Делители мощности и направленные ответвители

Направленный ответвитель 10 дБ 1,7–2,2 ГГц. Слева направо: вход, связанный, изолированный (с нагрузкой) и порт передачи. Делитель / сумматор мощности 2,0–4,2 ГГц 3 дБ.

Делители мощности (также мощности разделители 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 мощности в линии передачи с портом, 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 .

Направленный ответвитель чаще всего конструируется из двух связанных линий передачи, установленных достаточно близко друг к другу, так что энергия, проходящая через один, передается другому. Этот метод предпочтителен на микроволновых частотах, где конструкции линий передачи обычно используются для реализации многих схемных элементов. Однако сосредоточенные компонентные устройства 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 полученных сигналов по телефонным линиям.

Содержание

• 1 Обозначения и символы
• 2 Параметры
  • 2.1 Коэффициент связи
  • 2.2 Потери
  • 2.3 Изоляция
  • 2.4 Направленность
  • 2.5 S-параметры
  • 2.6 Баланс амплитуд
  • 2.7 Баланс фаз
• 3 Типы линий передачи
  • 3.1 Направленные ответвители
    • 3.1.1 Связанные линии передачи
    • 3.1.2 Ответвитель ответвления
    • 3.1.3 Ответвитель Ланге
  • 3.2 Делители мощности
    • 3.2.1 Делитель мощности Уилкинсона
    • 3.2.2 Гибридный ответвитель
    • 3.2.3 Гибридный кольцевой ответвитель
    • 3.2.4 Несколько выходных делителей
• 4 типа волноводов
  • 4.1 Волноводные направленные ответвители
    • 4.1.1 Волноводный ответвитель
    • 4.1.2 Направленный ответвитель с отверстиями Бете
    • 4.1.3 Прямой ответвитель с короткими пазами
    • 4.1.4 Обратно-фазный ответвитель Schwinger
    • 4.1.5 Перекрестно-волноводный ответвитель Moreno
  • 4.2 Волноводные делители мощности
    • 4.2.1 Гибридное кольцо волновода
    • 4.2.2 Волшебный тройник
• 5 Типы дискретных элементов
  • 5.1 Гибридный трансформатор
  • 5.2 Трансформаторы с перекрестным соединением
  • 5.3 Резистивный тройник
  • 5.4 Гибридный резистивный мост 6 дБ
• 6 Приложения
  • 6.1 Мониторинг
  • 6.2 Использование изоляции
  • 6.3 Гибриды
  • 6.4 Сумматоры мощности
  • 6.5 Разность фаз
• 7 См. Также
• 8 Ссылки
• 9 Библиография

Обозначения и символы

Рисунок 1 . Два символа, используемые для направленных ответвителей

Символы, наиболее часто используемые для направленных ответвителей, показаны на рисунке 1. На символе может быть нанесен 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.

Рисунок 2 . Обозначение делителя мощности

Обозначения формы;

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

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

Обозначение делителей мощности показано на рисунке 2. Делители мощности и направленные ответвители в основном относятся к одному классу устройств. Направленный ответвитель обычно используется для 4-портовых устройств, которые слабо связаны, то есть только 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, желательные для всех направленных ответвителей: широкая рабочая полоса пропускания, высокая направленность и хорошее согласование импеданса на всех портах, когда другие порты терминируются с согласованными нагрузками.. Некоторые из этих и других общих характеристик обсуждаются ниже.

Коэффициент связи

Коэффициент связи определяется как: $C\; 3,\; 1\; =\; 10\; log\; \; (P\; 3\; P\; 1)\; d\; В\; \{\backslash \; Displaystyle\; C\_\; \{3,1\}\; =\; 10\; \backslash \; log\; \{\backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{P\_\; \{3\}\}\; \{P\_\; \{1\}\}\}\; \backslash \; right)\}\; \backslash \; quad\; \{\backslash \; rm\; \{дБ\}\}\}$

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.

