5.7. ШЛЕЙФНЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ

Выше отмечалось, что 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 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 Этот, так называемый шлейфный, направленный ответвитель (рис. 5.29) весьма прост в изготовлении на основе микрополосковой или симметричной полосковой линии. С небольшими изменениями такой ответвитель можно реализовать в коаксиальном или волноводном исполнении.

На рис. 5.29 показаны 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

Рис. 5.29. Двухшлейфный направленный ответвитель

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 друг к другу. Можно показать, что при возбуждении плеча 1 сдвиг по фазе между волнами, поступившими во второе и третье плечи, равен 90°. Поэтому такие ответвители относятся к классу квадратурных.

Рассмотрим принцип действия ответвителя, определяя фазовые сдвиги, вносимые каждым из четвертьволновых отрезков линии. На рис. 5.30 схематически изображен кольцевой вариант ответвителя. 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 относительно входящей в плечо 1. В плечо 3 поступают две волны равной амплитуды, одна из которых 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 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. В показано, что такой ответвитель кроме функции деления 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.

На рис. 5.31 изображена эквивалентная схема шлейфного ответвителя, ко входу и выходу которого подключаются нагрузки с равными либо неравными сопротивлениями. Деление мощности может быть также равным или неравным. При волноводной реализации ответвителя (рис. 5.31) часто применяют последовательное соединение отрезков волноводов; тогда при анализе оперируют сопротивлениями. При реализации на основе коаксиальной, симметричной полосковой или микрополосковой линии, где все соединения отрезков линии параллельные, удобнее оперировать

Рис. 5.30. Схема шлейфного ответвителя

Рис. 5.31. Эквивалентная схема двухшлейфного ответвителя

проводимостями. На рис. 5.31 параллельные проводимости У, и и последовательная проводимость нормированы к проводимости линии, подключенной к плечу 1. Соответственно и проводимость линии, подключаемой к выходным плечам, нормирована к проводимости

Можно показать, опираясь на эквивалентную схему (рис. 5.31), что идеальное согласование ответвителя достигается при

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

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

то должны выполняться равенства

Для иллюстрации этих простых расчетных соотношений рассмотрим следующий пример.

Пример 5.10. Рассчитать двухшлейфный ответвитель с переходным затуханием входное и выходное сопротивления которого равны 50 Ом.

Решение

Нормируем проводимость в выходном плече; так как то

Поскольку

Применяя записанные выше соотношения, находим нормированные величины проводимостей:

Перейдем к ненормированным величинам. Так как

Геометрические размеры отрезков линий соответствующих найденным величинам волновых сопротивлений, можио определить с помощью программ синтеза из гл. 2, предварительно выбрав тип линии, на основе которой реализуется ответвитель.

Опираясь на результаты примера 5.10, можно сконструировать делитель мощности с равным делением мощности между выходными плечами. К выходу плеча 4 обычно подключается поглощающая нагрузка. Рабочая полоса частот такого типа ответвителей порядка

Пример 5.11. Повторить решение примера 5.10 для переходного затухания

Решение

Так как соответствует отношению мощностей то

Используя расчетные соотношения, получаем

что позволяет определить волновые сопротивления всех отрезков:

На этом расчет завершается.

При переходном затухании более волновое сопротивление последовательных отрезков становится достаточно высоким, что вызывает определенные трудности при изготовлении таких ответвителей.

Для иллюстрации согласующих возможностей шлейфного ответвителя рассмотрим ответвитель с равным делением мощности, на входе и выходах которого включены неравные сопротивления.

Пример 5.12. С помощью двухшлейфного ответвителя согласовать генератор с сопротивлением 75 Ом и -омную нагрузку, обеспечив равное деление мощности между выходными плечами.

Решение

При равном делении мощности т. е. Нормированная проводимость, подключаемая к выходу второго плеча,

Результаты расчета сведены в табл. 5.5. На этом расчет завершается.

Таблица 5.5

Таблица 5.6

И наконец, рассчитаем ответвитель включенный между сопротивлениями 100 и 50 Ом. Результаты расчета представлены в табл. 5.6. Отметим, что большая величина (141 Ом) волнового сопротивления отрезка между первым и четвертым плечами может вызвать трудности при изготовлении такого ответвителя.

Для получения переходного затухания, меньшего двухшлейфный ответвитель практически непригоден. Объясняется это тем, что поперечные размеры

Рис. 5.32. Многокаскадный ответвитель

проводников в отрезках линий с требуемыми значениями волновых сопротивлений недопустимо велики. Поэтому при реализации переходного затухания, меньшего обычно используют каскадное включение нескольких физически реализуемых шлейфных ответвителей с большим переходным затуханием каждого из них. Такая схема изображена на рис. 5.32.

По формулам, приведенным на рис. 5.32, рассчитаем величину характеризующую ответвитель при коэффициенте связи по напряжению, равном

Тогда при каскадном соединении трех таких ответвителей получим

а для четырех таких же ответвителей