Rozdělovače výkonu a směrové vazební členy - Power dividers and directional couplers

Směrový vazební člen 10 dB 1,7–2,2 GHz. Zleva doprava: vstupní, spojený, izolovaný (ukončený zátěží) a přenášený port.

Dělič / kombinátor výkonu 3 dB 2,0–4,2 GHz.

Rozdělovače výkonu (taky rozdělovače energie a při opačném použití výkonové kombinátory) a směrové spojky jsou pasivní zařízení používá se hlavně v oblasti rádiové technologie. Spojují definované množství elektromagnetické energie v a přenosové vedení do a přístav umožňující použití signálu v jiném obvodu. Podstatnou vlastností směrových vazebních členů je, že spojují pouze energii tekoucí jedním směrem. Napájení vstupující do výstupního portu je spojeno s izolovaným portem, ale nikoli s připojeným portem. Směrová spojka určená k rovnoměrnému rozdělení výkonu mezi dva porty se nazývá a hybridní vazební člen.

Směrové vazební členy jsou nejčastěji konstruovány ze dvou spřažených přenosových vedení umístěných dostatečně blízko u sebe, takže energie procházející jedním je spojena s druhým. Tato technika je upřednostňována na mikrovlnná trouba frekvence, kde se návrhy přenosových linek běžně používají k implementaci mnoha prvků obvodu. Nicméně, soustředěný komponentní zařízení jsou také možná při nižších frekvencích, jako jsou zvukové frekvence vyskytující se v telefonie. Také na mikrovlnných frekvencích, zejména ve vyšších pásmech, lze použít vzory vlnovodů. Mnoho z těchto vazebních členů vlnovodu odpovídá jednomu z návrhů vodivých přenosových vedení, ale existují i ​​typy, které jsou pro vlnovod jedinečné.

Směrové vazební členy a děliče výkonu mají mnoho aplikací. Mezi ně patří poskytování vzorku signálu pro měření nebo monitorování, zpětná vazba, kombinování přívodů k anténám a od nich, formování paprsků antén, poskytování odboček pro kabelové distribuované systémy, jako je kabelová televize, a oddělení vysílaných a přijímaných signálů na telefonních linkách.

Zápis a symboly

Obrázek 1. Dva symboly používané pro směrové vazební členy

Symboly nejčastěji používané pro směrové vazební členy jsou zobrazeny na obrázku 1. Symbol může mít znak vazební faktor v dB vyznačeno na něm. Směrové spojky mají čtyři porty. Port 1 je vstupní port, na který je napájeno. Port 3 je spojený port, kde se objeví část energie aplikované na port 1. Port 2 je přenášený port, na kterém je přenášena energie z portu 1, bez části, která šla do portu 3. Směrové vazební členy jsou často symetrické, takže existuje také port 4, izolovaný port. Část energie přivedená na port 2 bude spojena s portem 4. Zařízení se však v tomto režimu běžně nepoužívá a port 4 je obvykle ukončen shodné zatížení (obvykle 50 ohmů). Toto ukončení může být interní v zařízení a port 4 není uživateli přístupný. Výsledkem je efektivně 3-portové zařízení, tedy užitečnost druhého symbolu pro směrové vazební členy na obrázku 1.^[1]

Obrázek 2. Symbol pro dělič síly

Symboly formuláře;

${displaystyle P_ {mathrm {a, b}}}$

v tomto článku mají význam „parametr P v přístavu A kvůli vstupu na portu b".

Symbol pro děliče výkonu je zobrazen na obrázku 2. Oddělovače výkonu a směrovací vazební členy jsou ve všech základech stejné třídy zařízení. Směrová spojka má tendenci se používat pro zařízení se 4 porty, která jsou připojena pouze volně - to znamená, že na připojeném portu se objeví jen malá část vstupního výkonu. Dělič výkonu se používá pro zařízení s těsným spojením (dělič výkonu obvykle poskytne polovinu vstupního výkonu na každém ze svých výstupních portů - a 3 dB dělič) a obvykle se považuje za zařízení se 3 porty.^[2]

Parametry

Společné vlastnosti požadované pro všechny směrové vazební členy jsou velmi funkční šířka pásma, vysoká směrovost a dobrá shoda impedance na všech portech, když jsou ostatní porty ukončeny v nesrovnatelném zatížení. Některé z těchto a dalších obecných charakteristik jsou popsány níže.^[3]

Faktor vazby

Faktor vazby je definován jako: ${displaystyle C_ {3,1} = 10log {left ({frac {P_ {3}} {P_ {1}}} ight)} quad {m {dB}}}$

kde P₁ je vstupní výkon na portu 1 a P₃ je výstupní výkon ze spojeného portu (viz obrázek 1).

