Введение
Радиотехнические устройства Разделители мощности (также разделители мощности и, при использовании в обратном направлении, комбинирующие мощности) и направленные соединители являются пассивными устройствами, используемыми в основном в области радиотехнологии. Они соединяют определенное количество электромагнитной мощности в линии передачи с портом, позволяющим использовать сигнал в другой цепи. Важной особенностью направленных соединителей является то, что они соединяют только мощность, протекающую в одном направлении. Сила, поступающая в выходный порт, соединяется с изолированным портом, но не со связанным портом. Направленный соединитель, предназначенный для равномерного распределения мощности между двумя портами, называется гибридным соединителем. Направленные соединители чаще всего построены из двух соединенных линий передачи, установленных достаточно близко друг к другу, чтобы энергия, проходящая через одну, была соединена с другой. Эта техника предпочтительна на микроволновых частотах, где конструкции линий передачи обычно используются для реализации многих элементов схемы. Однако устройства с объединенными компонентами также возможны на более низких частотах, таких как частоты звука, встречающиеся в телефонной связи. Также на микроволновых частотах, особенно на более высоких диапазонах, можно использовать конструкции волноводов. Многие из этих волноводов соответствуют одному из конструкций проводящих линий передачи, но есть также типы, которые уникальны для волноводов. У направленных сцеплений и разделителей мощности много применений. К ним относятся предоставление образца сигнала для измерения или мониторинга, обратная связь, объединение питания к и от антенн, формирование пучка антенн, предоставление кранов для кабельных распределенных систем, таких как кабельное телевидение, и разделение передаваемых и принимаемых сигналов на телефонных линиях.
Power dividers (also power splitters and, when used in reverse, power combiners) and directional couplers are passive devices used mostly in the field of radio technology. They couple a defined amount of the electromagnetic power in a transmission line to a port enabling the signal to be used in another circuit. An essential feature of directional couplers is that they only couple power flowing in one direction. Power entering the output port is coupled to the isolated port but not to the coupled port. A directional coupler designed to split power equally between two ports is called a hybrid coupler. Directional couplers are most frequently constructed from two coupled transmission lines set close enough together such that energy passing through one is coupled to the other. This technique is favoured at the microwave frequencies where transmission line designs are commonly used to implement many circuit elements. However, lumped component devices are also possible at lower frequencies, such as the audio frequencies encountered in telephony. Also at microwave frequencies, particularly the higher bands, waveguide designs can be used. Many of these waveguide couplers correspond to one of the conducting transmission line designs, but there are also types that are unique to waveguide. Directional couplers and power dividers have many applications. These include providing a signal sample for measurement or monitoring, feedback, combining feeds to and from antennas, antenna beam forming, providing taps for cable distributed systems such as cable TV, and separating transmitted and received signals on telephone lines.
Амплитудная баланс
Эта терминология определяет разницу мощности в дБ между двумя выходными портами гибрида 3 дБ. В идеальной гибридной цепи разница должна быть 0 дБ. Однако в практическом устройстве баланс амплитуды зависит от частоты и отклоняется от идеальной разницы 0 дБ.
Фазовый баланс
Различие фаз между двумя выходной портами гибридной сцепки должно быть 0°, 90° или 180° в зависимости от используемого типа. Однако, как и амплитудная баланс, фазовая разница чувствительна к входной частоте и обычно будет варьироваться на несколько градусов.
