему безграмотных? Достаточно отметить, что «искусственный интеллект» вставил в текст этих переводов такие вещи как «мощность инцидента» и «задняя мощность». Последнее, кстати, кагбэ на что-то намекает относительно этих горе-учителей. Что такое «соответствие одиночного окурка» вообще трудно догадаться (должно быть «согласование с помощью одиночного шлейфа»). В этих, с позволения сказать, «учебниках» коэффициент связи часто путают не только с переходным ослаблением, но даже с прямым! Как на скрине. Да и вообще с определением этого понятия путаница похлеще, чем с определением «обратных потерь». На самом деле коэффициент связи двух связанных линий однозначно определяется соотношением четного и нечетного импедансов: Поскольку мы пользуемся S-параметрами, то давайте будем основываться на них. Тогда очевидно, что коэффициент связи (для нашего идеального примера) с = S31. Абсолютная величина коэффициента связи всегда меньше единицы, что вполне логично и роднит его с аналогичными понятиями из классической теории линейных цепей. Коэффициент связи обычно принято выражать в децибельной форме Cf = 20 log10 (с). В таком случае величина Cf всегда отрицательна, совпадает с величиной коэффициента связи, выраженной через его стандартное определение как отношение мощностей, а с «переходным ослаблением» она отличается только знаком.
Доля прямой волны или коэффициент прямой передачи идеального направленного ответвителя определяется следующим выражением: Из выражения следует, что при c=1/√2 (или в децибельном выражении Cf=-3 dB),
|S21| = |S31| и волна делится пополам между выходами 3 и 2. Такой направленный ответвитель называется «трехдецибельным» . «Вносимые потери» определяются так: L = -20log10(|S21|). Понятие «вносимые потери» полностью идентично понятиям «прямое ослабление» или «рабочее затухание» и всегда имеет положительное значение. Нужно понимать, что в нашем примере идеального направленного ответвителя реальные тепловые потери в линии не учитываются. Сколько зашло мощности через порт 1, столько суммарно и вышло через порты 2 и 3. Параметры направленного ответвителя со словами «потери, ослабление, затухание» никакого отношения к реальным тепловым потерям не имеют и родственны понятию «возвратные потери».
Фаза волны порта3 совпадает с фазой волны порта1, а фаза порта2 отстает на 90°. Отставание возникло из-за задержки при распространении в линии длиной λ/4. Распределение фаз также видно из формул определяющих S31 и S21, достаточно просто вспомнить как выглядит плоскость комплексных чисел. Эти фазовые сдвиги необходимо учитывать при использовании направленного ответвителя, например в качестве сумматора.
Как рассчитать направленный ответвитель на связанных линиях? Если мы зададим системный импеданс и коэффициент связи, то можем определить величину чётного и нечётного импеданса связанных линий:А величины чётного и нечётного импеданса в свою очередь зависят от геометрических размеров связанных линий и прежде всего от расстояния между ними. Для каждого вида таких линий существует своя методика расчета размеров, а также свои особенности и ограничения. Например, с помощью микрополосковых несимметричных линий с боковой связью невозможно реализовать коэффициент связи больше -10 дБ, то есть трехдецибельный направленный ответвитель на их основе сделать не получится, нужно применять линии с лицевой связью. Кроме того, постоянные распространения для четного и нечетного режима в такой линии различаются, что является дополнительной проблемой.
Обратим ваше внимание, что мы имеем дело в двумя двухпроводными связанными линиями. В качестве второго проводника для каждой линии выступает общий «земляной» проводник или полигон на обратной стороне печатной платы. Однако такие связанные линии в цифровой технике используются как симметричные или квази-симметричные дифференциальные пары с общей референсной «землей». В таком случае необходимо знать волновое сопротивление такой парной линии при синфазном возбуждении Zcom и при дифференциальном возбуждении Zdif, которые определяются следующими выражениями:
У многих может возникнуть резонный вопрос. Почему в нашем примере связанным оказывается порт3, а порт4 оказывается изолированным? Не ошибка ли это? Ведь по умозрительной логике, глядя на чертеж, «правильно» должно быть совсем наоборот. Тем более, что в большинстве справочных и учебных материалов нарисовано обычно как раз «правильно». На самом деле все гораздо сложнее и умозрительная логика в данном случае не работает. Ведь волна «перепрыгнув» с основной линии 1-2 на линию 3-4 не обладает какой-то «инерцией», которая заставляет ее двигаться исключительно в сторону порта4. Она движется в обе стороны. Все эти «перепрыгнувшие» с разных участков связанной линии волны складываются (интерферируют) в портах с учетом амплитуды и фазы. В случае линии длиной λ/4, в порту3 они суммируются, а в порту4 взаимно компенсируют друг друга. Но если электрическая длина линии другая, то интерференционная картина меняется, и порты 3 и 4 могут поменяться ролями, например в линии длиной λ/2. Это также хорошо видно из формул для S31(θ) и S41(θ).
Направленный ответвитель
Направленный ответвитель — устройство для ответвления части электромагнитной энергии из основного канала передачи во вспомогательный. Направленный ответвитель (НО) представляет собой два (иногда более) отрезка линий передачи, связанных между собой определённым образом, основная линия называется первичной, вспомогательная — вторичной. Для нормальной работы НО один из концов вторичной линии (нерабочее плечо) должен быть заглушен согласованной нагрузкой, со второго (рабочего плеча) снимается ответвлённый сигнал, в зависимости от того, какую волну в первичной линии надо ответвить — падающую или отражённую, выбирается, какое плечо вторичной линии будет рабочим. Математически свойства направленных ответвителей описываются с помощью S-матриц (матриц рассеяния).
Радиочастотные направленые ответвители являются обратимыми, то есть при подаче мощности на связанную линию, устройство работает как направленный инжектор (сумматор) мощности в основную линию.