Faktor vazby představuje primární vlastnost směrového vazebního členu. Faktor vazby je záporná veličina, nesmí překročit 0 dB pro pasivní zařízení a v praxi nepřesahuje -3 dB protože více než toto by vedlo k většímu výstupnímu výkonu ze spojeného portu než k výkonu z přenášeného portu - ve skutečnosti by jejich role byly obráceny. I když je to záporná veličina, znaménko mínus je často vynecháno (ale stále implicitně) v běžícím textu a diagramech a několika autorech^[4] jít tak daleko, že to definovat jako pozitivní Množství. Vazba není konstantní, ale liší se podle frekvence. I když různé varianty mohou zmenšit rozptyl, teoreticky nelze vytvořit dokonale plochý spojovací člen. Směrové vazební členy jsou specifikovány z hlediska přesnosti vazby ve středu kmitočtového pásma.^[5]

Ztráta

Obrázek 3. Graf ztráty vložením v důsledku spojení

Hlavní linie ztráta vložení z portu 1 do portu 2 (str₁ - P₂) je:

Ztráta vložení: ${displaystyle L_ {i2,1} = - 10log {left ({frac {P_ {2}} {P_ {1}}} ight)} quad {m {dB}}}$

Část této ztráty je způsobena tím, že do připojeného portu jde nějaká energie a je volána ztráta spojky a je dána:

Ztráta spojky: ${displaystyle L_ {c2,1} = - 10log {left (1- {frac {P_ {3}} {P_ {1}}} ight)} quad {m {dB}}}$

Ztráta vložení ideální směrové spojky bude sestávat výhradně ze ztráty spojky. Ve skutečném směrovém vazebním členu však vložná ztráta spočívá v kombinaci ztrátové vazby, dielektrikum ztráta, ztráta vodiče a VSWR ztráta. V závislosti na frekvenčním rozsahu se ztráta vazby výše stává méně významnou 15 dB propojení, kde ostatní ztráty tvoří většinu celkové ztráty. Teoretická vložná ztráta (dB) vs vazba (dB) pro a bez rozptýlení vazební člen je zobrazen v grafu na obrázku 3 a v tabulce níže.^[6]

Izolace

Izolaci směrového vazebního členu lze definovat jako rozdíl úrovní signálu v dB mezi vstupním portem a izolovaným portem, když jsou dva další porty ukončeny odpovídajícími zátěžemi, nebo:

Izolace: ${displaystyle I_ {4,1} = - 10log {left ({frac {P_ {4}} {P_ {1}}} ight)} quad {m {dB}}}$

Izolaci lze také definovat mezi dvěma výstupními porty. V tomto případě je jako vstup použit jeden z výstupních portů; druhý je považován za výstupní port, zatímco ostatní dva porty (vstupní a izolované) jsou ukončeny odpovídajícími zátěžemi.

Tudíž: ${displaystyle I_ {3,2} = - 10log {left ({frac {P_ {3}} {P_ {2}}} ight)} quad {m {dB}}}$

Izolace mezi vstupem a izolovanými porty se může lišit od izolace mezi dvěma výstupními porty. Například může být izolace mezi porty 1 a 4 30 dB zatímco izolace mezi porty 2 a 3 může mít jinou hodnotu, jako např 25 dB. Izolaci lze odhadnout z vazby plus ztráta návratnosti. Izolace by měla být co nejvyšší. Ve skutečných vazebních členech není izolovaný port nikdy zcela izolován. Nějaký RF energie bude vždy přítomna. Vlnovod směrové spojky budou mít nejlepší izolaci.^[7]

Směrovost

Směrovost přímo souvisí s izolací. Je definován jako:

Směrovost: ${displaystyle D_ {3,4} = - 10log {left ({frac {P_ {4}} {P_ {3}}} ight)} = - 10log {left ({frac {P_ {4}} {P_ {1 }}} ight)} + 10log {left ({frac {P_ {3}} {P_ {1}}} ight)} quad {m {dB}}}$

kde: P₃ je výstupní výkon ze spojeného portu a P₄ je výstupní výkon z izolovaného portu.

Směrovost by měla být co nejvyšší. Směrovost je při návrhové frekvenci velmi vysoká a je citlivější funkcí frekvence, protože závisí na zrušení dvou vlnových složek. Směrovače vlnovodu budou mít nejlepší směrovost. Směrovost není přímo měřitelná a počítá se z přidání měření izolace a (záporné) vazby jako:^[8]

${displaystyle D_ {3,4} = I_ {4,1} + C_ {3,1} čtyřkolka {m {dB}}}$

Všimněte si, že pokud se použije pozitivní definice vazby, výsledkem vzorce je:

${displaystyle D_ {3,4} = I_ {4,1} -C_ {3,1} quad {m {dB}}}$

S-parametry

The S-matice pro ideální (nekonečnou izolaci a perfektně sladěnou) symetrickou směrovou spojku je dáno,

${displaystyle mathbf {S} = {egin {bmatrix} 0 & au & kappa & 0 au & 0 & 0 & kappa kappa & 0 & 0 & au 0 & kappa & au & 0end {bmatrix}}}$

${displaystyle au}$ je přenosový koeficient a,

${displaystyle kappa}$ je vazební koeficient

Obecně, ${displaystyle au}$ a ${displaystyle kappa}$ jsou komplex, závislé na frekvenci, čísla. Nuly na matici hlavní úhlopříčka jsou důsledkem dokonalého přizpůsobení - příkon do libovolného portu se neodráží zpět do stejného portu. Nuly na matici antidiagonální jsou důsledkem dokonalé izolace mezi vstupem a izolovaným portem.

Pro pasivní bezeztrátový směrový vazební člen musíme navíc mít,

${displaystyle au {overline {au}} + kappa {overline {kappa}} = 1}$

protože napájení vstupující do vstupního portu musí všechny opustit jeden z dalších dvou portů.^[9]

Ztráta vložení souvisí s ${displaystyle au}$ podle;

${displaystyle L (mathrm {dB}) = - 20log | au | }$

Faktor vazby souvisí s ${displaystyle kappa}$ podle;

${displaystyle C (mathrm {dB}) = 20log | kappa | }$

Nenulové hlavní diagonální položky se vztahují k ztráta návratnosti a nenulové antidiagonální položky souvisejí s izolací podobnými výrazy.

