2. Гибридный кольцевой мост с обращением фазы.

Этот тип кольцевого моста выполняется путем замены полу вол нового отрезка на сосредоточенный фазовращатель [260—264], эквивалентная схема которого приведена на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Эквивалентная схема кольцевого моста длины X со -градусиым фазовращателем в одной из секций кольца (а) и непосредственно в одном из плеч (б)

Реализация таких фазовращателей на НПЛ или СПЛ не очень проста. Это связано с технологией изготовления (сверление отверстий в слое диэлектрика, пайка токонесущих проводников и пр.).

Более простую конструкцию имеет гибридное кольцо с фазовращателем Шифмана [260], выполненным на четвертьволновом

отрезке связанных ЛП. Однако проблема частотной независимости фазовращателя здесь не решена, равно как не решена и проблема широкополосности в гибридном кольце с фазовращателем на связанных ЛП [264, 265].

Широкополосное гибридное кольцо хорошо реализуется при использовании в одной секции кольца механически скрученной на 180° СПЛ [261, 262]. В этом случае слой диэлектрика имеет отверстие, в котором проводники ограниченной ширины СПЛ соединяют проводники СПЛ со слоями металла. Такой фазовращатель можно использовать в диапазоне от сотен мегагерц до десятков гигагерц.

Фазовращатель с механической скруткой проводников можно выполнить (как это сделано, например, в [266]) с помощью сочетания гальванического перехода НПЛ НПЛ и шлейфного перехода НПЛ - НПЛ (см. гл. 3). В этом гибридном кольце проводник НПЛ переходит с одной стороны слоя диэлектрика на другую, а затем с помощью металлических перемычек возвращается на начальную поверхность (рис. 4.5, а). При этом осуществляется поворот фазы сигнала на 180°. Учитывая широкополосные свойства используемых переходов, полоса рабочих частот гибридного кольца составляет более октавы.

Наиболее эффективно можно построить фазовращатели на шлейфных переходах между различными типами ЛП. Например, на комбинации СЩЛ и КЛ, переброс фазы в которых осуществляется металлическими перемычками [267]. В каком-то смысле перемычки все же ограничивают применение фазовращателей из-за технологической сложности изготовления. На рис. 4.5, б приведено гибридное кольцо, выполненное в нескольких слоях диэлектрика (эквивалентная схема этого кольца представлена на рис. 4.4, б). Одно входное плечо моста выполнено на СПЛ, а другое — на СЩЛ, расположенной между слоями диэлектрика. Две секции кольца между входными плечами выполнены на НПЛ, проводники которых расположены на внешних сторонах слоев диэлектрика и соединены со слоями металла СПЛ, а общий слой металла НПЛ - с проводником СПЛ. Секции кольца в области соединения с плечом на СЩЛ заканчиваются четвертьволновыми разомкнутыми шлейфами, а СЩЛ - четвертьволновым короткозамкнутым шлейфом внутри кольца. В середину секций кольца включены "выходные плечи на НПЛ. Полученное гибридное кольцо, помимо широкополосности, имеет уникальное свойство — входные плечи расположены рядом. Во всех же известных мостах между выходными плечами расположено входное плечо. Благодаря смежному расположению входных и выходных плеч довольно просто (это мы покажем ниже) реализуются диаграммообразующие схемы, в которых решается задача пересечения коммутирующих линий с высокой степенью развязки.

Аналогичное гибридное кольцо можно выполнить в одном слое диэлектрика с расположением НПЛ и СЩЛ по разные стороны слоя

диэлектрика (рис. 4.5, в). Но при этом теряется уникальное физическое свойство смежности выходных плеч.

Методы расчета гибридных кольцевых мостов, включая задачи анализа и синтеза, достаточно хорошо разработаны [268—273]. Мы рассмотрим наиболее общую схему гибридного кольца (рис. 4.4), в которой учитываются паразитные типы волн, возникающие в

Рис. 4.5. (см. скан) Синфазно-противофазные кольцевые мосты длины : а) фазовращатель в одной из секций кольца; 6) — е) в области включения плеча (штрихсн выми линиями показано гальваническое соединение проводников ЛП через слои диэлектрика); д) общая эквивалентная схема

неоднородностях -соединения плеч с гибридным кольцом [274]. Паразитными волнами могут быть волны поверхностного типа, не имеющие нижней частоты отсечки, и объемные, которые зависят от толщины слоев диэлектрика. В эквивалентной схеме направленное излучение -соединений в гибридном кольце учитывается путем введения дополнительных отрезков линий передачи (штриховые линии) паразитных волн, распространяющихся между диаметрально противоположными плечами кольца.