Содержание
Применение
Направленные ответвители широко применяются в разных отраслях радиоэлектроники, как в качестве самостоятельных устройств в кабельных и волноводных линиях, так и в качестве элементов радиоэлектронной аппаратуры. Как самостоятельные устройства НО используются для разветвления сигнала с линии (например, телевизионные разветвители) и для контроля параметров сигнала в линии и её согласования. Как элементы аппаратуры НО используются в основном в радиоизмерительных приборах — СВЧ ваттметрах, приборах для измерения КСВ, коэффициента передачи, установках для поверки аттенюаторов и измерения ослаблений, а также в других случаях.
Классификация
- Радиочастотные направленные ответвители
- Волноводные НО
- Волноводно-коаксиальные НО
- Волноводно-полосковые НО
- Коаксиальные НО
- Полосковые НО
- Шлейфные НО
- НО на сосредоточенных элементах
Устройство радиочастотных НО
Волноводные НО
В сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн применяют волноводную конструкцию ответвителя. Он состоит из двух отрезков волновода, которые имеют на определенном участке общую тонкую стенку (широкую или узкую). В стенке, разделяющей волноводы, сделаны отверстия, служащие элементами связи, через которые ответвляется небольшая часть мощности из первичного волновода во вторичный. Количество отверстий, их форма и размеры определяют характеристики ответвителя. Направленное распространение во вторичном волноводе достигается в результате интерференции возбуждённых в нём волн, которые, складываясь, в одном направлении взаимно гасятся, а в другом — образуют результирующую ответвленную волну.
Волноводно-коаксиальные и волноводно-полосковые НО
Волноводно-коаксиальный НО имеет волноводную первичную и коаксиальную или полосковую вторичную линию, которая помещена непосредственно в волновод параллельно продольной его оси. Линия возбуждается поперечными составляющими магнитного поля волны в волноводе, подобно связанным линиям с волной типа Т. Ответвитель является противонаправленным. По сравнению с волноводным НО, волноводно-коаксиальный имеет существенно меньшие габариты.
НО на связанных линиях передачи
Наиболее компактные и широкополосные направленные ответвители в СВЧ диапазоне получаются при использовании эффектов взаимной связи в многопроводных линиях передачи с T-волнами, они могут быть реализованы как коаксиальные или полосковые НО. Коаксиальный НО представляет собой отрезок кругло-двухпроводного волновода, полосковый — два отрезка близко лежащих полосковых линий с общим экраном с выводами в виде коаксиальных разъёмов.
Шлейфные НО
Шлейфные НО реализуются, обычно, в виде интегральных микросхем, они состоят из двух отрезков полосковых линий передачи, соединенных между собой с помощью двух и более шлейфов, длины 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.
НО на сосредоточенных элементах
На метровых и более длинных волнах НО из отрезков линий передачи обычно не применяются из-за своей громоздкости, вместо них используются ответвители на сосредоточенных реактивных элементах. В этих ответвителях отрезки линий заменены четырёхполюсниками из реактивных сосредоточенных сопротивлений. В зависимости от схемы соединения элементов между собой такие ответвители могут быть эквивалентны шлейфным НО или НО на связанных линиях.
НО на диэлектрических волноводах
На миллиметровых и более коротких волнах НО из отрезков металлических волноводов применять не эффективно из-за узкой полосы пропускания, вместо них удобно использовать НО образованные двумя отрезками диэлектрических волноводов (ДВ), плавно сведенных на некоторое расстояние. Использование гибких диэлектриков позволяет делать такие НО с регулируемым коэфиициентом деления мощности в плечи (2)и (4) и фазовым сдвигом. А также эти НО отличаются, от НО на МВ очень высокой степенью развязки между входом (1) и выходом (3).
Основные нормируемые характеристики
- Переходное ослабление — логарифм отношения входной мощности основной линии к мощности, ответвленной в рабочее плечо вспомогательной линии
- Направленность — логарифм отношения мощностей на выходе рабочего и нерабочего плеч вторичной линии
- Развязка — логарифм отношения мощности на входе первичной линии к мощности в нерабочем плече вторичной линии
- Коэффициент стоячей волны первичной и вторичной линии
- Диапазон частот
Устройство оптических НО
См. также
Литература
- Сазонов Д. М., Гридин А. М., Мишустин Б. А. Устройства СВЧ — М: Высш. школа, 1981
- Чернушенко А. М. Конструирование экранов и СВЧ-устройств — 1990
- А. Е. Аксенов. Направленный ответвитель на сосредоточенных индуктивных и емкостных элементах. — Радиотехника, 1976, № 2
- Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р. Синтез четырёхполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. — М.: Связь, 1971
- Справочник по элементам полосковой техники / Под ред. А. Л. Фельдштейна — М.: Связь, 1978
- Справочник по радиоэлектронным устройствам. В 2-х т. / Под ред. Д. П. Линде — М.: Энергия, 1978
- Справочник по элементам радиоэлектронных устройств / Под ред. В. Н. Дулина и др. — М.: Энергия, 1978
- Диэлектрические волноводы / Взятышев В. Ф. — М.: Советское радио, 1970
- Микроэлектронные устройства СВЧ : Учеб. пособие для радиотехнических специальностей вузов / Под ред. Г. И. Веселова. — М.: Высш. шк., 1988
- ОСТ11-224.007-82 Ответвители направленные коаксиальные. Общие технические требования
- ОСТ11-П0.224.001-70 Ответвители направленные волноводные с равным делением мощности
- ОСТ4-397.001-85 Ответвители и разветвители пассивные оптические. Руководство по применению
- ОСТ4-397.006-85 Ответвители и разветвители пассивные оптические. Общие технические условия
- ТУ 11-ХШМ0.356.074ТУ-88 Ответвители направленные прецизионные
Ссылки
- Викифицировать список литературы, используя шаблон <<книга>> , и проставить ISBN.
- Элементы и устройства СВЧ-трактов
Wikimedia Foundation . 2010 .