Někteří autoři definují čísla portů s vyměněnými porty 3 a 4. To má za následek rozptylovou matici, která již na antidiagonálu není nulová.^[10]

Amplitudová rovnováha

Tato terminologie definuje výkonový rozdíl v dB mezi dvěma výstupními porty a 3 dB hybridní. V ideálním hybridním obvodu by měl být rozdíl 0 dB. V praktickém zařízení je však amplitudová rovnováha závislá na frekvenci a odchyluje se od ideálu 0 dB rozdíl.^[11]

Fázová rovnováha

Fázový rozdíl mezi dvěma výstupními porty hybridního vazebního členu by měl být 0 °, 90 ° nebo 180 ° v závislosti na použitém typu. Stejně jako vyvážení amplitudy je však fázový rozdíl citlivý na vstupní frekvenci a obvykle se bude měnit o několik stupňů.^[12]

Typy přenosových vedení

Směrové spojky

Spojená přenosová vedení

Obrázek 4. Jednosměrná spojka λ / 4

Nejběžnější formou směrového vazebního členu je dvojice spřažených přenosových vedení. Mohou být realizovány v řadě technologií, včetně koaxiálních a rovinných technologií (páskové vedení a mikropáskový ). Implementace v páskovém vedení je znázorněna na obrázku 4 směrového vazebního členu se čtvrtvlnovou délkou (λ / 4). Síla na spojeném vedení proudí v opačném směru k výkonu na hlavním vedení, proto uspořádání portů není stejné jako na obrázku 1, ale číslování zůstává stejné. Z tohoto důvodu se někdy nazývá a zpětný vazební člen.^[13]

The hlavní linie je úsek mezi porty 1 a 2 a spojená linka je úsek mezi porty 3 a 4. Protože směrový vazební člen je lineární zařízení, jsou zápisy na obrázku 1 libovolné. Vstupem může být jakýkoli port (příklad je uveden na obrázku 20), jehož výsledkem bude, že přímo připojeným portem bude přenášený port, sousedním portem bude spojený port a diagonálním portem bude izolovaný port. U některých směrových vazebních členů je hlavní vedení navrženo pro provoz s vysokým výkonem (velké konektory), zatímco spojený port může používat malý konektor, například SMA konektor. The vnitřní zatížení jmenovitý výkon může také omezit provoz na spojeném vedení.^[14]

Obrázek 5. Směrová spojka krátkého úseku

Obrázek 6. Směrová spojka s krátkým profilem s 50 Ω hlavní linka a 100 Ω spojená linka

Obrázek 7. Ekvivalentní obvod se soustředěnými prvky spojek zobrazený na obrázcích 5 a 6

Přesnost spojovacího faktoru závisí na rozměrových tolerancích pro rozestup dvou spojených čar. U planárních tištěných technologií jde o rozlišení tiskového procesu, které určuje minimální šířku stopy, kterou lze vyrobit, a také stanoví omezení toho, jak blízko mohou být řádky umístěny k sobě. To se stává problémem, když je vyžadováno velmi těsné spojení a 3 dB spojky často používají jiný design. Těsně spojené linky však lze vyrábět v vzduchové páskové vedení což také umožňuje výrobu tištěnou planární technologií. V tomto provedení jsou vytištěny dva řádky naproti spíše než vedle sebe. Spojení dvou čar po celé jejich šířce je mnohem větší než spojení, když jsou k sobě navzájem připojeny.^[15]

Konstrukce sdružené linky λ / 4 je vhodná pro koaxiální a páskové implementace, ale v nyní populárním formátu mikropásků nefunguje tak dobře, i když designy existují. Důvodem je to, že mikropás není homogenní médium - nad a pod přenosovým proužkem jsou dvě různá média. Tohle vede k režimy přenosu jiný než obvyklý režim TEM ve vodivých obvodech. Rychlost šíření sudých a lichých režimů se liší, což vede k disperzi signálu. Lepším řešením pro mikropáskové proužky je spřažená linka mnohem kratší než λ / 4, znázorněná na obrázku 5, ale to má tu nevýhodu spojovacího faktoru, který znatelně stoupá s frekvencí. Variace tohoto designu, se kterou se někdy setkáváme, má spojenou linku vyšší impedance než hlavní vedení, jak je znázorněno na obrázku 6. Tato konstrukce je výhodná tam, kde je vazební člen napájen do detektoru pro monitorování výkonu. Výsledkem vedení s vyšší impedancí je vyšší napětí RF pro daný výkon hlavního vedení, což usnadňuje práci detektorové diody.^[16]

Frekvenční rozsah specifikovaný výrobci je rozsah spojeného vedení. Odezva hlavní linky je mnohem širší: například vazební člen zadaný jako 2–4 GHz může mít hlavní linku, na které by mohla fungovat 1–5 GHz. Spojená odezva je periodická s frekvencí. Například vazební člen λ / 4 se spojenou linkou bude mít odezvy na nλ / 4 kde n je liché celé číslo.^[17]