Loss

Рисунок 3 . График вносимых потерь из-за связи

Основная линия вносимых потерь от порта 1 до порта 2 (P 1 - P 2):

Вносимое затухание: $L\; i\; 2,\; 1\; =\; -\; 10\; log\; \; (P\; 2\; P\; 1)\; d\; B\; \{\backslash \; displaystyle\; L\_\; \{i2,1\}\; =\; -\; 10\; \backslash \; log\; \{\backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{\; P\_\; \{2\}\}\; \{P\_\; \{1\}\}\}\; \backslash \; right)\}\; \backslash \; quad\; \{\backslash \; rm\; \{dB\}\}\}$

Часть этих потерь связана с некоторой мощностью, идущей на связанный порт, и называется связью потеря и определяется как:

Потери связи: $L\; c\; 2,\; 1\; =\; -\; 10\; log\; \; (1\; -\; P\; 3\; P\; 1)\; d\; B\; \{\backslash \; displaystyle\; L\_\; \{c2,1\}\; =\; -10\; \backslash \; log\; \{\backslash \; left\; (1\; -\; \{\backslash \; frac\; \{P\_\; \{3\}\}\; \{P\_\; \{1\}\}\}\; \backslash \; right)\}\; \backslash \; quad\; \{\backslash \; rm\; \{dB\}\}\}$

Вносимые потери идеального направленный ответвитель будет полностью состоять из потерь связи. Однако в реальном направленном ответвителе вносимые потери состоят из комбинации потерь связи, диэлектрических, потерь, потерь в проводнике и потерь VSWR. 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 ответвителя без рассеяния показаны на графике на рисунке 3 и в таблице ниже.

Вносимые потери из-за связи

Связь	Вносимые потери
dB	дБ
3	3,00
6	1,25
10	0,458
20	0,0436
30	0,00435

Изоляция

Изоляция направленного ответвителя может быть определена как разница в уровнях сигнала в дБ между входным портом и изолированным портом, когда два других порта терминируются согласованными нагрузками, или:

Изоляция: $I\; 4,\; 1\; =\; -\; 10\; log\; \; (P\; 4\; P\; 1)\; d\; В\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{4,1\}\; =\; -\; 10\; \backslash \; log\; \{\backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{P\_\; \{4\}\}\; \{P\_\; \{1\}\}\}\; \backslash \; right)\}\; \backslash \; quad\; \{\backslash \; rm\; \{дБ\}\; \}\}$

Между двумя выходными портами также можно определить изоляцию. 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.

Следовательно: $I\; 3,\; 2\; =\; -\; 10\; log\; \; (P\; 3\; P\; 2)\; d\; B\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{3,2\}\; =\; -\; 10\; \backslash \; log\; \{\backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{\; P\_\; \{3\}\}\; \{P\_\; \{2\}\}\}\; \backslash \; right)\}\; \backslash \; quad\; \{\backslash \; rm\; \{dB\}\}\}$

Изоляция между входом и изолированными портами может отличаться от изоляции между двумя портами выхода. 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 плюс обратные потери. Изоляция должна быть максимально высокой. В реальных соединителях изолированный порт никогда не бывает полностью изолированным. Некоторая мощность RF будет всегда. Волноводные направленные ответвители будут иметь лучшую изоляцию.

Направленность

Направленность напрямую связана с изоляцией. Он определяется как:

Направленность: $D\; 3,\; 4\; =\; -\; 10\; log\; \; (P\; 4\; P\; 3)\; =\; -\; 10\; log\; \; (P\; 4\; P\; 1)\; +\; 10\; log\; \; (P\; 3\; P\; 1)\; d\; В\; \{\backslash \; Displaystyle\; D\_\; \{3,4\}\; =\; -\; 10\; \backslash \; log\; \{\backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{P\_\; \{4\}\}\; \{P\_\; \{3\}\}\}\; \backslash \; right)\}\; =\; -\; 10\; \backslash \; log\; \{\backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{P\_\; \{4\}\}\; \{P\_\; \{1\}\}\}\; \backslash \; right)\}\; +\; 10\; \backslash \; log\; \{\backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{P\_\; \{3\}\}\; \{P\_\; \{1\}\}\}\; \backslash \; right)\}\; \backslash \; quad\; \{\backslash \; rm\; \{dB\}\}\}$

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

Направленность должна быть как можно более 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 измеряется напрямую и рассчитывается путем сложения измерений изоляции и (отрицательной) связи по формуле:

$D\; 3,\; 4\; =\; I\; 4,\; 1\; +\; C\; 3,\; 1\; d\; B\; \{\backslash \; displaystyle\; D\_\; \{3,4\; \}\; =\; I\_\; \{4,1\}\; +\; C\_\; \{3,1\}\; \backslash \; quad\; \{\backslash \; rm\; \{dB\}\}\}$

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

$D\; 3,\; 4\; =\; I\; 4,\; 1\; -\; C\; 3,\; 1\; d\; B\; \{\backslash \; displaystyle\; D\_\; \{3,4\}\; =\; I\_\; \{4,1\}\; -C\_\; \{3,1\}\; \backslash \; quad\; \{\backslash \; rm\; \{дБ\}\}\}$

S -параметры

S-матрица для идеального (бесконечная изоляция и идеально согласованный) симметричный направленный ответвитель имеет вид,

$S\; =\; [0\; \tau \; \kappa \; 0\; \tau \; 0\; 0\; \kappa \; \kappa \; 0\; 0\; \tau \; 0\; \kappa \; \tau \; 0]\; \{\backslash \; Displaystyle\; \backslash \; mathbf\; \{S\}\; =\; \{\backslash \; begin\; \{bmatrix\}\; 0\; \backslash \; tau\; \backslash \; kappa\; 0\; \backslash \backslash \backslash \; tau\; 0\; 0\; \backslash \; kappa\; \backslash \backslash \backslash \; kappa\; 0\; 0\; \backslash \; tau\; \backslash \backslash \; 0\; \backslash \; kappa\; \backslash \; tau\; 0\; \backslash \; end\; \{bmatrix\}\}\}$

$\tau \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; tau\; \backslash \}$- коэффициент передачи,

$\kappa \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; kappa\; \backslash \}$- коэффициент связи

В общем, $\tau \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; tau\; \backslash \}$и $\kappa \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; kappa\; \backslash \}$соответствует ex, частотно-зависимый, числа. Нули на главной диагонали матрицы являются следствием идеального согласования - мощность, подаваемая на какой-либо порт, не отражается обратно на тот же порт. Нули на матрице антидиагональ являются следствием идеальной изоляции между входом и изолированным портом.

Для пассивного направленного ответвителя без потерь мы должны дополнительно иметь,

$\tau \; \tau \; ¯\; +\; \kappa \; \kappa \; ¯\; =\; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; tau\; \{\backslash \; overline\; \{\backslash \; tau\}\}\; +\; \backslash \; kappa\; \{\backslash \; overline\; \{\backslash \; kappa\}\}\; =\; 1\}$

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

Вносимые потери связаны с $\tau \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; tau\; \backslash \; \}$автор;

$L\; (d\; B)\; =\; -\; 20\; log\; \; |\; \tau \; |\; \{\backslash \; displaystyle\; L\; (\backslash \; mathrm\; \{dB\})\; =\; -\; 20\; \backslash \; log\; |\; \backslash \; tau\; |\; \backslash \}$

Коэффициент связи связан с $\kappa \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; kappa\; \backslash \}$на;

$C\; (d\; B)\; =\; 20\; log\; \; |\; \kappa \; |\; \{\backslash \; displaystyle\; C\; (\backslash \; mathrm\; \{dB\})\; =\; 20\; \backslash \; log\; |\; \backslash \; kappa\; |\; \backslash \}$

Ненулевые элементы главной диагонали связаны с возвратными потерями, а ненулевые антидиагональные записи связаны изоляции подобными 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 разность мощности в дБ между двумя выходными портами гибрида 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 быть равна 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

Связанные линии передачи

Рисунок 4 . Односекционный направленный ответвитель λ / 4

Наиболее распространенной формой направленного ответвителя является пара связанных линий передачи. Они могут быть реализованы в ряде технологий, включая коаксиальную и планарную технологии (полосковая и микрополосковая ). Полосковая реализация направленного ответвителя 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 - это участок между портами 1 и 2, а связанная линия - это участок между портами 3 и 4. Поскольку направленный ответвитель является линейным устройством, Обозначения на рисунке 1 произвольны. 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 связанный порт может использовать небольшой разъем, такой как разъем SMA. внутренняя нагрузка номинальная мощность также может ограничивать работу на соединенной линии.