Полезное
Смотреть что такое «Направленный ответвитель» в других словарях:
НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ — устройство сверхвысокой частоты для отвода (ответвления) части электромагнитной энергии основной линии передачи (волноводной, коаксиальной и т. д.) во вспомогательную. Используется в измерительной и контрольно испытательной аппаратуре … Большой Энциклопедический словарь
направленный ответвитель — Устройство, предназначенное для разделения падающей и отраженной волн. [Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Англо русский толковый словарь справочник. Под редакцией Ю.М. Горностаева. Москва, 2002] Тематики электросвязь, основные… … Справочник технического переводчика
направленный ответвитель — устройство СВЧ для отвода (ответвления) части электромагнитной энергии основной линии передачи (волноводной, коаксиальной и т. д.) во вспомогательную. Используется в измерительной и контрольно испытательной аппаратуре. * * * НАПРАВЛЕННЫЙ… … Энциклопедический словарь
направленный ответвитель — kryptinis šakotuvas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. directional coupler vok. gerichteter Koppler, m; Richtkoppler, m; Richtungskoppler, m rus. направленный ответвитель, m pranc. coupleur directif, m; coupleur directionnel, m … Fizikos terminų žodynas
Направленный ответвитель — устройство из двух отрезков Радиоволноводов, в котором часть энергии электромагнитной волны, распространяющейся в основном радиоволноводе, посредством элементов связи ответвляется во вспомогательный радиоволновод и передаётся в нём в… … Большая советская энциклопедия
НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ — устройство из двух отрезков линии передачи электромагн. волн, в к ром часть энергии электромагн. волны, распространяющейся в первом отрезке, посредством элементов связи ответвляется во второй и передаётся в нём в определ. направлении. При… … Большой энциклопедический политехнический словарь
многоэлементный направленный ответвитель — — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN multielement directional coupler … Справочник технического переводчика
Полосковая линия — в технике сверхвысоких частот, плоскостная линия, канализирующая электромагнитные волны в воздушной или иной диэлектрической среде вдоль двух пли нескольких проводников, имеющих форму тонких полосок и пластин. Наряду с двухпроводными и… … Большая советская энциклопедия
Оптический рефлектометр — Fluke Networks в работе Оптический рефлектометр (англ. OTDR, Optical Time Domain Reflectometer) прибор для измерения параметров волоконно оптических линий … Википедия
ГОСТ Р 50788-95: Установки непосредственного приема программ спутникового телевизионного вещания. Классификация. Основные параметры. Технические требования. Методы измерений — Терминология ГОСТ Р 50788 95: Установки непосредственного приема программ спутникового телевизионного вещания. Классификация. Основные параметры. Технические требования. Методы измерений оригинал документа: 3.1.4 Антенна устройство для приема… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Лаб. работа №50. Направленный ответвитель на прямоугольном волноводе
За последние десятилетия наблюдается быстрое и интенсивное развитие техники сверхвысоких частот (СВЧ), параллельно с которой бурно развивается и техника измерений на СВЧ. Техника СВЧ непосредственно связана с техникой передачи информации на большие расстояния, где применения волноводов позволят значительно увеличить объём передаваемой информации.
Особый интерес представляют такие элементы СВЧ тракта, как направленные ответвители, которые широко используются в технике СВЧ.
Главное назначение ответвителей — направленно ответвлять некоторую часть высокочастотной мощности из основного тракта во вспомогательный. Особенности этого прибора заключается в том, что он реагирует на волну только одного направления, то есть только на падающую или отраженную в основном тракте. Его работа основана на возбуждении во вторичном тракте нескольких волн, смещённых по фазе так, что амплитуды волн, распространяющихся в желаемом направлении, интерферируя, суммируются, а в нежелаемом — взаимно компенсируются.
Направленные ответвители относятся к таким волноводным устройствам, в которых используется распределённая или дискретная связь между волноводами. В обоих случаях устройства можно рассматривать как каскадное включение элементарных восьмиполюсников, причём в последнем случае элементарный восьмиполюсник представляет собой совокупность трёх волноводов; основного, вспомогательного и волновода связи. Волновод связи в таком элементарном восьмиполюснике может использоваться как в области отсечки, так и в области прозрачности. Элементарные волноводные восьмиполюсники, в которых волноводы связи (шлейфы) используются в полосе прозрачности, называются шлейфовыми волноводными разветвлениями. В данной работе будут изучаться только направленные ответвители, в которых волноводы связи используются в области отсечки, когда критическая длина волны волновода связи меньше длины волны колебаний, распространяющихся в основном и вспомогательном волноводах. По установившейся терминологии в этом случае говорят о связи волноводов через отверстия той или иной формы.
Несмотря на то, что направленные ответвители, по сути дела всегда решают одну и ту же задачу: ответвляют некоторую часть энергии основной линии передачи во вспомогательную линию, их применение в технике СВЧ весьма многообразно. Направленные ответвители используются для получения развязки между генераторами при включении в основную линию передачи дополнительного источника высокочастотных колебаний: при включении гетеродина в супергетеродинном приёмнике; для получения необходимых амплитудных и фазовых соотношений между сигналом в основной линии и в ответвлённой линии (например, в трёхдецибельных щелевых мостах и т.п.); для определения величины проходящей мощности и коэффициента стоячей волны; для переменной связи с основной линией передач и т.д.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ
Направленный ответвитель (НО) — уcтройство, служащий для ответвления из основного высокочастотного тракта части мощности одной из двух бегущих волн, распространяющихся по линии в противоположных направлениях: падающей или отражённой волны.
Устройство, состоящее из отрезка основной передающей линии и отрезка вспомогательной линии, связанной с основной линией при помощи двух параллельно включенных зондов, расположенных на определённом расстоянии друг от друга, обеспечивает эффект направленного ответвителя.