Jeden spojený úsek λ / 4 je vhodný pro šířky pásma menší než oktáva. K dosažení větší šířky pásma se používá více spojovacích úseků λ / 4. Konstrukce těchto vazebních členů probíhá v podstatě stejným způsobem jako konstrukce filtry s distribuovanými prvky. S částmi vazebního členu se zachází jako s částmi filtru a nastavením spojovacího faktoru každé části lze vytvořit spojený port tak, aby měl jakoukoli klasickou odezvu filtru, například maximálně plochý (Butterworthův filtr ), stejné zvlnění (Cauerův filtr ), nebo zadané zvlnění (Chebychevův filtr ) Odezva. Vlnění je maximální změna výstupu spojeného portu v jeho propustné pásmo, obvykle uváděné jako plus nebo mínus hodnota v dB od nominálního vazebního faktoru.^[18]

Postavení 8. 5sekční planární směrový vazební člen

Je možné ukázat, že spojkové směrové vazební členy mají ${displaystyle au}$ čistě skutečný a ${displaystyle kappa}$ čistě imaginární na všech frekvencích. To vede ke zjednodušení S-matice a výsledku, že spojený port je vždy v kvadratura fáze (90 °) s výstupním portem. Některé aplikace tento fázový rozdíl využívají. Pronájem ${displaystyle kappa = ikappa _ {mathrm {I}}}$, ideální případ bezeztrátového provozu se zjednodušuje na,^[19]

${displaystyle au ^ {2} + {kappa _ {mathrm {I}}} ^ {2} = 1}$

Vazební člen odbočky

Obrázek 9. 3-sekce odbočka odbočky implementována v rovinném formátu

Spojovací větev odbočky se skládá ze dvou paralelních přenosových vedení fyzicky spojených dohromady se dvěma nebo více odbočkami mezi nimi. Odbočky jsou rozmístěny λ / 4 od sebe a představují úseky konstrukce vícesekčního filtru stejným způsobem jako vícenásobné části spřáhla se spřaženým vedením kromě toho, že zde je spřažení každého úseku řízeno impedancí odboček . Hlavní a spojená linka jsou ${displaystyle scriptstyle {sqrt {2}}}$ impedance systému. Čím více úseků je ve vazebním členu, tím vyšší je poměr impedancí vedlejších vedení. Vysokoimpedanční vedení mají úzké dráhy a to kvůli konstrukčním omezením obvykle omezuje návrh na tři sekce v rovinných formátech. Podobné omezení platí pro spojovací faktory volnější než 10 dB; nízká spojka vyžaduje také úzké rozchody. Spojená vedení jsou lepší volbou, když je vyžadována volná spojka, ale odbočné spojky jsou dobré pro těsné spojení a lze je použít pro 3 dB hybridy. Spojky odboček obvykle nemají tak velkou šířku pásma jako spřažené linky. Tento styl vazebního členu je vhodný pro implementaci ve vysoce výkonných, vzduchově dielektrických formátech pevných tyčí, protože tuhá struktura je snadno mechanicky podepřena.^[20]

Jako alternativu lze použít odbočky odboček vzduchové mosty, které v některých aplikacích způsobují nepřijatelné množství vazeb mezi překříženými liniemi. Ideální crossover-line crossover teoreticky nemá žádnou vazbu mezi dvěma cestami skrz to. Konstrukce je 3-větvová spojka ekvivalentní dvěma 3 dB 90 ° hybridní vazební členy připojeny kaskáda. Výsledkem je efektivně a 0 dB vazební člen. Překročí vstupy na diagonálně protilehlé výstupy s fázovým zpožděním 90 ° v obou řádcích.^[21][22]

Spojka Lange

Konstrukce spojky Lange je podobná jako u interdigitální filtr s paralelními linkami prokládanými k dosažení spojení. Používá se pro silné spojky v rozsahu 3 dB na 6 dB.^[23]

Rozdělovače výkonu

Obrázek 10. Jednoduché rozdělení výkonu T-křižovatkou v rovinném formátu

Nejčasnější děliče výkonu přenosového vedení byly jednoduché T-křižovatky. Trpí velmi špatnou izolací mezi výstupními porty - velká část energie odražené zpět od portu 2 se dostává do portu 3. Je možné ukázat, že teoreticky není možné spojit všechny tři porty pasivního, bezztrátového tři porty a špatná izolace jsou nevyhnutelné. Je to však možné se čtyřmi porty, a to je základní důvod, proč se k implementaci tříportových rozdělovačů napájení používají zařízení se čtyřmi porty: zařízení se čtyřmi porty lze navrhnout tak, aby se energie přicházející na port 2 rozdělila mezi port 1 a port 4 (který je ukončen odpovídajícím zatížením) a žádný (v ideálním případě) nepřechází na port 3.^[24]

Termín hybridní vazební člen původně použito pro 3 dB sdružené směrové vazební členy, tj. směrové vazební členy, ve kterých jsou oba výstupy polovinou vstupního výkonu. To synonymně znamenalo kvadraturu 3 dB vazební člen s výstupy 90 ° mimo fázi. Nyní se jakýkoli uzavřený 4port s izolovanými rameny a dělením stejné síly nazývá hybrid nebo hybridní vazební člen. Jiné typy mohou mít různé fázové vztahy. Pokud je 90 °, jedná se o 90 ° hybrid, pokud je 180 °, 180 ° hybrid a tak dále. V tomto článku hybridní vazební člen bez kvalifikace znamená vázaný hybrid.^[25]

