3. Полуволновое гибридное кольцо [276, 277, 80].

Практически важным является вопрос о миниатюризации кольцевых мостов при одновременном упрощении их конструкции. Эти возможности достаточно просто реализуются, как мы уже отмечали, при использовании ОИС принципа конструирования модуля СВЧ.

Ниже рассматриваются полуволновые кольца, выполненные на комбинации нескольких и НЩЛ. Соединение перечисленных ЛП с помощью широкополосных переходов, рассмотренных в гл. 3, позволяет качественно по-новому подойти К проектированию и построению кольцевых мостов.

Рис. 4.6. Кольцевые мосты длины на НЩЛ и СЩЛ (б, в, д, е)

В гибридных кольцах, конструкции которых приведены на рис. 4.6, используются НЩЛ (рис. 4.6, а, г) и СЩЛ (рис. 4.6, б, в, д, е). Входное плечо и два выходных плеча, выполненные на одном типе ЛП, расположены в диаметрально противоположных точках кольца, причем в точке включения выходных плеч расположено входное плечо, выполненное на другом типе ЛП.

Гибридные кольца рис. 4.6, а, в, г, е имеют двустороннюю топологию, т. е. одно из входных плеч расположено на противоположной стороне слоя диэлектрика, а в кольцах рис. 4.6, б, д все токонесущие проводники находятся на одной стороне слоя диэлектрика, что во многом упрощает технологию изготовления и настройку.

Выравнивание потенциалов в области соединения кольца с КЛ (рис. 4.6, б, д) осуществляется навесными перемычками, а с НПЛ (рис. 4.6, в, е) - штырями через отверстия в слое диэлектрика. Данные неоднородности имеют индуктивный характер, что в значительной мере ограничивает верхний предел рабочих частот.

Гибридные кольца рис. 4.6, г, выполненные без навесных элементов, могут применяться вплоть до миллиметрового диапазона.

Поясним принцип действия рассматриваемого класса устройств на примере гибридного кольца с параллельно включенными входными плечами (рис. 4.6, а); остальные кольцевые мосты работают на том же припципе.

При возбуждении СЩЛ входного плеча сигналы противофазио возбуждают НПЛ выходных плеч, а при возбуждении противоположно расположенной НПЛ - сипфазно, причем из-за равенства длин секций кольца фазовые соотношения и деление мощности на выходных плечах сохраняются в весьма широкой полосе частот. Вследствие симметрии кольца относительно выходных плеч развязка между входными плечами практически бесконечна. Полученные при эксперименте значения развязки больше 40 дБ.

Электродинамический анализ гибридного кольца представляет весьма сложную задачу математической теории дифракции из-за отсутствия точных физических и математических моделей -соединений между различными типами

Рис. 4.7. Эквивалентные схемы кольцевых мостов с параллельно (а) и последовательно (б) включенными выходными плечами

Учитывая это и возможный диапазон (сантиметровый), проведем анализ эквивалентных схем гибридного кольца с параллельным (рис. 4.7, а) и последовательным (рис. 4.7, б) включением выходных плеч с помощью аппарата теории цепей с применением метода отображения. В результате расчета получим волновую матрицу передачи гибридного кольца (рис. 4.7, а):

элементы которой суть

где

Используя формулы перехода от волновой матрицы передачи гибридного кольца (11) к волновой матрице рассеяния, получим ее коэффициенты (без учета потерь в линиях) в виде

где электрическая длина периметра кольца,

На резонансной частоте гибридное кольцо согласовано и имеет максимальную развязку выходных плеч при выполнении условия

Условие (13) определяет большое число решений, что позволяет в широком диапазоне выбирать волновые сопротивления плеч. Это свойство дает возможность разработчику ОИС СВЧ проектировать гибридные кольца в сочетании с пассивными цепями и активными элементами, минуя согласующие устройства.

Волновая матрица рассеяния при выполнении условия согласования (13) имеет довольно простой вид:

При расчете гибридного кольца с последовательно включенными выходными плечами достаточно в приведенных соотношениях для волновой матрицы рассеяния заменить характеристические сопротивления на проводимости у и изменить знаки перед мнимыми частями.