Следует заметить, что простой одиночный зонд, например, штырь, не может быть использован в качестве направленного ответвителя. Мощность, ответвляемая одиночным зондом, пропорциональна квадрату амплитуды высокочастотного напряжения в данной точке, являющегося векторной суммой напряжений падающей и отражённой волн.
Эквивалентная схема НО показана на рис.1,а. Роль реактивных элементов связи играет ёмкость штыря или индуктивность петли (отверстия) связи. Оба зонда связаны с основной линией, т.е. по отношению к вспомогательной линии они играют роль генераторов напряжения (рис.1,б).
Пусть в основной линии имеется только волна, распространяющаяся от плеча 1 к плечу 3, т.е. на конце основной линии включена идеальная согласованная нагрузка. Во вспомогательной линии каждый из зондов (генераторов) возбуждает две волны, распространяющиеся в обоих направлениях. Фаза колебаний в сечении зонда 2 отличается на величину [math]2\pi L/\lambda_\text<в>[/math] , где [math] L [/math] – геометрическое расстояние между зондами; [math] \lambda_\text <в>[/math] — длина волны в основной и во вспомогательных линиях. Амплитуды колебаний, возбуждаемых зондами во вспомогательной линии, считаем одинаковыми.
Если выбрать [math]L=\lambda_\text<в>/4[/math] , то в плоскости плеча 2 волны будут иметь разность фаз, равную [math]\Delta \phi = \pi[/math] , т.е. произойдёт полное уничтожение волн.По вспомогательной линии волны смогут распространяться только в направлении плеча 4.
Таким образом, в результате распространения по основной линии волны в направлении слева направо во вспомогательной линии возбуждается волна, распространяющаяся в том же направлении. Аналогичный результат получается, если волна в основной линии распространяется справа налево. Ответвлённая волна будет поступать лишь по направлению к плоскости плеча 2.
Принципиально в плоскостях А и В могут быть включены два согласованных индикатора, например две детекторные головки. Однако, ввиду трудности хорошего согласования детекторов, один из них обычно заменяют согласованной нагрузкой, как показано на рис.2.
Устройство, показанное на рис.2. называется НО с двумя элементами связи. Если необходимо одновременно регистрировать как прямую, так и отраженную волну, то пользуются двумя НО описанного типа. Каждый НО имеет во вспомогательной линии согласованную нагрузку и индикатор; НО включаются в противоположных направлениях. Идеальный НО не ответвляет в индикатор сигнала при распространении волны по основной линии в обратном направлении. Однако, ввиду неточности изготовления НО, отклонения длины волны от расчётной и наличия небольшого рассогласования нагрузки во вспомогательной линии наблюдается некоторое прохождение сигнала в “ненормальном” направлении.
ПАРАМЕТРЫ НАПРАВЛЕННЫХ ОТВЕТВИТЕЛЕЙ
Направленные ответвители любого типа принято характеризовать следующими параметрами: переходным ослаблением, направленностью, развязкой, балансом выходных плеч, согласованием плеч ответвителя с подводящими фидерными линиями , рабочим ослаблением в первичной линии, фазовыми соотношениями для напряжений в выходных плечах, диапазоном частот.
Обобщённая схема НО, который в общем случае представляет собой полностью согласованный элементарный восьмиполюсник, представлена на рис.3.
Если на вход 1 элементарного восьмиполюсника поступает СВЧ мощность [math]P_1[/math] , то на выход 3 основного волновода поступит мощность [math]P_3[/math] , а на выходы 2 и 4 вспомогательного волновода – соответственно [math]P_2[/math] и [math]P_4[/math] .
На рис.4 представлены направленные ответвители с тремя типами направленности.
Переходное ослабление определяется как отношение входной мощности основной линии к выходной мощности рабочего плеча вспомогательной линии. Выражается обычно в децибелах. Например, для ответвителя, изображенного на рис.4, переходное ослабление вычисляется по формуле
[math] C_<14>=10\lg\left(\frac \right)\quad \text<[дБ]>[/math] . (1) Переходное ослабление зависит от размеров, числа, положения и типов элементов связи, а также от частоты. Принципиально можно обеспечить любую величину переходного ослабления от очень малых значений вплоть до бесконечно больших. В зависимости от переходного ослабления [math] |C| [/math] НО делятся на устройства с сильной ( [math] |C| = 1 — 10[/math] дБ) и слабой ( [math]|С| \gt 10[/math] дБ) связью. Направленные ответвители, имеющие равные мощности в выходных плечах ( [math]|С|=3.01[/math] дБ), выделены в особый класс соединений, называемый трёхдецибельные (3-дБ) направленные ответвители или мосты.
Направленностью называется отношение мощностей на выходе рабочего и нерабочего плеч вспомогательной линии. Вычисляется в децибелах, например, для рис.4 первого типа:
[math]N_<42>=10\lg\left(\frac \right)[/math] [дБ]. (2) Направленность идеального направленного ответвителя равна бесконечности. Чем больше направленность ответвителя, тем выше его качество. Существенно также, чтобы ответвитель обладал широкополосными свойствами, т.е. чтобы направленность возможно меньше зависела от рабочей частоты. Направленность элементарного восьмиполюсника может быть положительной, отрицательной или нулевой, когда во вспомогательной линии в разные стороны от волновода связи распространяются волны равной амплитуды.
Развязка определяется как отношение входной мощности основной линии к выходной мощности нерабочего плеча вспомогательной линии. Для рис.4 первого типа:
[math] P_<12>=10\lg\left(\frac \right)[/math] [дБ], (3) [math]P_<12>\,[дБ]= C_<14>\,\text<[дБ]>+N_<42>\,\text<[дБ]>[/math] . (4) Балансом входных плеч называется отношение мощностей на выходе основной линии и рабочего плеча вспомогательной линии. Для рис.4 первого типа:
[math]B_<34>=10\lg\left(\frac \right)[/math] [дБ]. (5) Рабочее ослабление в первичной линии определяется отношением мощностей на входе и выходе первичной линии. Для рис.4 первого типа:
[math]C_<13>=10\lg\left(\frac \right)[/math] [дБ]. (6) Для определения диапазонных свойств направленного ответвителя основные характеристики определяются в функции частоты (длины волны).