Wilkinsonův dělič síly

Obrázek 11. Wilkinsonův dělič v koaxiálním formátu

The Wilkinsonův dělič síly se skládá ze dvou paralelních odpojeno λ / 4 přenosová vedení. Vstup je přiváděn na obě linky paralelně a výstupy jsou zakončeny dvojnásobnou systémovou impedancí přemostěnou mezi nimi. Návrh může být realizován v rovinném formátu, ale má přirozenější implementaci v koaxiálním směru - v rovinném musí být tyto dvě linie odděleny, aby se nespojovaly, ale musí být spojeny na svých výstupech, aby mohly být ukončeny, zatímco v koaxiálním kabelu mohou být vedení vedena vedle sebe, přičemž se při stínění spoléhají na vnější vodiče koaxiálního kabelu. Dělič výkonu Wilkinson řeší problém shody jednoduchého T-přechodu: má nízké VSWR na všech portech a vysokou izolaci mezi výstupními porty. Vstupní a výstupní impedance na každém portu jsou navrženy tak, aby se rovnaly charakteristické impedanci mikrovlnného systému. Toho je dosaženo vytvořením impedance vedení ${displaystyle scriptstyle {sqrt {2}}}$ impedance systému - pro a 50 Ω systému jsou Wilkinsonovy linie přibližně 70 Ω^[26]

Hybridní spojka

Spojená linka směrové spojky jsou popsány výše. Když je spojka navržena tak, aby byla 3 dB nazývá se to hybridní vazební člen. S-matice pro ideální symetrický hybridní vazební člen se redukuje na;

${displaystyle mathbf {S} = {frac {1} {sqrt {2}}} {egin {bmatrix} 0 & -i & -1 & 0 -i & 0 & 0 & -1 -1 & 0 & 0 & -i 0 & -1 & -i & 0end {bmatrix}}}$

Dva výstupní porty mají fázový rozdíl 90 ° (-i až -1), a tak se jedná o 90 ° hybrid.^[27]

Hybridní prstenová spojka

Obrázek 12. Hybridní prstenová spojka v rovinném formátu

The hybridní prstenová spojka, nazývaný také krysí závod, je čtyřportový 3 dB směrový vazební člen skládající se z 3λ / 2 prstence přenosového vedení se čtyřmi linkami v intervalech znázorněných na obrázku 12. Příkon na portu 1 se rozděluje a obíhá kolem kruhu. Na portech 2 a 3 signál dorazí do fáze a přidá se, zatímco na portu 4 je mimo fázi a ruší se. Porty 2 a 3 jsou navzájem ve fázi, proto se jedná o příklad 0 ° hybridu. Obrázek 12 ukazuje planární implementaci, ale tento design lze také implementovat v koaxiálním nebo vlnovodném vedení. Je možné vyrobit vazební člen s odlišným vazebným faktorem 3 dB vytvořením každé λ / 4 sekce prstence střídavě nízkou a vysokou impedancí, ale pro a 3 dB spojka celý prsten je vyroben ${displaystyle scriptstyle {sqrt {2}}}$ impedancí portu - pro a 50 Ω design prstenu by byl přibližně 70 Ω.^[28]

S-matice pro tento hybrid je dána vztahem;

${displaystyle mathbf {S} = {frac {1} {sqrt {2}}} {egin {bmatrix} 0 & -i & -i & 0 -i & 0 & 0 & i -i & 0 & 0 & -i 0 & i & -i & 0end {bmatrix}}}$

Hybridní prsten není na svých portech symetrický; výběr jiného portu jako vstupu nemusí nutně přinést stejné výsledky. S portem 1 nebo portem 3 jako vstupem je hybridní kruh 0 ° hybrid, jak je uvedeno. Výsledkem použití portu 2 nebo 4 jako vstupu je 180 ° hybrid.^[29] Tato skutečnost vede k další užitečné aplikaci hybridního kruhu: lze ji použít k výrobě součtových (Σ) a rozdílových (Δ) signálů ze dvou vstupních signálů, jak je znázorněno na obrázku 12. Se vstupy na porty 2 a 3 se objeví signál Σ na portu 1 a signál Δ se objeví na portu 4.^[30]

Více oddělovačů výstupu

Obrázek 13. Rozdělovač síly

Typický dělič výkonu je zobrazen na obrázku 13. V ideálním případě by byl vstupní výkon rovnoměrně rozdělen mezi výstupní porty. Oddělovače jsou tvořeny několika spojkami a stejně jako spojky mohou být obráceny a použity jako multiplexery. Nevýhodou je, že u čtyřkanálového multiplexeru je výstup tvořen pouze 1/4 výkonu od každého a je relativně neúčinný. Důvodem je to, že v každé polovině slučovače jde vstupní energie na port 4 a rozptýlí se v zakončovací zátěži. Pokud by dva vstupy byly koherentní fáze mohly být uspořádány tak, že ke zrušení došlo na portu 4 a poté by veškerá energie šla na port 1. Vstupy multiplexeru jsou však obvykle ze zcela nezávislých zdrojů, a proto nejsou koherentní. Bezztrátové multiplexování lze provést pouze pomocí filtračních sítí.^[31]

Typy vlnovodů

Vlnovod směrové spojky

Vlnovod odbočné spojky

The odbočná spojka výše popsané lze také implementovat do vlnovodu.^[32]