Рисунок 5 . Направленный ответвитель короткого сечения Рисунок 6 . Направленный ответвитель короткого сечения с основной линией 50 Ом и связанной линией 100 Ом Рисунок 7 . Эквивалентная схема с сосредоточенными элементами ответвителей, изображенных на рисунках 5 и 6

Точность коэффициента связи зависит от допусков на размер для 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 ограничивает 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 быть изготовлены из воздушно-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 вплотную друг к другу.

Конструкция связанных линий λ / 4 хороша для реализации коаксиальных и полосковых линий, но не работает так хорошо в популярном ныне формате микрополосков, хотя дизайн действительно существует. Причина этого в том, что микрополоска не является однородной средой - есть две разные среды над и под полосой передачи. 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 сталкиваются, имеет связанную линию с более высоким сопротивлением , чем основная линия, такая как показано на фиг. 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.

Диапазон частот, указанный изготовителями, соответствует диапазону связанной линии. Характеристики 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 со связанными линиями λ / 4 будет иметь отклики при nλ / 4, где n - нечетное целое число.

Один связанный участок λ / 4 хорош для полос частот менее октавы. Для достижения большей полосы пропускания используются несколько секций связи λ / 4. Проектирование таких ответвителей происходит во многом так же, как и проектирование 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, например, максимально плоский (фильтр Баттерворта ), равной пульсации (фильтр Кауэра ) или заданной пульсации (фильтр Чебычева ). Пульсация - максимальное изменение выходного сигнала связанного порта в его полосе пропускания, обычно указываемое как плюс или минус значение в дБ от номинального коэффициента связи.

Рисунок 8 . 5-секционный направленный ответвитель плоского формата

Можно показать, что направленные ответвители со связанными линиями имеют $\tau \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; tau\; \backslash \}$чисто реальный и $\kappa \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; каппа\; \backslash \}$чисто мнимая 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. Пусть $\kappa \; =\; i\; \kappa \; I\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; kappa\; =\; i\; \backslash \; kappa\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{I\}\}\; \backslash \}$, идеальный случай работы без потерь упрощается до,

$\tau \; 2\; +\; \kappa \; I\; 2\; =\; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; tau\; ^\; \{2\}\; +\; \{\backslash \; kappa\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{I\}\}\}\; ^\; \{2\}\; =\; 1\; \backslash \}$

• 

  Микрополосковый направленный ответвитель на выходе гетеродина на PCB анализатора спектра.

• 

  Микрополосковый пилообразный направленный ответвитель

Ответвительный ответвитель

Рисунок 9 . Трехсекционный ответвитель, реализованный в плоском формате

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, чтоЗдесь связь каждой секции регулируется импедансом линий ответвления.. Основная и связанная линия составляет $2\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; scriptstyle\; \{\backslash \; sqrt\; \{2\}\}\}$полного сопротивления системы. Чем больше секций в ответвителе, тем выше соотношение импедансов ответвлений. Линии с высокими импедансами имеют узкие дорожки, и это обычно ограничивает конструкцию трех секций в плоских форматах из-за производственных ограничений. Аналогичное значение для коэффициентов связи менее 10 дБ; низкое сцепление также требует узких гусениц. Связанные источники наилучшего выбора, когда требуется слабая связь, но ответвители хороши для плотной связи и сами для гибридов 3 дБ. Ответвители обычно не обладают такой широкой полосой пропускания, как связанные линии. Этот тип соединителя хорош для реализации в мощных, воздушных диэлектриках, форматах сплошных стержней, поскольку жесткую конструкцию легко поддерживать механически.

Ответвительные ответвители могут вызвать неприемлемую связь между пересекаемыми линиями воздушные мосты. Теоретически идеальный кроссовер ответвления 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.

Ответвитель Ланге

Конструкция ответвителя Ланге аналогичной встречно-штыревой схеме фильтр с чередующимися параллельными линиями для достижения сцепления. Он используется для сильной связи в диапазоне от 3 дБ до 6 дБ.

Делители мощности

Рисунок 10 . Простое Т-образное деление мощности в плоском формате

Самые ранние делители мощности для линий электропередачи были простыми Т-образными разветвителями. Они дают очень плохую изоляцию между выходными портами - большая часть порта мощности, отраженной обратно от порта 2, попадает в 3. Можно показать, что теоретически невозможно согласовать все три порта пассивного без потерь. трехпортовый и плохая изоляция неизбежны. Однако это с четырьмя портами, и это основная причина, по которой четырехпортовые устройства могут использоваться 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 согласованной нагрузкой)), и ни один (в идеальном случае) не переходит в порт 3.