Согласование плеча НО с входной подводящей линией характеризуется КСВН измеряемым со стороны входного плеча направленного ответвителя, когда к остальным плечам подключены согласованные нагрузки. Величина КСВН направленного ответвителя характеризует искажение поля в основном тракте из-за наличия элементов связи. Аналогичным образом определяют и КСВН плеча вспомогательного тракта НО. Полному отражению от нагрузки соответствует бесконечно большой КСВН. Режим идеального согласования с нагрузкой характеризуется величиной КСВН равной единице.
ВОЛНОВОДНЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ СО СЛАБОЙ СВЯЗЬЮ
Основным элементом, определяющим многообразие НО, является область связи, т.е. совокупность элементов связи, расположенных на общей для основного и вспомогательного волноводов стенке. В качестве элементов связи НО, как правило, применяют отверстия в стенках волновода. Простейшей областью связи является одно отверстие, которое обладает собственной направленностью. При конструировании, НО наиболее часто применяются элементы связи в форме круглых отверстий, щелей (продольных и поперечных), крестиков и отверстий эллиптического типа. В зависимости от расположения отверстия при волне типа Н10 в прямоугольном волноводе связь может быть либо чисто магнитной (рис.5,а), либо смешанной – электрической и магнитной (рис.5,б).
Переходное ослабление элемента связи зависит от того, на какой стенке волноводного тракта расположен элемент связи. Ориентация вспомогательного волновода относительно основного производится в соответствии с принципами возбуждения волн в волноводах. Отверстия связи можно рассматривать как возбуждающие зонды. Если связь осуществляется сразу по электрическому и по магнитному полю, одно отверстие эквивалентно двум зондам: штырю и петле. Различают направленные ответвители со связью по узкой или по широкой стенке волновода.
На рис.6 показано несколько способов связи двух прямоугольных волноводов через небольшое круглое отверстие. На рис.6,а связь между волноводами обусловлена продольным магнитным полем [math]H_z[/math] , на рис.6,в связь через тангенциальное магнитное поле [math]H_z[/math] , которое равно нулю, если отверстие связи находится в центре основного волновода, и не равно нулю при смещении отверстия от центра. Таким образом, в обоих рассмотренных случаях связь волноводов осуществляется только за счёт тангенциальной компоненты магнитного поля. На рис.6,б наблюдается связь волноводов по электрическому полю нормальному к отверстию связи [math]H_y[/math] и магнитному полю [math]H_y[/math] и [math]H_z[/math] , если отверстие связи находится не на центральной линии.
Наиболее простой и часто применяемый в случае связи через малые отверстия метод исследования НО – квазистатическая теория Бёте. В рамках этого метода полагается, что геометрические размеры отверстий достаточно малы по сравнению с размерами волноводов (меньше [math]\lambda/2\pi[/math] ), так что можно пренебречь изменением значения и фазы поля вдоль отверстия связи. Кроме того, необходимо, чтобы отверстие связи было достаточно удалено от углов волновода и противоположных стенок. Тогда амплитуды волн в волноводе, возбуждаемом малым отверстием, вычисляются через его дипольные моменты. Дипольные моменты пропорциональны коэффициентам электрической и магнитной поляризуемости отверстий. К достоинствам теории Бёте следует отнести простоту анализа и достаточно хорошую для практики точность (3 – 7%) расчёта переходного ослабления и направленности, хотя в рамках этого метода не выполняется соотношение энергетического баланса и отсутствует возможность учёта высших волн в области связи.
Как уже отмечалось, переходное ослабление определённого типа элемента связи двух волноводов зависит от длины волны в волноводе, геометрических размеров и положения этого элемента связи. Причём необходимо, чтобы переходное ослабление НО оставалось постоянным или как можно меньше отклонялось от некоторого постоянного уровня в заданном диапазоне длин волн, что в свою очередь требует постоянства переходного ослабления отдельного элемента связи в том же диапазоне. С этой точки зрения под оптимальной характеристикой переходного ослабления элемента связи понимают такую характеристику, которая удовлетворяет условию:
[math]|C-C_<1,2>| \le \Delta C [/math] ,
где [math]C[/math] — заданный уровень переходного ослабления;
[math]C_<1,2>[/math] — значения переходного ослабления элемента связи на краях заданного диапазона;
[math]\Delta C [/math] — допустимая величина отклонения переходного ослабления от заданного уровня.
Как правило, величина [math]C[/math] находится в пределах 0.1-1 дБ. Принято считать, что [math]C[/math] – значение переходного ослабления элемента связи в середине диапазона.
Выбирая соответствующим образом положение круглого отверстия связи по широкой стенке волновода, можно получить характеристику переходного ослабления с минимальным отклонением от определённого уровня в заданном диапазоне длин волн. Для отверстия связи, расположенного по узкой стенке волновода, оптимальность характеристики переходного ослабления, т.е. её отклонение от заданного уровня, однозначно определяется изменением длины волны.
Вообще говоря, связь двух волноводных трактов прямоугольного сечения по узкой стенке не имеет существенных преимуществ перед связью по широкой стенке, кроме большей величины максимально допустимой мощности, передаваемой основным трактом НО.
Одна из ранних конструкций направленных ответвителей с круглым отверстием связи посередине широкой стенки носит название ’’Ответвитель Бёте’’. Схематически ответвитель Бёте изображен на рис.7, где два прямоугольных волновода связаны между собой через центральное отверстие в широкой стенке. Оси волноводов сдвинуты под углом [math]\alpha[/math] . [math]А[/math] и [math]В[/math] – амплитуды электромагнитных волн основного типа колебания во вспомогательном тракте.