В силу симметрии схемы относительно оси можно (аналогично [248]) применить метод зеркальных отображений и свести задачу анализа к расчету четырехполюсников, работающих в режиме четного и нечетного видов возбуждения. Элементы волновых матриц передачи этих четырехполюсников равны [274]:

где

электрические длины отрезков ЛП, соединяющих противоположные плечи кольца, волновые сопротивления поверхностных волн в этих линиях.

Элементы волновой матрицы рассеяния определяются с помощью подстановки (2) в формулы перехода

Из анализа волновой матрицы рассеяния следует, что при возбуждении одного из входных плеч на два выходных плеча поступают синфазные либо противофазные сигналы с равными амплитудами, а развязка противоположных плеч определяется энергией возбуждаемых паразитных типов волн.

В реальных устройствах выходные плечи кольцевых мостов, как правило, нагружены на согласованные нагрузки, поэтому -соединения выходных плеч практически не излучают, т. е. волновые сопротивления стремятся к бесконечности. При этом элементы волновой матрицы рассеяния гибридного кольца с учетом возбуждения поверхностных волн только на входных плечах упрощаются:

Идеальная развязка между противоположными плечами кольца получается при выполнении условия

из которого видно, что высокая направленность гибридного кольца возможна при выборе наикратчайшего расстояния между диаметрально противоположными плечами —

В случае выполнения условия (5) волновая матрица рассеяния преобразуется в известную матрицу [275]:

где а функция определена на комплексной плоскости с разрезами от точек ±1 до бесконечности.

При отсутствии потерь в линиях передачи волповая матрица рассеяния гибридного кольца упрощается [248]:

где

Согласно (6) можно оценить потери, вносимые ЛП кольца. В случае малых потерь элементы волновой матрицы рассеяния имеют вид

Из сравнения выражений (1) и (8) видно, что потери в гибридном кольце с обращением фазы меньше, чем в кольце с периметром

В приведенных расчетах предполагалась частотная независимость фазовращателя. При учете длины шлейфов фазовращателя в гибридном кольце (рис. коэффициенты волновой матрицы рассеяния имеют вид

где элементы матриц суть

При заменах четвертьволновых шлейфов, разомкнутых на НПЛ, металлическими перемычками, а короткозамкнутого шлейфа на СЩЛ - кругом, вырезанным в слое металла (рис. 4.5, г), волновая матрица рассеяния сведется к известному выражению (7).

Свойства гибридного кольца можно определить из условия унитарности матрицы рассеяння (закон энергетического баланса)

в котором из условия симметрии кольца, благодаря малой дисперсии фазовращателя. Учитывая эти обстоятельства, получим

Выражение (10) показывает, что на любой частоте при идеальном согласовании существует идеальное деление мощности; если отраженная волна изменяется с равной пульсацией, то коэффициент деления мощности имеет одинаковую неравномерность.

Полученные теоретические результаты проверялись экспериментально на макетах гибридного кольца с обращением фазы. Макеты были изготовлены на диэлектрических подложках толщины из поликора Для обоих материалов получены частотные характеристики гибридного кольца в полторы октавы со следующими параметрами: коэффициент стоячей волны менее 1,2; деление мощности фазы сигнала и 180° от частоты не зависят, а изменение среды в полосе частот намного меньше погрешности измерения используемых приборов; развязка противоположных плеч свыше [266], а при учете условия (5) до 40 дБ [268]. В многослойной же структуре (рис. 4.5, б) развязки плеч гибридного кольца достигают значений более 40 дБ.

В рассмотренных мостах плечи были включены в кольцо последовательно. Применением комбинации последовательного и параллельного включения плеч можно значительно снизить габариты гибридного кольца.