Термин гибридный ответвитель применялся к 3 дБ направленному соединению ответвителей, то есть направленному соединению ответвителей, то есть направленному ответвителям, в которых каждый из двух выходов составляет половину входной мощности. Это синонимично означало квадратурный ответвитель 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 «гибридный ответвитель без квалификации» означает гибрид со спаренной линией.

Делитель мощности Уилкинсона

Рисунок 11 . Делитель Уилкинсона в коаксиальном формате

Делитель мощности Уилкинсона состоит из двух параллельных несвязанных линий передачи λ / 4. Вход на обе линии линии, а выходы имеют оконечное сопротивление, в два раза превышающее системное сопротивление между ними. Конструкция может быть реализована в плоском формате, но она имеет более естественную в коаксиальном режиме кабеле - в планарной схеме две линии линии должны быть отделены друг от друга, чтобы не соединяться, а были соединены на своих выходах, чтобы были соединены их на своих выходах, чтобы можно было соединить их, как в коаксиальном кабеле линии могут быть проложены 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 ​​освобождение между портами вывода. Входной и выходной импедансы на каждом порте должны быть равны характеристическому сопротивлению системы. Это достигается за счет того, что импеданс линии составляет $2\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; scriptstyle\; \{\backslash \; sqrt\; \{2\}\}\}$полного сопротивления системы - для системы 50 Ом линии Уилкинсона составляет примерно 70 Ом

Гибридный ответвитель

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

$S\; =\; 1\; 2\; [0\; -\; i\; -\; 1\; 0\; -\; i\; 0\; 0\; -\; 1\; -\; 1\; 0\; 0\; -\; i\; 0\; -\; 1\; -\; i\; 0]\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathbf\; \{S\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{\backslash \; sqrt\; \{2\}\}\}\; \{\backslash \; begin\; \{bmatrix\}\; 0\; -i\; -1\; 0\; \backslash \backslash \; -\; i\; 0\; 0\; -1\; \backslash \backslash \; -\; 1\; 0\; 0\; -i\; \backslash \backslash \; 0\; -1\; -i\; 0\; \backslash \; end\; \{bmatrix\}\}\}$

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

Гибридный кольцевой ответвитель

Рисунок 12 . Гибридный кольцевой ответвитель в плоском формате

Гибридный кольцевой ответвитель, также называемый "крысиный" ответвитель, представляющий собой четырехполюсный направленный ответвитель 3 звезды, состоящий из четырех линий передачи 3λ / 2 с четырьмя линиями с интервалами, показанными на рисунке 12. Мощность, подаваемая на порт 1, разделяется и проходит в обоих направлениях 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 может быть реализована планарная реализация в коаксиальном или волноводном исполнении. Можно изготовить ответвитель с коэффициентом связи, отличным от 3 дБ, сделав каждый участок кольца λ / 4 поперечно и высоким импедансом, но для ответвителя на 3 дБ все кольцо будет выполнено $2\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; scriptstyle\; \{\backslash \; sqrt\; \{2\}\; \}\}$импедансов портов - для конструкции сопротивлением 50 Ом кольцо будет составлять приблизительно 70 Ом.

S-матрица для этой гибрида определяется выражением;

$S\; =\; 1\; 2\; [0\; -\; i\; -\; i\; 0\; -\; i\; 0\; 0\; i\; -\; i\; 0\; 0\; -\; i\; 0\; i\; -\; i\; 0]\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathbf\; \{S\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{\backslash \; sqrt\; \{\; 2\}\}\}\; \{\backslash \; begin\; \{bmatrix\}\; 0\; -i\; -i\; 0\; \backslash \backslash \; -\; i\; 0\; 0\; i\; \backslash \backslash \; -\; i\; 0\; 0\; -i\; \backslash \backslash \; 0\; i\; -i\; 0\; \backslash \; end\; \{bmatrix\}\}\}$

Гибридное кольцо не является симметричным по своему портам; выбор другого порта в качестве результатов входа не обязательно дает те же результаты. С портом 1 или портом 3 в качестве входа гибридное кольцо, как указано, является гибридом 0 °. Однако использование порта входа 2 или 4 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 входах в порты 2 и 3 появляется сигнал Σ. на порте 1, сигнал Δ появляется на порте 4.