Электрическая связь (рис.5) возбуждает во вспомогательном волноводе синфазное поле, магнитная связь — противофазное. По этому мощность суммарного во вспомогательном волноводе распространяется в обратном направлении, то есть в направлении противоположном распространению энергии в основном волноводе.
Ответвитель Бёте не может не иметь переходное ослабление порядка 20 дБ и ниже, так как большое отверстие волновода приводит к возникновению существенного отражения в основном и во вспомогательном трактах. На практике полоса частот, в которой направленность не опускается ниже 20 дБ, около 20%. Рабочий диапазон ответвителя Бёте можно несколько расширить, если заполнить отверстие связи ответвителя диэлектриком с [math]\varepsilon \gt 1[/math] .
НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ С НЕНАПРАВЛЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СВЯЗИ
НO можно получить и при использовании ненаправленных элементов связи. Ненаправленным элементом связи называется такой элемент, который возбуждает во вспомогательном волноводе электромагнитные волны с равными амплитудами, т.е. в соотношении [math]A=B[/math] (рис. 8). Примером элемента связи, который не обладает направленностью, является отверстие в узкой стенке прямоугольного волновода. Волноводы в этом случае связаны тангенциальной составляющей магнитного поля [math]H_z[/math] . Два таких отверстия, расположенных на расстоянии [math]\Lambda/4[/math] друг от друга, образуют направленный ответвитель (рис. 8). [math]\Lambda[/math] – длина волны в волноводе.
Каждое отверстие связи возбуждает во вспомогательном волноводе пару волн с амплитудой [math]A[/math] , причем возбужденная волна находится в фазе с возбуждаемой каждым элементом связи. Подобное возбуждение вспомогательного волновода называется синфазным.
Волна, возбуждённая отверстием 1 во вспомогательном волноводе, отстает по фазе на [math]\pi/2[/math] , а волна, возбуждённая отверстием 2, имеет равное отставание в основном волноводе, поэтому общая волна во вспомогательном волноводе с правой стороны (рис.8)
[math]A \mathrm ^<-j\pi/2>+A \mathrm ^ <-j\pi/2>= -2 j A[/math] . (7) [math] A + A \mathrm ^<-j\pi/2>=0 [/math] , (8) так как запаздывание по фазе приобретает только волна, возбуждаемая отверстием 2, которая отстаёт по фазе на [math]\pi/2[/math] в основном и во вспомогательном волноводах.
Направленность ответвителя теоретически равна бесконечности на длине волны, для которой расстояние между отверстиями равно [math]\Lambda_0/4[/math] . Если [math]\Lambda_0[/math] – расчетная длина волны, то при длине волны [math]\Lambda[/math] волна слева не равна нулю и определяется выражением:
[math] B_\Sigma = A + A \mathrm ^<-j\pi \frac<\Lambda><\Lambda_0>> = A \left( 1 — \mathrm ^<-j\pi \frac<\Delta\Lambda><\Lambda_0>> \right)[/math] , (9) где [math]B_\Sigma[/math] – амплитуда суммарной волны слева;
[math] \Delta\Lambda = \Lambda_0 — \Lambda [/math]
откуда направленность ответвителя
[math] N=20\lg \left|\frac<2A> (10) Зависимость направленности ответвителя с двумя отверстиями связи при синфазном возбуждении от длины волны представлена на рис. 9.
Из рис. 9 видно, что при отклонении на +10% величина направленности равна всего 16 дБ. Согласно формуле (10), на расчетной длине волны должна получаться бесконечная направленность, которая в действительных конструкциях не имеет места из-за наличия отражений, неточности изготовления и взаимодействия элементов связи. Формула (10) достаточно точно определяет направленность ответвителя только при значительном отклонении длины волны от расчетной, когда направленность ответвителя определяется, в основном, расположением элементов связи.
Описанный выше НО с двумя отверстиями связи обладает следующими недостатками: большим переходным ослаблением и значительной зависимостью переходного ослабления от длины волны.
Рассмотрим случай противофазного возбуждения, когда один элемент связи возбуждает во вспомогательном волноводе волну в фазе, а соседний с ним элемент связи – в противофазе. Принципиальная схема ответвителя с противофазным возбуждением представлена на рис.10.
Очевидно, что во вспомогательном волноводе, независимо от расстояния между отверстиями связи [math]l[/math] , будет отсутствовать волна справа, тогда как волна слева зависит от расстояния [math]l[/math] и определяется выражением
[math] B_\Sigma = A \left( 1 + \mathrm ^ <- j\pi-j(4\pi l/\Lambda)>\right) [/math] . (11) Значение слагаемого [math]\mathrm
^<- j\pi-j(4\pi l/\Lambda)>[/math] в формуле (11) может меняться от [math]-1\, (l=\Lambda/2)[/math] до [math]+1\, (l = \Lambda/4)[/math] , при этом модуль [math] B_\Sigma [/math] изменяется соответственно от 0 до [math]2 A[/math] . Таким образом, системе с противофазным возбуждением присуща широкополосная направленность, поскольку уничтожение волн в одном направлении не определяется расстоянием между отверстиями связи. Основная волна, возбуждаемая во вторичном волноводе, распространяется в обратном направлении по сравнению с первичным волноводом и зависит от изменения расстояния между элементами связи, но значительно слабее, чем уничтожаемая волна в синфазном ответвителе [math] l=\Lambda/4 [/math] .
Зависимость переходного ослабления от длины волны можно уменьшить, скомпенсировав ее обратной зависимостью элементов связи.
На рис.11 показан один из вариантов противофазного направленного ответвителя. Узкая сторона вспомогательного волновода расположена по середине широкой стороны основного волновода, в которой на одинаковом расстоянии от центральной линии прорезаны два отверстия связи, отстоящие друг от друга на [math] l = \Lambda_0 /4 [/math] .