Соединенные линии передачи
Наиболее распространенной формой направленного сцепления является пара соединенных линий передачи. Они могут быть реализованы в ряде технологий, включая коаксиальные и плоскостные технологии (полосатые и микрополосатые). На рисунке 4 показана реализация направленного сцепления четвертой длины волны (λ/4). Мощность на соединенной линии течет в противоположном направлении к мощности на основной линии, поэтому расположение портов не то же самое, что показано на рисунке 1, но нумерация остается прежней. По этой причине его иногда называют обратным сцеплением. Главная линия - это участок между портами 1 и 2, а соединенная линия - это участок между портами 3 и 4. Поскольку направленный сцепляющий элемент является линейным устройством, обозначения на рисунке 1 являются произвольными. Любой порт может быть входным (пример показан на рисунке 20), в результате чего напрямую подключенный порт будет передаваемым портом, прилегающий порт будет соединенным портом, а диагональный порт будет изолированным портом. На некоторых направленных соединителях основная линия предназначена для работы с высокой мощностью (большие разъемы), в то время как соединенный порт может использовать небольшой разъем, такой как разъем SMA. Внутренняя мощность нагрузки может также ограничивать работу на соединенной линии. Точность соединительного фактора зависит от допусков размеров для расстояния между двумя соединенными линиями. Для технологий плоской печати это сводится к разрешению процесса печати, которое определяет минимальную ширину колеи, которая может быть произведена, а также устанавливает ограничение на то, насколько близко линии могут быть помещены друг к другу. Это становится проблемой, когда требуется очень плотное сцепление, а сцепления 3 дБ часто используют другую конструкцию. Однако, плотно связанные линии могут быть произведены в воздушной полосе, что также позволяет производить по технологии плоскости печати. В этой конструкции две линии напечатаны на противоположных сторонах диэлектрика, а не бок о бок. Соединение двух линий по их ширине намного больше, чем соединение, когда они находятся на краю друг друга. Конструкция λ/4-соединенной линии хороша для коаксиальных и полосовых реализаций, но не работает так хорошо в популярном микрополосочном формате, хотя конструкции существуют. Причина этого в том, что микрополоска не является однородной средой. Над и под лентой передачи есть две разные среды. Это приводит к передаче в режимах, отличных от обычного режима TEM, который можно найти в проводящих схемах. Скорости распространения четного и нечетного режимов отличаются, что приводит к дисперсии сигнала. Лучшим решением для микрополоски является соединенная линия, намного короче λ/4, показанная на рисунке 5, но это имеет недостаток коэффициента соединения, который заметно возрастает с частотой. Изменение этой конструкции, с которым иногда сталкиваются, имеет более высокую импедансную линию, чем основная линия, как показано на рисунке 6. Эта конструкция является выгодной, когда сцепление подается в детектор для мониторинга мощности. Высокая импиденция линии приводит к повышению RF напряжения для данного источника питания магистральной линии, что облегчает работу детекторного диода. Частотность, указанная производителями, соответствует частоте соединенной линии. Ответ основной линии намного шире: например, сцепление, указанное как 2 4 [[герц, может иметь основную линию, которая может работать на 1 5 ГГц. Соединенный ответ периодичен с частотой. Например, соединенный с λ/4 линейный сцепляющий элемент будет иметь ответ на nλ/4, где n - нечетное целое число. Одиночная λ/4 секция хороша для полос меньше октавы. Для достижения большей полосы пропускания используются множественные секции соединения λ/4. Конструкция таких соединителей выполняется практически так же, как и конструкция фильтров с распределенными элементами. Секции соединителя рассматриваются как секции фильтра, и путем регулирования коэффициента соединения каждой секции соединенный порт может быть сделан так, чтобы иметь любой из классических откликов фильтра, таких как максимально плоский (фильтр Баттерворта), равный волнообразный (фильтр Кауэра) или определенный волнообразный (фильтр Чебычева) ответ. Ripple - максимальное изменение выхода соединенного порта в его пропускной полосе, обычно выражаемое как плюс или минус значение в дБ от номинального коэ�...