Несколько выходных делителей

Рисунок 13 . Делитель мощности

Типичный делитель мощности показан на рисунке 13. В идеале входная мощность должна быть разделена поровну между портами вывода. Делители состоят из местных соединителей, как и соединители, быть перевернуты и любовники как мультиплексоры. Недостатком является то, что для четырехканального мультиплексора выходная мощность составляет только 1/4 мощности каждого из них и является относительно неэффективной. Причина этого в том, что на каждом сумматоре половина входной мощности поступает на порт 4 и рассеивается в нагрузочной нагрузке. Если бы два входа были когерентными, фазы можно было бы расположить так, чтобы аннулирование происходило на порте 4, а вся мощность шла бы на порт 1. Однако входы мультиплексора обычно поступают из полностью независимых источников и, следовательно, некогерентны. Мультиплексирование без потерь может быть выполнено только с сетями фильтров.

Типы волноводов

Волноводные ответы ответвители

Волноводные ответвители

Ветвь - Линейный ответвитель, описанный выше, также может быть реализован в волноводе.

Направленный ответвитель с отверстием Бете

Рисунок 14 . Направленный ответвитель с использованием отверстий

Одним из наиболее распространенных и простых навигационных направленных ответвителей является направленный ответвитель с отверстиями Бете. Он состоит из двух параллельных волноводов, друг над другом, с отверстием между ними. Часть энергии из одной направляющей запускается через отверстие в другую. Соединитель с отверстиями является еще одним примером обратного ответвителя.

<146 Концепция>соединителя с отверстиями Бете может быть расширена за счет нескольких отверстий. Отверстия расположено 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, Чебыше или какого-либо другого класса. Размер отверстия выбирается таким образом, чтобы обеспечить желаемое соединение для каждой секции фильтра. Критерии проектирования заключаются в достижении существующей плоской связи вместе с высокой направленностью в требуемом диапазоне.

Соединитель с короткими пазами Riblet

Соединитель с короткими пазами Riblet представляет собой два волновода, параллелепипед с общей боковой стенкой, а не длинная сторона, как в соединителе с отверстием Бете. В боковой стенке прорезана прорезь для сцепления. Эта конструкция часто используется для создания ответвителя на 3 дБ.

Обратно-фазовый ответвитель Швингера

Обратно-фазовый ответвитель Швингера - это еще одна конструкция, использующая параллельные волноводы, на этой разной стороне одного общего с короткой боковой стенкой другого. Между волноводами, разнесенными на λ / 4, прорезаны две смещенные от центра щели. Швингер - обратный соединитель. Эта конструкция имеет преимущество в виде практически плоской характеристики направленности и ограничивается в сильно зависящей от частоты связи по сравнению с соединением Бете-дыр, который имеет небольшое изменение коэффициента.

Ответвитель Moreno с перекрестными направляющими

Соединитель с перекрестными волноводами Moreno имеет два волновода, уложенных друг на друга, как и ответвитель с отверстиями Бете, но под прямым углом друг к другу, а не параллельно. Два смещенных от центра отверстия, обычно крестообразные, вырезаются по диагонали между волноводами на расстоянии $2\; \lambda \; /\; 4\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; scriptstyle\; \{\backslash \; sqrt\; \{2\}\}\; \backslash \; lambda\; /\; 4\}$Кроме того. Муфта Морено подходит для применения в условиях сильного сцепления. Это компромисс между функциями ответвителей Бете-Холла и Швингера.

Волноводные делители мощности

Волноводное гибридное кольцо

гибридное кольцо, рассмотренное выше, также может быть реализовано в волноводе.

Волшебная футболка

Рисунок 15 . Magic tee

Впервые когерентное разделение мощности было реализовано с помощью простых тройников. На микроволновых частотах тройники волновода две возможные формы - E-плоскость и H-плоскость. Эти два разделяют мощность поровну, но из 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 в гибридную тройку известна как волшебная футболка. Magic tee - это четырехпортовый компонент, который может выполнять векторную сумму (Σ) и разность (Δ) двух когерентных микроволновых сигналов.