Связь основного и вспомогательного волноводов в этом случае осуществляется только за счет тангенциального магнитного поля, так как электрическое поле, нормальное к отверстиям связи, отсутствует во вспомогательном волноводе. В основном волноводе имеются две компоненты магнитного поля [math]H_x[/math] и [math]H_z[/math] , во вспомогательном волноводе существует только одна компонента [math]H_z[/math] . Поскольку компонента [math]H_z[/math] меняет знак при переходе через [math] x = a/2 [/math] , то поля, возбуждаемые отверстиями связи (рис.11) будут в противофазе. С целью уменьшения зависимости ослабления от длины волны в волноводе отверстия связи в практических конструкциях противофазного ответвителя в виде щелей.
НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ С ОДИНАКОВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СВЯЗИ
Пусть НО представляет собой систему элементов связи с равными геометрическими размерами, разнесённых на некоторое расстояние друг от друга.
На рис.12 схематически изображён трёхэлементный НО у которого расстояние между элементами связи [math]L[/math] произвольно.
При рассмотрении параметров НО используем следующие предположения: фазовые скорости распространения волны в основном и вспомогательном волноводах равны между собой, размеры отверстий малы по сравнению с длиной волны.
Во вспомогательном волноводе справедливы соотношения для суммарных волн, распространяющихся в прямом и обратном направлении, соответственно.
[math] B_\Sigma = A \left(1 + \mathrm ^<-j \frac<2\pi><\Lambda>2 l> + \mathrm ^<-j \frac<2\pi><\Lambda>4 l> \right) [/math] , (12) где [math]А[/math] – амплитуда волны, возбуждаемой одиночным отверстием связи. Условие идеальной направленности [math] B_\Sigma [/math] , выполняется при [math] l = \Lambda/6 [/math]
Выражения (12) для ответвителя с [math]n[/math] отверстиями связи имеют вид:
[math] |A_\Sigma| = n A [/math] ,
[math] |B_\Sigma| = A \frac<\sin n \frac<2\pi l><\Lambda>><\sin \frac<2\pi l><\Lambda>> [/math] . (13) На основании (13) направленность ответвителя равна:
и переходное ослабление [math]C[/math] при единичной амплитуде волны в основном волноводе [math] A_0 = 1 [/math] равно
[math] C = 20 \lg n A [/math] .
Очевидно, направленность ответвителя будет идеальной только тогда, когда
[math] \sin n \frac<2\pi l> <\Lambda>= 0,\quad n \frac<2\pi l> <\Lambda>= m\pi, \quad m=1,2,3\ldots [/math] .
В данном случае, при [math] m = l[/math] , расстояние между соседними элементами связи
[math] l=\Lambda /2n [/math] .
Если в выражении для направленности ответвителя перейти к пределу при [math]n \rightarrow \infty[/math] и [math]l \rightarrow \infty[/math] , то можно получить выражение направленности ответвителя, имеющего в качестве элемента связи длинную щель
ИЗУЧАЕМЫЙ НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ
Изучаемый НО относится к типу, волноводному НО с ненаправленными элементами связи. Он состоит из двух отрезков прямоугольного волновода сечением 17 x 8 мм, имеющих на некотором участке общую широкую стенку. В стенке имеется система одинаковых круглых отверстий, соединяющих внутренние пространства обоих отрезков волновода (рис.13). Расстояние между соседними отверстиями равно [math] \Lambda/4 [/math] . У отрезка основного волновода один конец открыт и имеет фланец, а на другом жёстко закреплена внутренняя согласованная с волноводом оконечная нагрузка. Открытые концы вспомогательного волновода обращены в противоположные стороны и имеют фланцы. Электромагнитная энергия попадает в основной волновод. Через отверстия связи она частично ответвляется во вспомогательный волновод.
Некоторая доля энергии, оставшаяся во входном отрезке, достигает оконечной нагрузки и рассеивается в ней в виде тепла. Незначительная доля, меньше 1%, отражается от оконечной нагрузки. Перешедшая во вспомогательный волновод энергия в силу направленного действия системы отверстий распространяется в сторону выхода, меньшая же часть распространяется в противоположную сторону.
Направленные ответвители, применяемые в измерителях параметров рассеяния
Рассмотрим конструкции направленных ответвителей (НО) — основных СВЧ-элементов, используемых при измерениях параметров рассеяния по методу разделения волн. От свойств НО зависит точность, чувствительность (диапазон измерений) и широкополос- ность анализаторов цепей СВЧ.
5.2.1. Свойства направленных ответвителей (НО)
Главное требование, предъявляемое к направленному ответвителю, — это способность выделить сигнал, пропорциональный только одной из волн, распространяющихся в измерительном тракте.
На рис 5. 3 показано условное обозначение направленного ответвителя и распределение волн на его портах (входах, плечах).
Рис. 5.3. Условное обозначение направленного ответвителя и сигналы на его портах (входах, плечах)
При подаче сигнала на порт 1 (основной вход) мощность подаваемого сигнала делится между портом 2 (основной выход) и портом 3 (дополнительный выход или измерительное плечо). Имеется ещё изолированный выход (или развязанное плечо) 4.
При этом в идеальном НО подаваемый сигнал не попадает в порт 4 (условие изолированного выхода или развязанного плеча), а также не отражается от порта 1 (условие согласования НО).
В силу взаимности и симметрии идеального НО аналогичные свойства проявляются и при подаче сигнала на другие порты. Меняется только нумерация основного, дополнительного и развязанного плеч.
Матрица рассеяния идеального взаимного НО выглядит следующим образом:
Все диагональные элементы матрицы — нулевые, что соответствует согласованию всех входов идеального направленного ответвителя.
Для реального НО все элементы в матрице рассеяния — ненулевые.