Крепление на линии разветвления
Крепление разветвленной линии состоит из двух параллельных линий передачи, физически соединенных между собой двумя или более разветвленными линиями. Линии разветвления расположены в интервале λ/4 друг от друга и представляют собой секции многосекционной конструкции фильтра таким же образом, как и множественные секции соединенного линейного соединителя, за исключением того, что здесь соединение каждой секции контролируется импедансом линий разветвления. Главная и соединенная линия имеют импеданс системы. Чем больше секций в сцеплении, тем выше соотношение импедансов ветвящих линий. Линии с высоким импиденциальностью имеют узкие колеи, и это обычно ограничивает конструкцию тремя секциями в плоских форматах из-за ограничений производства. Аналогичное ограничение применяется для коэффициентов сцепления, менее свободных, чем 10 дБ; низкая сцепление также требует узких путей. При необходимости свободной связи лучше использовать соединенные линии, но соединители разветвленных линий хороши для плотной связи и могут использоваться для гибридов с частотой 3 дБ. У соединителей разветвленных линий обычно нет такой широкой полосы пропускания, как у соединенных линий. Этот тип сцепления подходит для реализации в высокомощных, воздушных диэлектрических, твердых форматах стержней, поскольку жесткая структура легко поддерживается механически. Соединители разветвленных линий могут использоваться в качестве перекрестных линий в качестве альтернативы воздушным мостам, которые в некоторых приложениях вызывают неприемлемое количество соединений между пересекающимися линиями. Идеальный перекресток линии ветвей теоретически не имеет никакой сцепления между двумя путями через него. Конструкция представляет собой 3-разветвленный сцепление, эквивалентное двум 90 ° гибридным сцеплениям, соединенным в каскаде. Результат - эффективный 0-децибельный сцепляющий элемент. Она будет пересекать входы к диагонально противоположным выходам с задержкой фазы 90° в обеих линиях.
Длинноствольная сцепка
Конструкция соединителя Ланге аналогична межцифровому фильтру с параллельными линиями, переплетенными для достижения соединения. Он используется для крепких сцеплений в диапазоне от 3 до 6 дБ.
Разделители мощности
Самые ранние разделители мощности линии передачи были простыми Т-разъединениями. Они страдают от очень плохой изоляции между выходной портов большая часть мощности, отражаемой обратно из порта 2, находит свой путь в порт 3. Можно показать, что теоретически невозможно одновременно сопоставить все три порта пассивного, без потерь трех портов, и неизбежна плохая изоляция. Однако это возможно с четырьмя портами, и это основная причина, по которой четыре устройства портов используются для реализации трех разделителей мощности портов: четыре устройства портов могут быть спроектированы таким образом, чтобы мощность, поступающая в порт 2, была разделена между портом 1 и портом 4 (который заканчивается соответствующей нагрузкой), и ни один (в идеальном случае) не идет в порт 3. Термин гибридный сцепление первоначально применялся к 3 децибел # Электроника соединенные линии направленные сцепления, то есть направленные сцепления, в которых два выхода каждый половина входной мощности. Это означало, что квадратура 3 дБ с выходом 90° из фазы. Теперь любой совпадающий 4-порт с изолированными руками и равным разделением мощности называется гибридным или гибридным сцеплением. Другие типы могут иметь разные фазовые отношения. Если 90°, то это 90° гибрид, если 180°, то 180° гибрид и так далее. В данной статье под гибридным сцеплением без квалификации понимается сцепленный линейный гибрид.
Дивидетор мощности Wilkinson
Дивидетор мощности Wilkinson состоит из двух параллельных не связанных линий передачи λ/4. Входные силы подаются на обе линии параллельно, а выходы заканчиваются с двойным импедансом системы, соединенным между ними. Конструкция может быть реализована в плоском формате, но она имеет более естественную реализацию в коаксиальном в плоском, две линии должны быть разделены, чтобы они не соединялись, но должны быть объединены на их выходах, чтобы их можно было закончить, тогда как в коаксиальном линии могут работать бок о бок, полагаясь на внешние проводники коаксиального для скрининга. Дивидатор мощности Уилкинсона решает проблему сопоставления простых Т-соединений: он имеет низкий VSWR во всех портах и высокую изоляцию между выходной портами. Входные и выходные импедансы в каждом порту должны быть равны характеристическому импедансу микроволновой системы. Это достигается путем создания линейного импиденса системного импиденса для системы 50 Ω, линии Уилкинсона составляют примерно 70 Ω
Гибридная сцепка
Выше описаны сцепленные линейные направленные сцепления. Если прицеп рассчитан на 3 дБ, он называется гибридным. Матрица S для идеального, симметричного гибридного сцепления сводится к: два выходной порта имеют разницу фаз 90° (i до −1) и поэтому это гибрид 90°.