На рис. 4.8 приведены рассчитанные по (14) частотные характеристики (сплошные кривые) переходного ослабления при и коэффициента стоячей волны при а также результаты экспериментальных измерений в сантиметровом диапазоне (штриховые кривые). Удовлетворительное совпадение экспериментальных данных с расчетными свидетельствует о правильности выбора

эквивалентной схемы гибридного кольца. Результаты экспериментальных исследований остальных кольцевых мостов, представленных на рис. 4.6, практически совпадают с данными, приведенными на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Частотные характеристики кольцевого моста длины сплошные кривые — расчет, штриховые — эксперимент

Для анализа влияния разброса волновых сопротивлений в гибридном кольце выразим на резонансной частоте коэффициенты волновой матрицы рассеяния (12) через коэффициенты отражения от входных и выходных плеч:

и передачи:

где Переходное ослабление (коэффициент передачи) и коэффициент отражения сильно зависят от степени согласования гибридного кольца, о которой можно судить по обобщенным параметрам Из (15) и (16) видно, что параметры кольца имеют симметричную зависимость от значений расчетные кривые которых приведены на рис. 4.9, а (случай соответствует идеальному согласованию гибридного кольца). Получен также набор расчетных кривых для значений в зависимости от обобщенного параметра при различных (рис. 4.9,6). Так как эти зависимости имеют симметричный характер относительно то при

анализе кривых рис. 4.9, б можно фиксировать параметр и брать в качестве переменной При невыполнении условия согласования переходное ослабление и и увеличиваются, а развязка между выходными плечами уменьшается. Из рис. 4.9 можно легко определить допуски на волновые сопротивления при заданном «поле» допуска на выходные характеристики гибридного кольца.

В табл. 4.2 приведены рабочие характеристики гибридного кольца, соответствующие октавной полосе частот для двух случаев согласования. Из нее видно, что выбор волнового сопротивления, равного является наилучшим для создания балансных схем вследствие обеспечения почти одинакового согласования и деления мощности в диапазоне частот. В том случае, когда требуются минимальные потери на отражение (например, для слабого сигнала с аптенпы, поступающего на балансный смеситель), наилучшим будет второе условие согласования.

Рис. 4.9. Зависимость влияиия разброса нормированных волновых сопротивлений на коэффициенты передачи и отражения в кольцевом мосте

На практике, например, в диаграммообразующих устройствах довольно часто требуется неравное деление мощности. В этом случае волновая матрица рассеяния согласованного гибридного кольца на центральной частоте имеет вид

где Анализ матрицы (17) показывает, что деление мощности пропорционально отношению волновых сопротивлений секций гибридного кольца.

Для увеличения ширины полосы частот можно к каждому плечу гибридного кольца подсоединить одинаковые взаимные двухполюсники (рис. 4.10,а), состоящие из каскадно соединенных единичных элементов, сопротивление которых выбирается так, чтобы в рабочей полосе частот устройства наименее отклонялся от единицы при чебышевской аппроксимации [260, 279].

Выше отмечалось, что сипфазное возбуждение боковых плеч гибридного кольца приводит к разбиению эквивалентной схемы кольца на два не связанных четырехполосника четвертьволновой длины с волновым сопротивлением каждый, имеющих

характеристики, по согласованию аналогичные характеристикам гибридного кольца.

Таблица 4.2 (см. скан)

При подключении справа и слева к четырехполоснику согласующих трансформаторов получим ступенчатый переход (рис. 4.10,6), описываемый волновой матрицей передачи, элементы которой суть

где переменная Ричардса, полиномы от с вещественными коэффициентами, степень которых равна числу единичных элементов в схеме.

При отсутствии потерь четырехполюсник (рис. 4.10, а) является симметричиым, обратимым и реактивным.

Рис. 4,10. Кольцевой мост с четвертьволновыми согласующими отрезками (а); эквивалентная схема (б); частотные характеристики (в)

Его волновая матрица передачи при чебышевской аппроксимации функции и в рабочей полосе частот выглядит следующим образом:

где коэффициент перекрытия диапазона по частоте, К — максимальный К в рабочей полосе частот, — полином, который определяется

по рекуррентным формулам [271]:

Полиномы определяются из соотношений

Для определения элементов четырехполосника (рис. 4.10,б) по волновой матрице передачи (19) при заданных параметрах воспользуемся обычной методикой, т. е. будем домножать матрицу (19) слева на матрицу, обратную матрице передачи единичного элемента, следя, чтобы степень элементов получающейся матрицы снижалась на единицу.

Таблица 4.3 (см. скан)

При этом получаются уравнения, степень которых не выше второй, позволяющие находить значения волновых сопротивлений элементов схемы. Результаты расчета сведены в табл. 4.3, где приведены данные по исходному гибридному кольцу частотная характеристика которого рассчитана по (14) и приведена на рис. 4.10, в. На этом рисунке представлены кривые частотной зависимости и от числа согласующих элементов на плечах гибридного кольца. Видно, что с увеличением числа согласующих четвертьволновых трансформаторов рабочая полоса частот растет.

Рассмотренное гибридное кольцо выгодно использовать в дециметровой и длинноволновой части сантиметрового диапазона волн, где наиболее существенную роль играют габариты, а по частотным свойствам оно не уступает всем известным кольцевым мостам. При переходе в область миллиметровых волн в гибридное кольцо достаточно включить симметрично два полуволновых отрезка, образуя таким образом периметр