Распределение потоков в НО

В технике СВЧ направленным ответвителем (НО) называется восьмиполюсник (четырехпортовое устройство) (рис. 15.1.1), основное свойство которого таково: при подаче мощности в порт 1 она (в идеале) не поступает в порт 3 и делится в определенном отношении между портами 2, 4; если же мощность поступает в порт 2, она (в идеале) не поступает в порт 4 и делится в определенном отношении между портами 1, 3. Это свойство, с обеими его частями, можно назвать свойством направленного ответвления, что и дает название НО рассматриваемому устройству. Коэффициент деления мощности между выходными плечами зависит от конструкции ответвителя. Свойство направленности имеет место в собственно НО, а также в определенным образом сконструированных сверхвысокочастотных мостах Уитстона (МУ), которые мы рассмотрим отдельно. Далее слово «собственно» опускаем.

Как правило, НО строятся на основе двух близко расположенных и определенным образом связанных отрезков линий передачи, волноводных, коаксиальных или полосковых. Иногда для удобства изложения одну из этих линий называют первой (основной), другую – второй (дополнительной). Тогда свойство направленного ответвления (в идеале) можно представить так, что при передаче СВЧ-мощности по основной линии в одном направлении часть мощности ответвляется в один из портов дополнительной линии, а при передаче по основной линии в другом направлении часть мощности ответвляется в другой порт дополнительной линии.

Названия портов

Примем нумерацию портов как на рис. 15.1.1 (возможны и другие порядки нумерации). Пусть мощность от генератора подается на порт 1 (этот порт можно назватьвходным). Мощность , прошедшая по основной линии в порт 2, меньше , так как часть мощности ответвилась в порт 3 (поэтому порт 2 можно назвать проходным, а порт 3 – ответвительным) (на самом деле, часть мощности еще ответвляется в порт 4 за счет паразитной протечки (см. далее); вследствие ее малости в энергетическом балансе ее можно не учитывать (но не в других отношениях!)). В идеале на порт 4 ответвится нулевая мощность , как и показано на рисунке (порт 4 можно назвать запрещенным). В действительности же некоторая мощность ответвится и в порт 4, что, как мы увидим в дальнейшем, снижает эффективность использования НО как направленного устройства.

Если же мощность от генератора подается на порт 2 (в этом случае порт 2 – входной), то часть мощности (такая же как в предыдущем случае) ответвляется в порт 4 (этот порт является ответвительным в данном случае), часть мощности ответвляется за счет протечки в порт 3 (этот порт в данном случае является запрещенным), остальная мощность поступает в порт 1 (в данном случае – проходной). Как видим, во втором случае порт 1 поменялся местами с портом 2, мощность – с мощностью , порт 3 поменялся местами с портом 4, мощность – с мощностью , ответвленные части одинаковы, протечки одинаковы. Так проявляется взаимность НО как электродинамической системы.

С топологической точки зрения различают две конструкции НО. Первый вид, называемый сонаправленным НО, устроен так, что ответвленная волна во вторичной линии проходит в том же направлении, что и возбуждающая волна в первичной линии. Во втором виде, называемом противонаправленным НО, ответвленная волна проходит в направлении, обратном возбуждающей волне.

Консольный порт

Часто один из портов дополнительной линии не используется ни для ввода мощности, ни для вывода ее, а поэтому, в соответствии с общими принципами технической электродинамики СВЧ, оформляется как консоль, нагруженная на согласованную нагрузку (имеется в виду согласование с волновым сопротивлением дополнительной линии, если вследствие каких-то конструктивных соображений оно отличается от волнового сопротивления основной линии), и может быть изготовлен как неразъемный. В зависимости от ориентации НО и направления переноса излучения в основной линии, консольный порт может быть ответвительным или запрещенным. Иногда НО с консольным портом считается трехпортовым НО.

Параметры НО

Рассмотрим основные параметры реального НО, характеризующие эффективность его использования как устройства с направленными свойствами и степень его согласованности с подводящей линией. Основные параметры НО без потерь:

· Первая группа. При входном порте 1 коэффициент связи по напряжению , коэффициент связи по мощности , или то же в логарифмической мере, переходное ослабление . При входном порте 2 коэффициент связи по напряжению , коэффициент связи по мощности , или то же в логарифмической мере, переходное ослабление .

· Вторая группа. При входном порте 1 коэффициент направленности по напряжению , коэффициент направленности по мощности , или то же в логарифмической мере, направленность . При входном порте 2 коэффициент направленности по напряжению , коэффициент направленности по мощности , или то же в логарифмической мере, направленность .