The two output ports have a 90° phase difference ( i to −1) and so this is a 90° hybrid.
Разделители многократного выхода
Типичный делитель мощности показан на рисунке 13. В идеале, входная мощность должна быть равномерно распределена между выходной портами. Разделители состоят из нескольких соединителей и, как соединители, могут быть перевернуты и использоваться в качестве мультиплексеров. Недостатком является то, что для четырехканального мультиплексора выходной составляет только 1/4 мощности каждого из них, и является относительно неэффективным. Причина этого в том, что в каждом комбайнере половина входного питания направляется в порт 4 и рассеивается в загрузке терминации. Если два входа были бы согласованными, фазы могли бы быть расположены так, чтобы отмена происходила в порту 4, а затем вся мощность пошла бы в порт 1. Однако входные данные мультиплексоров обычно поступают из совершенно независимых источников и поэтому не являются последовательными. Беспотери мультиплексирования могут быть выполнены только с помощью сетей фильтров.
Клетка для волноводов
Описанный выше сцепление ветвиной линии может также быть реализован в волноводе.
Указанная в пункте 6.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.
Одним из самых распространенных и простых направленных соединителей волноводов является направленный соединитель с отверстием Бета. Он состоит из двух параллельных волноводов, один наложенный на другой, с отверстием между ними. Часть энергии от одного проводника проходит через отверстие в другой. Бете-отверстие - еще один пример обратного соединения. Концепция соединителя с отверстием Бета может быть расширена путем предоставления нескольких отверстий. Отверстия расположены в расстоянии λ/4. Конструкция таких соединителей имеет параллели с многосекционными соединенными линиями передачи. Использование нескольких отверстий позволяет расширить пропускную способность, проектируя секции как Бэттерворт, Чебишев или какой-либо другой класс фильтров. Размер отверстия выбирается для получения желаемой соединения для каждого участка фильтра. Критерии проектирования заключаются в достижении в значительной степени плоской сцепления вместе с высокой направляемостью в желаемой полосе.
Крепление с коротким слотом
Короткоремезный сцепляющий узел Риблета состоит из двух волноводов, расположенных бок о бок, с общим боковым стеной вместо длинной стороны, как в сцепляющем устройстве с отверстием Бета. В боковой стенке вырезают отверстие для соединения. Эта конструкция часто используется для производства 3 дБ сцепления.
Schwinger обратной фазы сцепления
Переключатель фаз Schwinger - это еще одна конструкция, использующая параллельные волноводы, на этот раз длинная сторона одной из них является общей с короткой боковой стеной другой. Между волноводами вырезаются два отсека, расположенных в интервале λ/4. Швингер - это обратная связка. Эта конструкция имеет преимущество в значительно плоской реакции направленности и недостаток сильно зависимой от частоты сцепления по сравнению с сцеплением с отверстием Бета, которое имеет небольшое изменение коэффициента сцепления.
Крепление с перекрестным направлением Moreno
У соединителя с перекрестным направлением Морено есть два волновода, расположенные один на другом, как у соединителя с отверстием Бета, но под прямым углом друг к другу, а не параллельно. Два отверстия, обычно в форме креста, прорезаны по диагонали между волноводами на расстоянии друг от друга. Клетка Moreno хороша для применения в узких сцеплениях. Это компромисс между свойствами отверстия Бета и швингерских сцеплений, причем как сцепление, так и направленность варьируются с частотой.
Гибридное кольцо волновода
Гибридное кольцо, обсуждаемое выше, также может быть реализовано в волноводе.
Магический футбол
Сплошное разделение мощности впервые было достигнуто с помощью простых Tee-соединений. На микроволновых частотах волноводы имеют две возможные формы: плоскость E и плоскость H. Эти два стыка распределяют мощность поровну, но из-за различных конфигураций поля на стыке электрические поля на выходной ручке находятся в фазе для плоскости H и находятся на 180° вне фазы для плоскости E. Сочетание этих двух чашек для формирования гибридного чашечка известно как магический чашечек. Магический столб - это четыре порта, которые могут выполнять векторную сумму (Σ) и разницу (Δ) двух когерентных микроволновых сигналов.