Směrová spojka Bethe-hole

Obrázek 14. Směrová spojka s více otvory

Jedním z nejběžnějších a nejjednodušších směrových vazebních členů vlnovodu je směrový vazební člen Bethe-hole. Skládá se ze dvou paralelních vlnovodů, jeden naskládaných na sebe a mezi nimi otvor. Část energie z jednoho vodítka je spuštěna otvorem do druhého. Spojka Bethe-hole je dalším příkladem zpětné spojky.^[33]

Koncept spojky Bethe-hole lze rozšířit poskytnutím více otvorů. Otvory jsou od sebe vzdáleny λ / 4. Konstrukce takových vazebních členů má paralely s vícedílnými spojenými přenosovými linkami. Použití více otvorů umožňuje rozšířit šířku pásma návrhem sekcí jako Butterworth, Chebyshev nebo nějaká jiná třída filtru. Velikost otvoru je zvolena tak, aby poskytovala požadovanou spojku pro každou část filtru. Kritériem návrhu je dosáhnout v podstatě plochého spojení spolu s vysokou směrovostí přes požadované pásmo.^[34]

Riblet short-slot coupler

Spojka Riblet s krátkou drážkou jsou dva vlnovody vedle sebe, přičemž společná boční stěna je namísto dlouhé strany jako u spojky Bethe-hole. V boční stěně je vyříznut otvor, který umožňuje spojení. Tento design se často používá k výrobě a 3 dB vazební člen.^[35]

Schwinger s reverzní fázovou spojkou

Schwingerův reverzní vazební člen je další konstrukce využívající paralelní vlnovody, tentokrát je dlouhá strana jednoho společná s krátkou boční stěnou druhého. Dva vlnovody jsou vyříznuty mezi vlnovody rozmístěnými λ / 4 od sebe. Schwinger je zpětný vazební člen. Tato konstrukce má výhodu v podstatě ploché odezvy směrovosti a nevýhodu silně frekvenčně závislé vazby ve srovnání s vazební jednotkou Bethe-hole, která má malé odchylky ve vazebním faktoru.^[36]

Spojka Moreno s křížovým vedením

Vazební člen s kříženým vedením Moreno má dva vlnovody naskládané jeden na druhém, jako je vazební člen Bethe-hole, ale v pravém úhlu k sobě místo paralelně. Na vzdálenosti mezi vlnovody jsou na úhlopříčce vyříznuty dva mimostředové otvory, obvykle ve tvaru kříže ${displaystyle scriptstyle {sqrt {2}} lambda / 4}$ odděleně. Spojka Moreno je vhodná pro aplikace s těsným spojením. Jedná se o kompromis mezi vlastnostmi spojek Bethe-hole a Schwinger s vazbou a směrovostí měnící se podle frekvence.^[37]

Vlnovodové děliče výkonu

Hybridní prsten vlnovodu

The hybridní prsten výše diskutované lze také implementovat do vlnovodu.^[38]

Magické tričko

Obrázek 15. Magické tričko

Koherentní rozdělení energie bylo nejprve dosaženo pomocí jednoduchých Tee křižovatek. Na mikrovlnných frekvencích mají vlnovodová odpaliště dvě možné formy - E-letadlo a H-letadlo. Tyto dva křižovatky rozdělují energii rovnoměrně, ale kvůli různým konfiguracím polí na křižovatce jsou elektrická pole na výstupních ramenech ve fázi pro odpaliště H-roviny a jsou 180 ° mimo fázi pro odpaliště E-roviny. Kombinace těchto dvou odpališť pro vytvoření hybridního odpaliště je známá jako magické tričko. Magické odpaliště je čtyřportová součást, která může provádět vektorový součet (Σ) a rozdíl (Δ) dvou koherentních mikrovlnných signálů.^[39]

Typy diskrétních prvků

Hybridní transformátor

Obrázek 16. 3 dB hybridní transformátor pro a 50 Ω Systém

Standardní hybridní transformátor 3 dB je zobrazen na obrázku 16. Výkon na portu 1 je rozdělen rovnoměrně mezi porty 2 a 3, ale navzájem v protifázi. Hybridní transformátor je tedy 180 ° hybrid. Středový kohoutek je obvykle zakončen interně, ale je možné jej vyvést jako port 4; v takovém případě lze hybrid použít jako hybrid součtu a rozdílu. Port 4 však představuje jinou impedanci než ostatní porty a bude vyžadovat další transformátor pro převod impedance, pokud je nutné použít tento port se stejnou systémovou impedancí.^[40]

Hybridní transformátory se běžně používají v telekomunikacích pro 2 až 4vodičovou konverzi. Telefonní sluchátka obsahují takový převaděč pro převod 2vodičové linky na 4 vodiče ze sluchátka a náustku.^[41]

Zesíťované transformátory

Obrázek 17. Směrová spojka pomocí transformátorů

Pro nižší frekvence (méně než 600 MHz) kompaktní širokopásmové připojení provádění prostřednictvím RF transformátory je možné. Na obrázku 17 je zobrazen obvod, který je určen pro slabou vazbu a lze jej pochopit podle těchto linií: Signál přichází v jednom páru linek. Jeden transformátor snižuje napětí signálu, druhý snižuje proud. Proto je impedance přizpůsobena. Stejný argument platí pro každý další směr signálu přes vazební člen. Relativní znaménko indukovaného napětí a proudu určuje směr odchozího signálu.^[42]

Spojka je dána vztahem;

${displaystyle C_ {3,1} = 20log n}$

kde n je poměr sekundárních a primárních otáček.

