Направленные ответвители на связанных линиях передачи с т-зонами

Наиболее компактные и широкополосные направленные ответвители в СВЧ - диапазоне волн получаются при использовании эффектов взаимной связи в многопроводных линиях передачи с Т-волнами. На рис. 3.12 показаны эскизы двух ответвителей такого типа.

Анализ ответвителей на связанных линиях передачи удобно проводить методом симметричного и антисимметричного возбуждения, используя продольную плоскость симметрии, расположенную между первичной 1—2 и вторичной 3—4 линиями передачи. Парциальные четырехполюсники симметричного и антисимметричного возбуждения приобретают вид отрезков регулярной линии передачи с Т-волной, причем длины этих отрезков l совпадают с длиной участка связи, а волновые сопротивления зависят от того, какое граничное условие (Ht=0 или Еt=0) имеет место в плоскости симметрии ответвителя.

Конфигурации поперечных сечений и структуры поперечного электрического поля в парциальных четырехполюсниках симметричного и антисимметричного возбуждения для трех разновидностей связанных линий передачи показаны на рис. 3.13. Из сравнения структур электрического поля следует, что погонная емкость линии передачи в режиме симметричного возбуждения (граничное условие Ht=0) должна быть меньше погонной емкости в режиме антисимметричного возбуждения (граничное условие Et=0), и, следовательно, волновые сопротивления и в парциальных четырехполюсниках удовлетворяют неравенству . Полагая, что входные линии передачи ответвителя имеют единичное нормированное волновое сопротивление, можно на основании формулы (3.20) следующим образом записать классические матрицы передачи парциальных четырехполюсников:

При таком виде матриц передачи парциальных четырехполюсников возможна реализация только направленности типа II с условиями на элементы матриц вида (3.38). Согласно этим условиям равенство элементов обеспечивается при одинаковых коэффициентах фазы в парциальных четырехполюсниках, аравенствоэлементов будет иметь место при специальном подборе волновых сопротивлений:

(3.52)

Существенно, что условия реализации направленности получились не зависящими от электрической длины участка связи , и, следовательно, идеальная развязка и полноесогласованиевходов будут обеспечиваться на любой частоте. От частоты будет зависеть лишь распределение мощности на выходах ответвителя. Используя формулы (3.37) и правила перехода от матрицы передачи к матрице рассеяния (см. табл. 3.1), после несложных тождественных преобразований с учетом условия (3.52) получаем:

(3.53)

где вспомогательный параметр, имеющий смысл модуля коэффициента отражения от стыка линий передачи с волновыми сопротивлениями и . Из формулы (3.53) следует, что если длина участка связи , то коэффициент передачи максимален и равен параметру М. Если же длина участка связи кратна полуволне, то и вся мощность со входа 1 проходит на вход 2. На рис. 3.14 показано изменение модулей и в направленном ответвителе на связанных линиях передачи в зависимости от электрической длины при параметре .

Направленный ответвитель на связанных линиях передачи имеет две плоскости симметрии, и поэтому относится к квадратурным направленным ответвителям, т. е.

Чаще всего применяются направленные ответвители на полосковых и микрополосковых линиях. При проектировании таких ответвителей с заданными коэффициентами передачи и , удовлетворяющими условию , длину участка связи l можно выбирать произвольно (чаще всего ), после чего на основании формул (3.53) находят параметр М и определяют значения волновых сопротивлений и . По этим сопротивлениям рассчитывают необходимые размеры полосковых проводников в поперечном сечении ответвителя и определяют требуемый зазор между ними. На этой стадии расчета приходится обращаться или к справочным материалам по волновым сопротивлениям и связанных линий передачи, или использовать специальные программы для ЭВМ, составленные применительно к выбранной геометрии поперечного сечения связанных линий передачи. Наиболее трудной является реализация направленных ответвителей с сильной связью (М>0,3), так как в этом случае обычно требуется чрезвычайно малый зазор между проводниками (см. рис. 3.12) и возникают технологические трудности при обеспечении его стабильности в процессе производства. При создании направленных ответвителей на связанных несимметричных микрополосковых линиях передачи возникает еще одна трудность, связанная с некоторым различием коэффициентов фазы и для волн симметричного и антисимметричного возбуждения в пределах участка связи. Необходимое выравнивание этих скоростей может быть достигнуто нанесением дополнительного диэлектрического слоя на связанные проводники или добавлением компенсирующих реактивных элементов по концам участка связи.