Гибридный трансформатор
Стандартный гибридный трансформатор с частотой 3 дБ показан на рисунке 16. Мощность в порту 1 распределяется поровну между портами 2 и 3, но в антифазе друг к другу. Таким образом, гибридный трансформатор является гибридом 180°. Центральный кран обычно заканчивается внутри, но его можно вывести как порт 4; в этом случае гибрид может использоваться как гибрид суммы и разницы. Однако порт 4 представляет собой другой импеданс по сравнению с другими портами и потребует дополнительного трансформатора для преобразования импеданса, если требуется использовать этот порт при том же импедансе системы. Гибридные трансформаторы обычно используются в телекоммуникациях для преобразования от 2 до 4 проводов. Телефонные гарнитуры включают такой преобразователь для преобразования 2-проводного кабеля в 4-проводный из наушника и мундштука.
Резистивная подставка
Простая схема резисторов может использоваться в качестве делителя мощности, как показано на рисунке 18. Эта схема также может быть реализована в качестве дельта-схемы путем применения преобразования Y Δ. В дельта-форме используются резисторы, равные системному импедансу. Это может быть выгодно, потому что точное сопротивление значения системного импеданса всегда доступно для большинства номинальных импедансов системы. Схема с выходом имеет преимущества простоты, низкой стоимости и внутренне широкой полосы пропускания. У него есть два основных недостатка; во-первых, схема рассеивает мощность, поскольку она сопротивляема: равное разделение приведет к потере 6 дБ вместо 3 дБ. Вторая проблема заключается в том, что есть 0 дБ направленности, что приводит к очень плохой изоляции между выходной портов. Потери вставки не являются такой проблемой при неравном распределении мощности: например, 40 дБ в порту 3 имеет потери вставки менее 0,2 дБ в порту 2. Изоляцию можно улучшить за счет потерь вставки на обоих выходной портах, заменив выходное сопротивление на Т-полочки. Улучшение изоляции больше, чем добавленная потеря вставки.
6 дБ гибридный мост с резистивом
Истинный гибридный делитель/соединитель с теоретически бесконечной изоляцией и направляемостью может быть сделан из резистивной мостовой цепи. Как и в схеме откоса, мост имеет потерю вставки 6 дБ. Недостаток в том, что его нельзя использовать с неуравновешенными цепями без добавления трансформаторов; однако он идеально подходит для 600 Ω сбалансированных телекоммуникационных линий, если потери вставки не являются проблемой. Сопротивления в мосту, представляющие порты, обычно не являются частью устройства (за исключением порта 4, который может быть оставлен постоянно закрытым внутри), они обеспечиваются концами линии. Таким образом, устройство состоит в основном из двух резисторов (плюс конечный пункт порта 4).
Мониторинг
Выходный сигнал направленного сцепления может использоваться для мониторинга частоты и уровня мощности сигнала без прерывания основного потока мощности в системе (за исключением снижения мощности - см. рисунок 3).
Использование изоляции
Если изоляция высока, то направленные соединители хороши для объединения сигналов для подачи одной линии в приемник для двух испытаний приемника тона. На рисунке 20 один сигнал входит в порт P3 и один входит в порт P2, в то время как оба выходят из порта P1. Сигнал от порта P3 к порту P1 будет испытывать потерю 10 дБ, а сигнал от порта P2 к порту P1 будет иметь потерю 0,5 дБ. Внутренняя нагрузка на изолированный порт рассеивает потери сигнала от порта P3 и порта P2. Если изоляторы на рисунке 20 не выполнены, измерение изоляции (от порта P2 до порта P3) определяет количество мощности от генератора сигнала F2, которое будет вводиться в генератор сигнала F1. По мере увеличения уровня инъекции это может вызвать модуляцию генератора сигнала F1 или даже блокировку фазы инъекции. Из-за симметрии направленного сцепления обратное впрыск будет происходить с теми же возможными проблемами модуляции генератора сигнала F2 на F1. Поэтому изоляторы используются на рисунке 20 для эффективного увеличения изоляции (или направленности) направленного сцепления. Следовательно, потеря инъекции будет равна изоляции направленного сцепления плюс обратной изоляции изолятора.