5.2.2. Параметры направленных ответвителей (НО)
Рабочим параметром направленного ответвителя является переходное ослабление (коэффициент связи) С, которое выражается в положительных децибелах и определяется следующим выражением:
Переходное ослабление показывает, какая часть полной мощности Pi сигнала волны падающей на основной вход 1 ответвляется с помощью НО в дополнительный выход (в измерительное плечо) 3.
Различают НО с сильной связью (С 10 дБ). (Чем меньше связь, тем меньше часть мощности, попадающая в измерительное плечо 3, тем больше по модулю логарифм отношения мощностей и тем больше переходное ослабление.)
Конструкция НО и его размеры выбирают исходя из заданного переходного ослабления.
Ещё одним параметром направленного ответвителя являются потери НО.
Потери НО учитывают уменьшение мощности Pi падающей волны в основном выходе 2 (за счет ее ответвления в дополнительное плечо 3) и определяются похожим отношением мощностей, выражаемом в децибелах:
Из закона сохранения энергии следует, что |S2il 2 +IS31I 2 = 1 , поэтому переходное ослабление С и потери А идеального НО связаны между собой:
Выбор переходного ослабления (коэффициента связи) НО для измерителя параметров рассеяния осуществляют исходя из следующих соображений.
При сильной связи будет сильнее влияние НО на волновые процессы в измерительном тракте. Кроме того, НО с сильной связью труднее реализовать.
При слабой связи уровень измерительных сигналов слишком мал, поэтому уменьшается чувствительность измерителя и его помехоустойчивость.
На практике в измерителях СВЧ-параметров применяют направленные ответвители со слабой связью — с переходным ослаблением 15. 20 дБ и более.
Свойства реального НО описывают дополнительными параметрами — направленностью и развязкой.
Развязка НО выражается в децибелах и показывает долю входной мощности, попадающей из входного порта 1 в изолированный выход (развязанное плечо) 4:
Направленность НО выражается в децибелах и отражает соотношение мощностей в дополнительном выходе (измерительном плече) 3 и в изолированном выходе (развязанном плече) 4:
Направленность определяет динамический диапазон измерителя.
Например, для рефлектометра направленность НО задает минимальный уровень коэффициента отражения, который можно измерить с этим направленным ответвителем.
Согласование НО характеризуют величиной КСВН входного порта НО при установленных согласованных нагрузках во всех остальных портах НО.
Для одинарных НО, т.е. для ответвителей, предназначенных для выделения только одного сигнала, согласованную нагрузку устанавливают в развязанном плече. Часто эта нагрузка выполняется несъемной и устанавливается при изготовлении НО.
Если параметры нагрузки неидеальны, то волна, отраженная от нагрузки, меняет соотношение измеряемых волн. Поэтому КСВН нагрузки в развязанном плече является важным параметром такого направленного ответвителя.
5.2.3. Конструкции направленных ответвителей (НО)
Кратко рассмотрим наиболее распространенные конструкции направленных ответвителей, используемых в измерителях S-параметров (параметров рассеяния).
В коаксиальных измерительных трактах используют НО на связанных линиях с Т-волнами (рис. 5.4, а).
Они обладают широкой рабочей полосой и технологичны, особенно при реализации на полосковых линиях (с коаксиальнополосковыми переходами).
Такие НО являются примером противонаправленных устройств, так как в них развязанное плечо 4 и дополнительное плечо 3 меняются местами по сравнению с рис. 5.3.
Выбором длины и расстояния между проводниками подбирают необходимое переходное ослабление.
Другой вариант — шлейфный ответвитель (рис. 5.4, б). Он состоит из четырех отрезков линий передачи (полосковых или коаксиальных), образующих почти квадрат. Поэтому его иногда называют квадратный мост.
Рис. 5.4. Схемы коаксиальных и полосковых направленных ответвителей: а — НО на связанных линиях; б — шлейфный ответвитель; в — гибридное кольцо
Длина каждого отрезка линий равна четверти длины волны на центральной рабочей частоте. При этом волны, попадающие в плечо 4, являются противофазными и поэтому вычитаются, чем достигается развязка этого плеча.
Волновые сопротивления Za и Zb отрезков линий подбирают так, чтобы обеспечить нужное переходное ослабление, которое определяется соотношением волновых сопротивлений:
Согласование ответвителя обеспечивается выполнением следующих соотношений между волновыми сопротивлениями:
Гибридное кольцо (рис. 7.4,в) отличается от шлейфного ответвителя тем, что длина отрезка между плечами 1 и 2 увеличена на половину длины волны.
Гибридное кольцо — это противонаправленный ответвитель (в нём назначение плеч другое, чем в шлейфном мосте).
Переходное ослабление такого НО зависит от соотношения волновых сопротивлений отрезков линий:
Согласование плеч определяется условием
При выполнении условия
входная мощность делится пополам, и ответвитель имеет переходное ослабление 3 дБ.
Описанные НО часто называют мостами. Их используют в качестве широкополосных делителей мощности.
Для волноводных трактов используют направленные ответвители на связанных волноводах со щелями.
Многощелевой направленный ответвитель показан на рис. 5.5, а).
Рис. 5.5. Волноводные направленные ответвители: а — многощелевой НО; б — щелевой мост
Он представляет собой два волновода, соединенных по широкой стенке несколькими отверстиями или щелями связи. Конфигурация отверстий, их количество и расположение выбирают, исходя из требуемого переходного ослабления, рабочей полосы и согласования ответвителя. Как правило, в развязанном плече предусматривают встроенную согласованную нагрузку.
Щелевой мост (рис. 5.5,6) имеет более простую конструкцию и представляет собой два волновода, с общей узкой стенкой, в которой прорезано окно на всю высоту. Длина окна подбирается так, чтобы обеспечить заданное переходное ослабление между плечами 1 и 3. Плечо 4 является развязанным. Цилиндрический штырь в центре области связи используют для согласования плеч НО.
Недостатком щелевого моста является узкая рабочая полоса частот, которая составляет 10 . 15 % от центральной частоты.