Типы дискретных элементов

Гибридный трансформатор

Рисунок 16 . Гибридный трансформатор 3 дБ для системы 50 Ом

Стандартный гибридный трансформатор 3 показан на рисунке 16. Мощность на порте 1 делится поровну между портами 2 и 3, но в противофазе к другу. Таким образом, гибридный трансформатор является гибридным на 180 °. Центральный отвод обычно имеет внутреннюю оконечность, но его можно вывести как порт 4; в этом случае инсульт как заведующая сумма и разницы. Однако порт 4 представляет собой импеданс, отличающийся от других портов, и для преобразования импеданса дополнительный трансформатор, если требуется использовать этот порт при том же системном импедансе.

Гибридные трансформаторы обычно используются в телекоммуникациях для Преобразования с 2 на 4 провода. Телефонные трубки содержат такой преобразователь для преобразования 2-проводной линии в 4-проводную линию от динамика и мундштука.

Трансформаторы с перекрестным соединением

Рисунок 17 . Направленный ответвитель с использованием трансформаторов

Для более низких частот (менее 600 МГц) возможна компактная широкополосная реализация с помощью высокочастотных 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 индуцированного напряжения и тока определяет направление исходящего сигнала.

Связь определяется выражением;

$C\; 3,\; 1\; =\; 20\; log\; \; n\; \{\backslash \; displaystyle\; C\_\; \{3,1\}\; =\; 20\; \backslash \; log\; n\; \backslash \}$

где n - отношение витков вторичной обмотки к первичной.

Для связи 3 дБ, то есть равное разделение сигнала между переданным портом и связанным портом, $n\; =\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; scriptstyle\; n\; =\; \{\backslash \; sqrt\; \{2\}\}\}$, и изолированный порт завершается в удвоенное характеристическое сопротивление - 100 Ом для системы 50 Ом. Делитель мощности 3 дБ на основе этой схемы имеет два выхода с фазой 180 ° относительно друг друга, по сравнению с соединенными линиями λ / 4, которые имеют фазовое соотношение 90 °.

Резистивный тройник

Рисунок 18 . Простая резистивная тройниковая схема для системы 50 Ом

Простая тройниковая схема резисторов может использоваться в качестве делителя мощности, как показано на рисунке 18. Эта схема также может быть реализована как треугольная схема, применяя Y-Δ преобразовать. В дельта-форме используются резисторы, равные системному сопротивлению. Это может быть выгодно, потому что прецизионные резисторы на значение 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. Изоляцию можно улучшить за счет вносимых потерь на обоих выходных портах, заменив выходные резисторы на T-контактные площадки. Улучшение изоляции больше, чем добавленные вносимые потери.

Гибридный резистивный мост 6 дБ

Рисунок 19 . Гибридный резистивный мост на 6 дБ для системы на 600 Ом

Настоящий гибридный делитель / ответвитель с теоретически бесконечной развязкой и направленностью может быть выполнен из резистивной мостовой схемы. Как и тройник, у моста вносимые потери 6 дБ. Его недостаток заключается в том, что его нельзя использовать с несимметричными цепями без добавления трансформаторов; однако он идеально подходит для симметричных телекоммуникационных линий 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 в основном из двух резисторов (плюс оконечная нагрузка порта 4).

Приложения

Мониторинг

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

Использование изоляции

Рисунок 20 . Установка для тестирования двухтонального приемника

Если изоляция высока, направленные ответвители хороши для объединения сигналов для подачи одной линии на приемник для тестов двухтонального приемника. На рисунке 20 один сигнал поступает в порт P 3, а 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 изолированного порта будет рассеивать потери сигнала из порта P 3 и порта P 2. Если пренебречь изоляторами на рисунке 20, измерение изоляции (от порта P 2 до порта P 3) определяет мощность сигнала . генератор F2, который будет введен в генератор сигналов F 1. По мере увеличения уровня впрыска может возникнуть модуляция генератора сигналов F 1 или даже синхронизацию фазы впрыска. Из-за симметрии направленного ответвителя обратная подача происходит с теми же возможными проблемами модуляции генератора сигналов F 2 на F 1. Поэтому изоляторы на рис. 20 используются для эффективного увеличения развязки (или направленности) направленного ответвителя. Следовательно, потери инжекции будут представлять собой изоляцию направленного ответвителя плюс обратную изоляцию изолятора.