Гибриды
Приложения гибрида включают в себя монопульсные компараторы, смесители, комбинаторы мощности, делители, модуляторы и фазовые антенные системы радиолокационных систем. Как фазовые устройства (такие как делитель Уилкинсона), так и квадратные (90°) гибридные сцепления могут использоваться для применения когерентных делителей мощности. Пример использования гибридных квадратур в когерентном применении комбинирующего устройства дается в следующем разделе. Недорогая версия разделителя питания используется в домашних условиях для разделения кабельного телевидения или сигналов телевидения через воздух на несколько телевизоров и других устройств. Многопортовые сплиттеры с более чем двумя выходной портами обычно состоят из нескольких каскадных соединителей. Домашние широкополосные интернет-услуги могут предоставляться компаниями кабельного телевидения (кабельный интернет). Интернет-модем домашнего пользователя подключен к одному из портов сплиттера.
Комбинаторы мощности
Поскольку гибридные схемы являются двунаправленными, они могут быть использованы для согласованного объединения энергии, а также ее разделения. На рисунке 21 показан пример разделения сигнала на питание нескольких усилителей низкой мощности, а затем рекомбинации для питания одной антенны с высокой мощностью. Фазы входов в каждый силовой комбинатор расположены так, что два входа находятся на 90° вне фазы друг с другом. Поскольку соединенный порт гибридного комбайнера находится на 90° вне фазы с передаваемым портом, это приводит к тому, что мощности складываются на выходе комбайнера и аннулируются на изолированном порту: представительный пример из рисунка 21 показан на рисунке 22. Обратите внимание, что есть дополнительное фиксированное 90° фазовое смещение в обоих портах на каждом комбинаторе/разделителе, которое не показано на диаграммах для простоты. Применение фазовой мощности к обоим входным портам не даст желаемого результата: сумма квадратуры двух входов появится на обоих выходной портах , что составляет половину общей мощности каждого из них. Этот подход позволяет использовать многочисленные менее дорогие и более низкомощные усилители в схеме вместо одного высокомощного TWT. Еще один подход заключается в том, чтобы каждый усилитель твердого состояния (SSA) питал антенну и позволял энергии объединяться в пространстве или использоваться для питания линзы, прикрепленной к антенне.
Различие фаз
Фазовые свойства гибридного соединителя 90° могут быть использованы с большим преимуществом в микроволновых схемах. Например, в сбалансированном микроволновом усилителе две ступени входа подаются через гибридный сцепление. Устройство FET обычно имеет очень плохую совместимость и отражает большую часть падающей энергии. Однако, поскольку устройства по существу идентичны, коэффициенты отражения от каждого устройства одинаковы. Отраженное напряжение от FET находится в фазе в изолированном порту и отличается на 180° от входного порта. Таким образом, вся отраженная мощность от FET направляется на нагрузку в изолированном порту, а никакая мощность не направляется в входный порт. Это приводит к хорошему совпадению входных данных (низкий VSWR). Если для ввода антенны в гибридный соединитель на 180° используются линии с фазовым совпадением, как показано на рисунке 23, то возникает нулевая точка непосредственно между антеннами. Чтобы получить сигнал в таком положении, нужно было бы либо изменить гибридный тип, либо длину линии. Отвергать сигнал из заданного направления, или создать разницу в структуре для монопульсного радара, это хороший подход. Различные фазовые соединения могут использоваться для создания наклона пучка в радиостанции VHF FM, задерживая фазу до нижних элементов антенного массива. Более широко, фазовые разностные соединители, вместе с фиксированными фазовыми задержками и антенными массивами, используются в пучках, образующих сети, такие как матрица Батлера, для создания радиолуча в любом предписанном направлении.