Pro 3 dB vazba, to znamená stejné rozdělení signálu mezi přenášeným portem a spojeným portem, ${displaystyle scriptstyle n = {sqrt {2}}}$ a izolovaný port je ukončen dvojnásobnou charakteristickou impedancí - 100 Ω pro 50 Ω Systém. A 3 dB dělič výkonu založený na tomto obvodu má dva výstupy ve fázi 180 ° navzájem, ve srovnání s linkami λ / 4 spojenými, které mají 90 ° fázový vztah.^[43]

Odporové tričko

Obrázek 18. Jednoduchý odporový odpaliště pro a 50 Ω Systém

Jednoduchý odpalovací obvod odporů lze použít jako dělič výkonu, jak je znázorněno na obrázku 18. Tento obvod lze také implementovat jako trojúhelníkový obvod použitím Transformace Y-Δ. Delta forma používá odpory, které se rovnají impedanci systému. To může být výhodné, protože přesné odpory hodnoty impedance systému jsou pro většinu systémů vždy k dispozici jmenovité impedance. Tee obvod má výhody jednoduchosti, nízkých nákladů a skutečně široké šířky pásma. Má dvě hlavní nevýhody; za prvé, obvod rozptýlí energii, protože je odporová: výsledkem bude stejné rozdělení 6 dB ztráta vložení místo 3 dB. Druhým problémem je, že existuje 0 dB směrovost vedoucí k velmi špatné izolaci mezi výstupními porty.^[44]

Ztráta vložení není takovým problémem pro nerovnoměrné rozdělení síly: například -40 dB na portu 3 má ztrátu vložení menší než 0,2 dB na portu 2. Izolaci lze zlepšit na úkor ztráty vložení na obou výstupních portech nahrazením výstupních rezistorů T podložky. Vylepšení izolace je větší než přidaná ztráta vložení.^[45]

6 dB hybridní odporový můstek

Obrázek 19. 6 dB hybridní odporový můstek pro a 600 Ω Systém

Skutečný hybridní dělič / vazební člen s teoreticky nekonečnou izolací a směrovostí lze vytvořit z odporového můstkového obvodu. Stejně jako odpaliště má most 6 dB ztráta vložení. Má tu nevýhodu, že jej nelze použít s nevyváženými obvody bez přidání transformátorů; je však ideální pro 600 Ω vyvážené telekomunikační linky, pokud ztráta vložení není problém. Rezistory v můstku, které představují porty, obvykle nejsou součástí zařízení (s výjimkou portu 4, který může být ponechán trvale interně ukončen), které jsou poskytovány zakončením linky. Zařízení se tedy skládá v podstatě ze dvou rezistorů (plus zakončení portu 4).^[46]

Aplikace

Monitorování

Propojený výstup směrového vazebního členu lze použít k monitorování frekvence a úrovně výkonu signálu bez přerušení hlavního toku energie v systému (kromě snížení výkonu - viz obrázek 3).^[47]

Využití izolace

Obrázek 20. Nastavení testu dvoutónového přijímače

Pokud je izolace vysoká, směrové vazební členy jsou dobré pro kombinování signálů pro napájení jedné linky do přijímače dvoutónové testy přijímače. Na obrázku 20 jeden signál vstupuje do portu P₃ a jeden vstoupí do přístavu P₂, zatímco oba opouštějí port P₁. Signál z portu P₃ do přístavu P₁ zažije 10 dB ztráty a signál z portu P₂ do přístavu P₁ budu mít 0,5 dB ztráta. Interní zátěž izolovaného portu rozptýlí ztráty signálu z portu P₃ a přístav P₂. Pokud izolátory na obrázku 20 jsou zanedbána měření izolace (port P₂ do přístavu P₃) určuje množství energie z generátor signálu F₂ který bude vstřikován do generátoru signálu F₁. Jak se zvyšuje úroveň vstřikování, může to způsobit modulace generátoru signálu F₁nebo dokonce blokování fáze vstřikování. Kvůli symetrii směrového vazebního členu dojde k reverznímu vstřikování se stejnými možnými problémy modulace generátoru signálu F₂ autor: F.₁. Proto se izolátory na obrázku 20 používají k účinnému zvýšení izolace (nebo směrovosti) směrového vazebního členu. Consequently, the injection loss will be the isolation of the directional coupler plus the reverse isolation of the isolator.^[48]

Hybridy

Applications of the hybrid include monopulse comparators, míchačky, power combiners, dividers, modulátory, a fázované pole radar antenna systems. Both in-phase devices (such as the Wilkinson divider) and quadrature (90°) hybrid couplers may be used for coherent power divider applications. An example of quadrature hybrids being used in a coherent power combiner application is given in the next section.^[49]

An inexpensive version of the power divider is used in the home to divide kabelová televize nebo over-the-air TV signals to multiple TV sets and other devices. Multiport splitters with more than two output ports usually consist internally of a number of cascaded couplers. Domestic broadband internet service can be provided by cable TV companies (kabelový internet ). The domestic user's internet kabelový modem is connected to one port of the splitter.^[50]

Power combiners

Since hybrid circuits are bi-directional, they can be used to coherently combine power as well as splitting it. In figure 21, an example is shown of a signal split up to feed multiple low power amplifiers, then recombined to feed a single antenna with high power.^[51]

Figure 21. Splitter and combiner networks used with amplifiers to produce a high power 40 dB (voltage gain 100) solid state amplifier

Figure 22. Phase arrangement on a hybrid power combiner.