· Третья группа. При входном порте 1 коэффициент развязки (просачивания) по напряжению , коэффициент развязки (просачивания) по мощности , или то же самое в логарифмической мере, развязка (просачивание) . При входном порте 2 коэффициент развязки (просачивания) по напряжению , коэффициент развязки (просачивания) по мощности , или то же самое в логарифмической мере, развязка (просачивание) .

· Четвертая группа. Коэффициент отражения (комплексный) по порту , модуль коэффициента отражения по порту , или то же в логарифмической мере, возвратные потери ; эквивалентная по информации и по значению (но не по точности и не по смыслу) характеристика – коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) ; он взаимно-однозначно связан с модулем коэффициента отражения:

, .

(15.3.1)

· Пятая группа. Допустимый диапазон рабочих частот , в пределах которого выполняются заданные требования к показателям всех групп.

· Иногда в число параметров НО включают частотную чувствительность ответвления: (шестая группа) Относительное изменение коэффициента связи по напряжению в заданном частотном диапазоне ( )

,

относительное изменение коэффициента связи по мощности , изменение переходного ослабления

.

Величины и однозначно связанные с ними величины показывают, какая часть входного потока ответвляется в ответвительный порт, оставшаяся часть мощности распространяется дальше. Минус в выражении для переходного ослабления поставлен для удобства (теперь величина положительна и уменьшение ответвляемой доли соответствует увеличению переходного ослабления). Поскольку ответвляемая доля влияет на энергетический баланс потоков в НО, в зависимости от применения НО желательна большая или меньшая ее величина. В определенной мере это зависит от конструкции НО.

Как указывалось выше, в идеальном НО ответвление в запрещенный порт отсутствует, при этом направленность бесконечна: ; однако такой НО создать невозможно и реальный НО имеет ограниченную, конечную направленность. Этот факт имеет фундаментальное значение для применений НО, в особенности, в измерительных системах. Подробный анализ влияния конечности направленности (но не самой направленности, как часто пишут) на ошибки измерений будет дан в дальнейшем, но качественное объяснение этого влияния можно дать уже сейчас: волна, просочившаяся в запрещенный порт дополнительной линии при одном направлении распространения волны в основной линии, складывается с волной, ответвляемой в этот порт при обратном распространении волны в основной линии, и служит источником ошибки измерения мощности ответвляемой волны. Чем меньше направленность, тем больше соответствующая ошибка, поэтому в интересах повышения точности измерения мы заинтересованы в увеличении направленности. Достигаемая направленность зависит от конструкции НО, частоты излучения, тщательности исполнения конструкции, рабочей полосы частот. Последняя зависимость носит брутальный характер: если в узкополосном применении СВЧ НО достигают направленности порядка 20-40 дБ, то с расширением рабочего диапазона частот излучения минимальная направленность в диапазоне неуклонно падает и при сверхширокой полосе может стать неприемлемо малой. Это особенно фатально при необходимости панорамно-частотных измерений в сверхширокой полосе.

Параметры третьей группы – коэффициенты развязки (просачивания) по напряжению и по мощности , развязка (просачивание) – не являются математически независимыми от показателей первой и второй групп и введены для удобства. Действительно, как нетрудно видеть,

, , .

(15.3.2)

Другая причина введения показателей третьей группы – необходимость оценки уровня протечки в запрещенный порт вне зависимости от уровня ответвления в ответвительный порт.

Параметры четвертой группы – коэффициент отражения, его модуль, возвратные потери, КСВН – как известно, характеризуют степень согласования НО с подводящими линиями. Идеальный НО – полностью согласованное устройство, в реальности этого достичь невозможно. Если бы свойство симметрии эквивалентной схемы, присущее идеальному НО (см. ниже), сохранялось и в реальном НО, то соответствующие параметры четвертой группы были равны. Однако, и это, вообще говоря, не обязательно выполняется. Индекс показывает номер порта, согласование с которым характеризует параметр.

Не только параметры второй группы, но и параметры третьей и четвертой групп неуклонно «ухудшаются» с расширением рабочего диапазона частот НО (в смысле «наихудшего» значения параметра в полосе); это обстоятельство учитывается параметром пятой группы – допустимым диапазоном рабочих частот.

Идеальный НО

Идеальный НО без потерь избавлен от диссипативных потерь при распространении волн внутри него, полностью согласован с подводящими линиями, является взаимным симметричным относительно двух плоскостей восьмиполюсным (четырехпортовым) устройством, обладает бесконечной направленностью (нулевой протечкой в запрещенный порт).

