Портовое представление цепей

Радиосистемы СВЧ-диапазона (а также более высокочастотные) обычно можно представить в виде некоторых устройств, соединенных линиями передачи. Часть такой системы, расположенную между начальным и оконечным устройствами (например, между антенной и радиопередающим или радиоприемным устройством, называют трактом СВЧ (иногда цепью СВЧ). Подобный тракт осуществляет передачу электромагнитной энергии от передатчика к антенне, или от антенны к приемнику, или от генератора сигналов специальной формы ко входу некоторого устройства и т.п. Тракт СВЧ может, например, обеспечивать требуемый режим работы выходных и входных цепей передатчика или приемника, выполнять частотное и поляризационное разделение и объединение передаваемых сигналов и ряд других функций. Отдельные части тракта также могут называться цепями СВЧ. Наиболее распространенными элементами СВЧ-цепей являются отрезки линий передачи, переходные и стыковочные узлы между линиями различных типов, согласующие и настроечные элементы, сумматоры, делители и ответвители мощности, поляризационные устройства, фильтры, фазовращатели, коммутаторы и переключатели, невзаимные устройства с намагниченными ферритами и др.

Процессы передачи электромагнитных сигналов в цепях СВЧ и в образующих их элементах весьма сложны. Можно было бы попытаться проанализировать эти процессы на основе соответствующих краевых задач электродинамики. Однако строгая постановка и решение таких задач возможны только для очень упрощенных форм и конструкций, почти всегда выходящих за рамки реальных. А для применяемых на практике цепей СВЧ из-за их конфигурационной сложности решение краевых задач в строгой постановке в настоящее время практически невозможно.

Некоторую помощь в решении проблемы передачи электромагнитных сигналов в сколь-нибудь сложных цепях СВЧ оказывает всегда применяемый на практике метод декомпозиции (разбиения). Он состоит в том, что тракт СВЧ или цепь СВЧ разбивается на ряд элементов, которые анализируются независимо, но теперь также нужно адекватно учесть взаимодействия между элементами через распространяющиеся между ними волны. При этом каждый такой элемент рассматривается как независимая электродинамическая система.

Постановка и решение краевых электродинамических задач, соответствующих отдельным элементам, существенно проще, чем для всего устройства в целом. Используя или решение электродинамической задачи или результаты экспериментального исследования, если подобное решение получить не удается, для каждого выделенного элемента строят такое описание, которое позволяет находить влияние этого элемента на передаваемые электромагнитные сигналы. Обычно описание элементов цепи представляют либо формально-математически с помощью матриц специального вида (матрицы рассеяния, или матрицы передачи и т.п.), либо в виде эквивалентной схемы, состоящей из отрезков эквивалентной линии передачи, в которую тем или иным способом включены сосредоточенные элементы и трансформаторы. Имея подобные универсальные описания всех элементов тракта или цепи СВЧ, можно определить все требуемые характеристики тракта или цепи.

Обычно при построении математической модели тракта или цепи СВЧ для упрощения анализа отрезки линий передачи, соединяющие входящие в этот тракт устройства заменяют отрезками эквивалентной линии, а устройства рассматриваются как некоторые многополюсники.

Сделаем одно терминологическое замечание. Понятия полюсов, клемм и т.п., так хорошо подходившие к концепции «черного ящика» на достаточно низких частотах, где цепи строятся на сосредоточенных элементах, а соединения производятся с помощью проводов, становятся неудобными в диапазоне СВЧ, где по крайней мере линии передачи суть распределенные элементы, а соединения отрезков этих линий производятся с помощью коаксиальных разъемов, фланцевых соединений волноводов и т.п. В этом диапазоне больше подходит понятие порта, которым и пользуются во всей научно-технической радиоэлектронной литературе, кроме русскоязычной. С точки зрения формально-математического описания порт полностью эквивалентен паре полюсов или клемм, но физическая интерпретация этого понятия более прозрачна. В этой работе мы будем пользоваться именно этим понятием.