Кольцевые направленные ответвители

Рис. 3.9. Кольцевой восьмиполюсник:

а—общая схема;б—схема замещения парциальных четырехполюсников

Выясним возможности создания направленных ответвителей на основе восьмиполюсника с плоскостью симметрии , выполненного в виде замкнутого кольца из четырех отрезков линий передачи (для определенности коаксиальных волноводов) с Т-волной (рис. 3.9, а). Волновые сопротивления , , и длины отрезков линий передачи и являются варьируемыми параметрами, а длина отрезка выбрана равной . Четырехполюсники симметричного и антисимметричного возбуждения имеют одинаковые схемы замещения (рис.3.9,б), в которых эквивалентныешунтирующие реактивные проводимости относятся к параллельным шлейфам длиной и с условиями холостого хода (индекс «+») и короткого замыкания (индекс «—») и согласно формулам (1.31) определяются выражениями

(3.44)

Классические матрицы передачи четырехполюсников симметричного и антисимметричного возбуждения определяются путем вычисления произведения трех матриц передачи, две из которых относятся к шунтирующим проводимостям , а третья принадлежит четвертьволновому трансформатору с волновым сопротивлением .

(3.45)

Рассмотрим последовательно возможности получения направленности всех трех типов.

1. Направленность типа I. Условия и , во-первых, означают равенство проводимостей , а во-вторых, приводят к квадратному уравнению

(3.46)

с корнями . Равенство имеет следствием [см. (3.44)]: , поэтому длину отрезков линий передачи и следует выбрать . Тогда и . Согласно формулам (3.35) с учетом (3.46) элементы идеальной матрицы рассеяния получившегося направленного ответвителя типа I

; (3.47)

причем равенство , являющееся следствием унитарности матрицы рассеяния (3.33), совпадает с уравнением (3.46). Таким образом, выбирая соответствующие волновые сопротивления и , можно устанавливать заданное деление мощности на развязанных выходах ответвителя. Например, для равного деления мощности со входа 1 между выходами 2 и 4 следует выбирать и . Получившееся устройство с равным делением мощности называется квадратным (или шлейфным) мостом. В полосе частот свойства согласования и развязки входов не сохраняются и квадратный мост характеризуется следующими параметрами:

1)входным КБВ

2) развязкой входов 1 и 3, определяемой в виде , дБ;

3) коэффициентами связи, задаваемыми соотношениями , дБ.

Зависимости этих параметров от частоты изображены на рис. 3.10, где также приведен один из возможных рисунков печатной платы, получаемый при реализации квадратного моста на полосковых линиях передачи.

2. Направленность типа II. Условия и в матрице передачи (3.45), во-первых, заставляют положить , а во-вторых, приводят к квадратному уравнению

(3.48)

с корнями . Равенства и могут быть выполнены, если выбрать [см. формулы (3.44)]: ; ; , что обеспечивает . Согласно формулам (3.39) с учетом (3.48) элементы идеальною матрицы рассеяния получившегося направленного ответвителя типа II

(3.49)

причем равенство , являющееся следствием унитарности матрицы рассеяния, совпадает с уравнением (3.48) при . Полученное устройство относится к противонаправленным ответвителям синфазно-противофазного типа и носит специальное название гибридное кольцо. Подбирая соответствующие волновые сопротивления и отрезков кольца, можно устанавливать на его выходах заданное деление мощности. Например, для достижения равного деления мощности между выходами 2 и 3 при возбуждении входа 1 следует выбрать волновые сопротивления отрезков кольца . Частотные характеристики параметров гибридного кольца с равным делением мощности изображены на рис.3.11. Где также показан один из возможных рисунков печатной платы при выполнении гибридного кольца на полосковых линиях передачи.

3. Направленность типа III. Условия и , которым должны отвечать элементы матрицы передачи (3.45), во-первых, означают равенство проводимостей , а во-вторых, приводят к квадратному уравнению

(3.50)

с корнями . Поэтому минимальные длины отрезков и следует выбрать равными . Таким образом, . Согласно формулам (3.43) с учетом (3.50) элементы идеальной матрицы рассеяния получившегося направленного ответвителя типа III

(3.51)

Легко убедиться, что полученный кольцевой направленный ответвитель типа III в точности соответствует направленному ответвителю типа I, но с заменой и перенумерацией входов. Таким образом, реализация направленности типа III в данном случае не приводит к новой схеме ответвителя (см. рис. 3.8 и пояснения к нему в тексте).

Итак, исследование восьминполюсного устройства, показанного на рис. 3.9, позволяет с единых позиций объяснить принцип действия широко распространенных укрупненных базовых элементов — квадратного моста и гибридного кольца. Подобные элементы можно выполнять на многих типах линий передачи, включая прямоугольные волноводы. В последнем случае чаще используется не параллельное, а последовательное подключение выходных волноводов к замкнутому волноводному кольцу (т.е. в Е- плоскости), Это заставляет изменить схемы парциальных четырехполюсников на рис. 3.9, б путем замены параллельных реактивностей шлейфов на последовательные реактивности . Получение расчетных соотношений для кольцевых направленных ответвителей различных типов с последовательным подключением выходных волноводов к кольцу рекомендуется читателям в качестве упражнения.