Гибриды

Применения гибрида включает моноимпульсные компараторы, смесители, сумматоры мощности, делители, модуляторы и фазированные антенные решетки антенные системы радара. Как синфазные устройства (такие как делитель Уилкинсона), так и квадратурные (90 °) гибридные ответвители местные 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 кабельного телевидения или эфирное телевидение передает сигналы на несколько телевизоров и другие устройства. Многопортовые разветвители с более чем выходными двумя портами обычно состоят из нескольких каскадных соединителей. Кабельного телевидения (кабельный Интернет ). Интернет кабельный модем домашнего пользователя подключен к одному порту разветвителя.

Сумматоры мощности

Поскольку гибридные схемы двунаправлены, их можно использовать для когерентного объединения мощность, а также ее разделение. 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.

Рисунок 21 . Схемы сплиттера и сумматора, используемые с усилителями для создания твердотельного усилителя высокой мощности 40 дБ (коэффициент усиления по напряжению 100) Рисунок 22 . Расположение фаз на гибридном сумматоре мощности.

Фазы входов в каждый сумматор мощности расположены так, что два входа не совпадают по фазе на 90 ° друг с другом. Поскольку связанный порт гибридного объединителя сдвинут по фазе на 90 ° с переданным портом, это приводит к суммированию мощностей на выходе объединителя и отмене на изолированном порте: типичный пример из 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 - это половина 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

Рисунок 23 . Комбинация фаз двух антенн

Фазовые свойства 90 ° гибридного ответвителя могут быть использованы с большим преимуществом в микроволновых схемах. Например, в сбалансированном СВЧ-усилителе два входных каскада питаются через гибридный ответвитель. Устройство FET 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. Таким образом, вся отраженная мощность от полевых транзисторов идет на нагрузку изолированного порта, а мощность на входной порт не поступает. Это приводит к хорошему входному согласованию (низкий КСВН).

Если линии с фазовым согласованием используются для входа антенны в гибридный ответвитель 180 °, как показано на рисунке 23, ноль будет возникают непосредственно между антеннами. Чтобы получить сигнал в этой позиции, нужно либо изменить тип гибрида, либо длину линии. Это хороший подход для отклонения сигнала с заданного направления или создания разностной диаграммы для моноимпульсного радара.

Для создания луча можно использовать разностные элементы связи. наклонить в VHF 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 радиолуча в любом заданном направлении. 110>См. Также

• Звёздный соединитель
• Светоделитель

Ссылки

Библиография

Эта статья включает материалы, являющиеся общественным достоянием, из отдела авионики Центра авиации ВМС Документ отдела вооружений: «Справочник по проектированию радиоэлектронных средств и радиолокационных систем (номер отчета TS 92-78)». Проверено 9 июня 2006 г. (стр. 6–4.1–6–4.5 Делители мощности и направленные 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. Чапюис, 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 Я. 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, pp. 2127-2130, 1997.
• Стивен А. Дайер, Обзор контрольно-измерительных приборов 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.
• Иэн Хикман, Практическое руководство 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 радиоволн, 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.
• Y. Т. Ло, С. В. Ли, Справочник по антеннам: приложения, Springer, 1993 ISBN 0-442-01594-1.
• Matthaei, George L.; Янг, Лео и Джонс, Э.М.Т. Микроволновые фильтры, согласованные по импедансу сети и структуры связи МакГроу-Хилл 1964 OCLC 299575271
• D. Morgan, A Handbook for EMC Testing and Measurement, IET, 1994 ISBN 0-86341-756-6.
• Антти В. Райсанен, Арто Лехто, Радиотехника для беспроводной связи и сенсорные приложения, Artech House, 2003 ISBN 1-58053-542-9.
• KR Редди, С.Б. Бадами, В. Баласубраманян, Колебания и волны, Universities Press, 1994 ISBN 81-7371-018-X.
• Питер Визмюллер, Руководство по проектированию РФ: системы, схемы и уравнения, Том 1, Artech House, 1995 ISBN 0-89006-754-6.