Классификация направленных полосковых ответвителей и их особенности.

1. По виду связи между основным и дополнительным каналом полосковые направленные ответвители делятся на три типа: а) с распределенной электромагнитной связью; б) со связью шлейфного тина; в) с емкостной связью.
2. По степени связи полосковые направленные ответвители делятся на два типа: а) с сильной связью (связь меньше 10 дБ); б) со слабой связью (связь больше 10 дБ).
3. В зависимости от типа используемых полосковых волноводов направленные ответвители бывают симметричные и несимметричные.
4. По виду диэлектрика, используемого в полосковом волноводе, различают направленные ответвители с воздушным и твердым заполнителем, а также микрополосковые направленные ответвители, изготовленные на основе методов СВЧ печати с большим значением относительной диэлектрической проницаемости подложки.

Полосковые направленные ответвители с распределенной электромагнитной связью (рис. 2) представляют собой параллельно расположенные и электромагнитно связанные полосковые волноводы с волной типа ТЕМ. Ответвленная в дополнительный полосковый волновод мощность распространяется в направлении, обратном направлению распространения ее в основном волноводе. Такие ответвители носят название “противонаправленных”. В зависимости от электрической длины участка связи направленные ответвители могут быть однозвенными (одноступенчатыми) (рис. 2,а) и многозвенными (многоступенчатыми) (рис. 2,б).

Рисунок 2. Однозвенный направленный ответвитель с электромагнитной связью (а) и многозвенный (б)

Многозвенные ответвители позволяют увеличить связь и широкополосность системы. Например, трехзвенные ответвители на симметричных полосковых волноводах с переходным ослаблением на средней частоте С13=3 дБ обеспечивают коэффициент перекрытия kf=f1/f2 при отклонении связи от среднего значения на D С13=± 0,4 дБ и kf=3 при С13=± 0,1 дБ.

Однозвенные ответвители обеспечивают коэффициент перекрытия kf» 2 при С13=3 дБ и D С13=± 0,3 дБ. Причем частотная характеристика переходного ослабления однозвенного ответвителя имеет форму косинусоиды, в то время как характеристика многозвенных ответвителей может быть сделана максимально плоской или чебышевской (с равным отклонением от среднего значения). С ростом переходного ослабления при фиксированных значениях D С13 рабочая полоса ответвителя сужается. Величина направленности теоретически идеальна (бесконечна) в неограниченной полосе частот. Напряжения в выходных плечах 2 и 4 направленного ответвителя не зависят от частоты и имеют постоянный фазовый сдвиг, равный л/2.

Наибольшее распространение среди направленных ответвителей со слабой электромагнитной связью получили ответвители с боковой связью (рис. 3,а). Они чаще всего выполняются на основе СВЧ методов печати, как на симметричных, так и на несимметричных полосковых волноводах. Среди разновидностей направленных ответвителей со слабой связью следует отметить ответвители с диафрагмой между параллельно расположенными полосковыми волноводами (рис. 3.б, в). Величина связи такой конфигурации может регулироваться путем изменения величины зазора в диафрагме.

Рисунок 3 Поперечное сечение полосковых направленных ответвителей со слабой электромагнитной связью:
а - с боковой связью на симметричном полосковом волноводе;
б - со связью через диафрагму на симметричном полосковом волноводе;
в - со связью через диафрагму на несимметричном полосковом волноводе с твердым диэлектриком.

К направленным ответвителям с сильной связью (малым переходным ослаблением) следует отнести ответвители с так называемой лицевой связью или со связью по широким сторонам полосковых волноводов. При этом связанные полосковые волноводы располагаются либо параллельно, либо перпендикулярно заземленным пластинам. Поскольку каждой полосковый волновод расположен несимметрично относительно внешних заземленных пластин, то в подобных направленных ответвителях возможно возникновение различных видов колебаний.

Однако путем полной экранировки ответвителя либо введением дополнительной уравновешивающей полоски паразитные виды колебаний можно исключить практически полностью.

Следует заметить, что направленные ответвители с сильной связью можно создать также при использовании боковой связи между полосковыми волноводами (рис. 3,а). При этом толщина полосковых волноводов должна быть выбрана такой, чтобы зазор между ними при заданной величине связи был технологически выполнимым.

Рисунок 5. Схема n-шлейфного направленного ответвителя

Ответвители шлейфового типа состоят из двух параллельных передающих полосковых волноводов, связанных рядом параллельных шлейфов (рис. 5). Длина шлейфов и расстояние между ними равны одной четверти длинны волны (или нечетному числу четвертей волн) в полосковом волноводе на средней частоте. Ответвленная мощность в дополнительный канал распространяется в нем в том же направлении, как и в основном полосковом волноводе. Наименьшее число шлейфов, при котором происходит направленное ответвление мощности, равно двум. В зависимости от числа шлейфов этот тип направленных ответвителей подразделяется на двух-, трех- и, в общем случае, n-шлейфные ответвители. С ростом числа шлейфов их частотные характеристики улучшаются. Фазовый сдвиг напряжений на выходных плечах 2 и 3 ответвителя составляет 90°.

Шлейфные направленные ответвители применяются, как правило, для получения сильной связи при использовании как симметричных, так и несимметричных полосковых волноводов, поскольку обеспечение слабой связи сопряжено с конструктивными и технологическими трудностями выполнения весьма малого поперечного сечения шлейфов.

Направленные ответвители с емкостной связью предназначены для симметричных полосковых волноводов на частотах ниже 4 ГГц (рис. 6.а). Нежелательная индуктивная связь выводов отрезков полосковых волноводов ослабляется из-за перпендикулярного расположения полосковых волноводов в местах их связи, где они отделены друг от друга диэлектриком. Расстояние между участками связи равно четверти длины волны в полосковом волноводе. С увеличением числа последовательно включенных ответвителей (рис. 6,б) направленность возрастает. Связь в таких направленных ответвителях выбирается достаточно сильной, поскольку ограничивающим фактором выбора более слабой связи является пропорциональное уменьшение направленности.

Рисунок 6. Схемы односекционного (а)
и двухсекционного (б) ответвителей с емкостной связью.