Вследствие указанных свойств идеального НО элементы его матрицы рассеяния подчиняются соотношениям:

, ,

, .

Соответственно, с учетом симметрии матрица рассеяния идеального НО имеет вид:

(15.4.1)

Аргументы отличных от нуля элементов этой матрицы зависят от конструкции НО и положений плоскостей отсчета в его плечах. Специальным выбором плоскостей отсчета можно сделать , т. е. все элементы действительными.

Применения НО

Наиболее частые применения НО [15.1] можно разделить на две группы. К первой группе относятся те применения, в которых используется высокая развязка по высокой частоте между каналом главной линии НО и цепью, на которую поступает ответвленная мощность. В этих применениях направленность НО не является определяющим параметром, хотя ее величина связана с количественной мерой указанной развязки. Примерами применений этой группы является мониторинг мощности и (или) частоты генератора СВЧ, выравнивание мощности генератора при сканировании частоты или стабилизация мощности синтезатора частот при их переключении, построение матриц Батлера для фазированных антенных решеток [15.1.], сложение выходных мощностей транзисторных усилителей в широком диапазоне частот [15.1], индикация мощности в фидерных трактах СВЧ радиолокаторов [15.1]. При выравнивании мощности генератора и стабилизации мощности синтезатора частот ответвленная часть мощности генератора или синтезатора подается в цепь отрицательной обратной связи, в которой детектируется, фильтруется и вырабатывает сигнал ошибки, подающийся в цепь управления генератором (синтезатором). Кроме того, НО на связанных ЛП применяются [15.2] в смесителях, переключателях, модуляторах, фазовращателях, балансных усилителях.

Ко второй группе относятся те применения, в которых эксплуатируется способность НО физически разделять падающий и отраженный потоки, которые затем отдельно обрабатываются. В этих применениях особенно нуждаются измерительные приборы и системы, в частности, анализаторы цепей. Заметим, кстати, что в современных анализаторах цепей НО используются и для стабилизации мощности синтезаторов, и для разделения падающих и отраженных потоков. В применениях второй группы первостепенное значение имеет направленность НО, в особенности в частотно-панорамных измерительных системах, поскольку дефицит направленности является источником существенной ошибки измерения отраженного потока.

Исторические конструкции НО

Замечательные свойства идеального НО еще в начале развития техники СВЧ вызвали энтузиазм по поводу возможностей его применения. Однако, создание НО, близких по своим свойствам к идеальным, оказалось трудной задачей, прежде всего в отношении получения высокой направленности и широкополосности. Это вызвало огромный поток разработок и изобретений в области принципов создания и конструкций НО, не прекращающийся до сего времени, и, разумеется, им посвящена огромная литература, в частности, [15.1–15.37]. Тем не менее, и сейчас подбор удовлетворительного НО для конкретного применения в измерительной технике СВЧ непрост. Рассмотрим некоторые конструкции НО с целью уяснения возможностей преодоления названных трудностей.

Простейшая и исторически едва ли не первая конструкция НО представляет собой два прямоугольных волновода с общей узкой стенкой, в которой проделаны два небольших отверстия на расстоянии друг от друга, где – расчетная длина распространяющейся волны (рис. 15.7.1) [15.1– 15.4, 15.7– 15.9]. Пусть по основному волноводу из плеча 1 в плечо 2 распространяется волна . Это волна через каждое отверстие в узкой стенке создает в дополнительном волноводе по две волны , одна из которых направляется в плечо 3, а другая – в плечо 4 (рис. 15.7.2). В плече 3 поступающие волны складываются противофазно, т. к. одна отстает от другой на , и в идеале гасят друг друга. В плече 4 поступающие волны складываются синфазно, т. к. проходят одинаковые пути. В результате ответвленная часть мощности на длине волны поступает в плечо 4, неответвленная – в плечо 2, в плечо 3 мощность не поступает. Если же на расчетной частоте волна поступает из плеча 2 в плечо 1, то ответвленная мощность поступает в плечо 3 и (в идеале) не поступает в плечо 4. Переходное ослабление этого НО зависит от размеров и формы отверстий. Такой НО имеет узкий рабочий диапазон частот, т. к. при отклонении частоты от расчетной, соответствующей расстоянию между центрами отверстий в , полной компенсации волн в запрещенном плече не происходит и направленность НО ухудшается.