The phases of the inputs to each power combiner are arranged such that the two inputs are 90° out of phase with each other. Since the coupled port of a hybrid combiner is 90° out of phase with the transmitted port, this causes the powers to add at the output of the combiner and to cancel at the isolated port: a representative example from figure 21 is shown in figure 22. Note that there is an additional fixed 90° phase shift to both ports at each combiner/divider which is not shown in the diagrams for simplicity.^[52] Applying in-phase power to both input ports would not get the desired result: the kvadratura sum of the two inputs would appear at both output ports – that is half the total power out of each. This approach allows the use of numerous less expensive and lower-power amplifiers in the circuitry instead of a single high-power TWT. Yet another approach is to have each solid state amplifier (SSA) feed an antenna and let the power be combined in space or be used to feed a lens attached to an antenna.^[53]

Phase difference

Figure 23. Phase combination of two antennae

The phase properties of a 90° hybrid coupler can be used to great advantage in mikrovlnná trouba obvodů. For example, in a balanced microwave amplifier the two input stages are fed through a hybrid coupler. The FET device normally has a very poor match and reflects much of the incident energy. However, since the devices are essentially identical the reflection coefficients from each device are equal. The reflected voltage from the FETs are in phase at the isolated port and are 180° different at the input port. Therefore, all of the reflected power from the FETs goes to the load at the isolated port and no power goes to the input port. This results in a good input match (low VSWR).^[54]

If phase-matched lines are used for an antenna input to a 180° hybrid coupler as shown in figure 23, a nula will occur directly between the antennas. To receive a signal in that position, one would have to either change the hybrid type or line length. To reject a signal from a given direction, or create the difference pattern for a monopulse radar, this is a good approach.^[55]

Phase-difference couplers can be used to create beam tilt v VHF FM rádiová stanice, by delaying the phase to the lower elements of an antenna array. More generally, phase-difference couplers, together with fixed phase delays and antenna arrays, are used in beam-forming networks such as the Butler matrix, to create a radio beam in any prescribed direction.^[56]

Viz také

• Star coupler
• Rozdělovač paprsků

Reference

Bibliografie

Tento článek zahrnujepublic domain materiál from the Avionics Department of the Naval Air Warfare Center Weapons Division document: "Electronic Warfare and Radar Systems Engineering Handbook (report number TS 92-78)". Citováno 9. června 2006. (pp. 6–4.1 to 6–4.5 Power Dividers and Directional Couplers)

• Stephen J. Bigelow, Joseph J. Carr, Steve Winder, Understanding telephone electronics Newnes, 2001 ISBN  0-7506-7175-0.
• Geoff H. Bryant, Principles of Microwave Measurements, Institution of Electrical Engineers, 1993 ISBN  0-86341-296-3.
• Robert J. Chapuis, Amos E. Joel, 100 Years of Telephone Switching (1878–1978): Electronics, computers, and telephone switching (1960–1985), IOS Press, 2003 ISBN  1-58603-372-7.
• Walter Y. Chen, Home Networking Basis, Prentice Hall Professional, 2003 ISBN  0-13-016511-5.
• R. Comitangelo, D. Minervini, B. Piovano, "Beam forming networks of optimum size and compactness for multibeam antennas at 900 MHz", IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium 1997, sv. 4, pp. 2127-2130, 1997.
• Stephen A. Dyer, Survey of instrumentation and measurement Wiley-IEEE, 2001 ISBN  0-471-39484-X.
• Kyōhei Fujimoto, Mobile Antenna Systems Handbook, Artech House, 2008 ISBN  1-59693-126-4.
• Preston Gralla, How the Internet Works, Que Publishing, 1998 ISBN  0-7897-1726-3.
• Ian Hickman, Practical Radio-frequency Handbook, Newnes, 2006 ISBN  0-7506-8039-3.
• Apinya Innok, Peerapong Uthansakul, Monthippa Uthansakul, "Angular beamforming technique for MIMO beamforming system", International Journal of Antennas and Propagation, sv. 2012, iss. 11, December 2012.
• Thomas Koryu Ishii, Handbook of Microwave Technology: Components and devices, Academic Press, 1995 ISBN  0-12-374696-5.
• Y. T. Lo, S. W. Lee, Antenna Handbook: Applications, Springer, 1993 ISBN  0-442-01594-1.
• Matthaei, George L.; Young, Leo and Jones, E. M. T. Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures McGraw-Hill 1964 OCLC  299575271
• D. Morgan, A Handbook for EMC Testing and Measurement, IET, 1994 ISBN  0-86341-756-6.
• Antti V. Räisänen, Arto Lehto, Radio engineering for wireless communication and sensor applications, Artech House, 2003 ISBN  1-58053-542-9.
• K.R. Reddy, S. B. Badami, V. Balasubramanian, Oscillations And Waves, Universities Press, 1994 ISBN  81-7371-018-X.
• Peter Vizmuller, RF design guide: systems, circuits, and equations, Volume 1, Artech House, 1995 ISBN  0-89006-754-6.