Проектирование шлейфных ответвителей

 

Как отмечено, при изготовлении связанных линий с сильной боковой связью трудно или невозможно обеспечить хорошую воспроизводимость, поскольку в таких линиях необходимы малые зазоры между проводниками для получения коэффициента связи по напряжению менее 3 дБ. При этом из-за неизбежных при изго­товлении погрешностей весьма вероятно возникновение гальванической связи в некотором сечении узкой щели между проводниками. Существует другой тип нап­равленного ответвителя, в котором можно реализовать сильную связь вплоть до 0 дБ. Этот так называемый шлейфный направленный ответвитель (рис. 3.24) весьма прост в изготовлении на основе микрополосковой или симметричной полосковой линии. С небольшими изменениями такой ответвитель можно реализовать в коаксиальном или волноводном исполнении.

Существуют две возможные конструкции шлейфного ответвителя. В одной из них проводники образуют прямоугольник, во второй – проводники сверну­ты в кольцо. Первая конструкция получила широкое применение в схемах деления (сложения) мощности, вторая – в схемах смесителей. Естественно, обе конструкции эквивалентны.

Длины отрезков, соединяющих входные и выходные плечи ответвите­ля, выбираются равными четверти длины волны в линии (отметим, что длина волны может зависеть от волнового сопротивления линии, как, например, в микрополосковой линии). Если проводники свернуты в кольцо, то полная длина окружности, соответствующая среднему диаметру, равна длине волны в линии и состоит из четы­рех четвертьволновых отрезков. Выходные плечи ответвителя располагаются под углом 90° друг к другу. Можно показать, что при возбуждении плеча 1 сдвиг по фазе между волнами, поступившими в плечи 2 и 3, равен 90°. Поэтому такие ответвители относятся к классу квадратурных.

 

Рис 3.24. Двухшлейфный направленный ответвитель

 

Рассмотрим принцип действия ответвителя, определяя фазовые сдвиги, вносимые каждым из четвертьволновых отрезков линии, на кольцевом варианте ответвителя (рис. 3.25). Примем фазу волны, поступающей на вход плеча 1, нулевой. Из плеча 1 часть энергии поступает в плечо 2, причем волна на выходе этого плеча сдвинута на фазе на 90° относительно входящей в плечо 1. В плечо 3 поступают две волны равной амплитуды, одна из них проходит мимо плеча 2, вторая – мимо плеча 4. Очевидно, что эти волны синфазны и суммируются в плече 3. Фаза волны на выходе плеча 3 равна 180°, т. е. сдвиг по фазе между волнами в плечах 2 и 3 равен 90°. В плечо 4 также приходят две волны, но уже противофазные, которые гасят друг друга, т.е. плечо 4 оказывается развязанным.

Шлейфный направленный ответвитель используется не только как простой дели­тель (сумматор) мощности, может обеспечивать согласование при неравных сопротивлениях нагрузок, подключаемых к его входному и выходным плечам. На это очень полезное свойство часто не обращают внимание. При рациональном подходе удается значитель­но уменьшить число согласующих элементов, что позволяет снизить габариты схемы, ее сложность и потери в ней.

Эквивалентная схема шлейфного ответвителя, ко входу и выходу которого подключаются нагрузки с равными либо неравными сопроти-влениями (рис. 3.26), деление мощности может быть также равным или неравным. При волноводной реализации ответвителя часто приме-

Рис. 3.25. Схема шлейфного ответвителя няют последовательное

соединение отрезков вол-

новодов; тогда при анализе оперируют сопротивлениями. При реализации на основе коаксиальной, симметричной полосковой или микрополосковой линии, где все соединения отрезков линии параллельные, удобнее оперировать проводимостями. Параллельные проводимости Y ₁ и Y ₃ и последователь­ная проводимость Y ₂ нормированы к проводимости Y _в2 линии, подключенной к плечу 1. Соответственно и проводимость Y _в2 линии, подключаемой к выходным плечам, нормирована к проводимости Y _в2. Можно показать, опираясь на эквивалентную схему, что идеальное согласование ответвителя достигается при условии

Y ₁ = Y ₃ Y _в2,

а идеальная направленность, когда энергия волны в плече 4 равна нулю, при условии

=Y _в2 Y ₁ +Y ₃.

При выполнении этих соотношений вся входная мощность поступает в плечи 2 и 3. Если обозначить отношение мощностей на выходе плеч 2 и 3 через K, т. е.

K=Р ₂/ Р ₃,

то должны выполняться равенства:

Y ₃ = Y _в2 /K ^-1/2; Y ₃ = [(K +1) Y _в2 /K ]^-1/2; Y ₁ = 1/K ^-1/2.

Для иллюстрации этих простых расчетных соотношений рассмотрим следующем примере.

Пример 3.6. Рассчитать двухшлейфный ответвитель с переходным затуханием 3 дБ, входное и выход­ное сопротивления которого равны 50 Ом.

Решение

Нормируем проводимость в Рис. 3.26. Эквивалентная схема

выходном плече; т. к. Y _в1 = 1/50, двухшлейфного ответвителя

то Y _в2 = (1/50) / (1/50) = 1.

Поскольку Р ₃ = 10^-3/10, Р _вх = 0,5 Р ₃ = Р ₂, то K = Р ₂/ Р ₃ =1.

Применяя записанные соотношения, находим нормированные значения проводимостей:

Y ₁=1; ; Y ₃ = 1.

Перейдем к ненормированным значениям. Так как

Y ₁ =1/50 См, то Z ₁= 50 Ом → в параллельной ветви;

Y ₂=(2)^1/2/50 См, то Z ₂ = 35,4 Ом → в последовательной ветви;

Y ₃= 1/50 См₅ то Z ₃ = 50 Ом → в параллельной ветви, где Z _в1 = Z _в2 =50 Ом.