произвольно. Если выбрана первоначальная структура, состоящая из двух коаксиальных линий, то имеют силу следующие соотношения:

П12 = Л11. Лз4 = Л44, тцз = 14 = Пм == 0. (7.24)

В данном случае условия симметрирующего трансформатора сводятся к соотношению т12е=Пзе, означающему, что проводники 2 и 3 имеют одинаковые емкости по отношению к земле. Однако для того чтобы получить симметрирующий трансформатор с широкой полосой и определенными нагрузочными сопротивлениями, желательно использовать большее число параметров четырехпроводной линии.

Симметрирующий трансформатор можно также реализовать парой трансформаторов на многопроводных линиях, имеющих противоположную полярность выходных напряжений.

Незначительное изменение симметрирующих цепей дает возможность реализовать класс делителей мощности, однако здесь этот вопрос не рассматривается.

7.3. НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВВТВИТЕЛИ Общие сведения

На линиях связи электростатические и электромагнитные поля могут вызывать перекрестную помеху. Перекрестные помехи на ближнем конце сильнее, чем на дальнем. Это вызвано тем, что эффекты, обусловленные электростатической и электромагнитной связью, на дальнем конце почти полностью уничтожают друг друга, в то время как на ближнем конце они складываются. Следовательно, связанная линия передачи является направленным ответ-вителем, в том смысле, что она имеет ощутимые перекрестные помехи на ближнем конце, и небольшие - на дальнем. Взаимная компенсация электростатической и электромагнитной связи становится полной на дальнем конце, когда линия передачи не имеет потерь.

Двухпроводная линия в качестве направленного ответвкгеяя

Направленный ответвитель с четырьмя входами включает в себя двухпроводную линию (над землей) (рис. 7.9а). Земля или экран является проводом, общим для всех входов. Предположим, что мы подключили на входы компоненты аппаратуры со следующими проводимостями;

1) вход Т, передатчик Yt=Gi + \Bt;

2) вход В, уравновешивающая нагрузка Уь = Оь + Вь\

3) вход А, антенна Ya=Ga + \Ba\

4) вход R, приемник Yr-Gr + iBr

Источник ЭДС может быть подключен к любому из входов. На рис 7.9а показана схема, когда источником ЭДС является пере-

датчик. Поскольку на остальных входах появятся токи и напряжения, то можно определить соотношения UJUt, Ur/Ut, Ub/Ut чере параметры линии (элементы гщ, -тцг, г\22, Sii. Z12, Z22 матриц вол-

У, 7

Рис 7 9 Двухпроводный направленный ответвитель {а), работающий между компанентами аппаратуры Т, В, А к R, с внещней компенсацией реактивных составляющих (б) и с внутренней компенсацией реактивных составляющих (в)

новых проводимостей ц и волновых сопротивлений I и проводимости нагрузок Ya, Yr, Уь) - Условие UrlUt = 0, т. е. условие идеальной изоляции входов Т и R имеет вид:

> П = ЛчЛ22-г,?2. (7-25)

Таким же образом получаем условие идеальной изоляции входов А и В-

Для того чтобы обеспечить передачу сигнала без отражений от передатчика к антенне при условии идеальной изоляции приемника от передатчика, необходимо выполнение следующего условия на опорной частоте (т. е. частоте, на которой длина участка связи равняется четверти длины волны):

Yt = Ли (ПиЛ22 - Ци)/Ц22, Уа = Ы/Ц22) Yb- (7.27)

Если три условия, определяемые ур-ниями (7.25), (7.26) и (7 27), выполняются одновременно, то это значит, что существует идеальное согласование между антенной и входом А, а также между приемником и входом R.

Коэффициент передачи мощности

При условии идеального согласования и идеальной изоляции коэффициент передачи мощности от передатчика в антенну S на опорной частоте будет равен:

5 = (ПиЛ22-Л?2)/аЛ22. (7-28)

Поскольку считается, что линия, образующая направленный ответвитель, не имеет потерь, то остаток мощности, поданной на вход Т от передатчика и не поступившей в антенну, поглощается уравновешивающей (баластной) нагрузкой. Если принять 5=0,5, то затухание передачи отЛкиотГкЛ составит в обоих слу-

чаях 3 дБ. Если же принять 5 = 0,2, то затухание передачи от Л к Я п от Т к А составит 1 и 7 дБ соответственно.

Выбрав значение 5 в некоторых пределах, можно вычислить параметры линии с помощью следующих формул:

rln = {YaYJS}, т,зз = (У,/SУ ) т,п = [K,УДl-S)/S]/(7.29)

Условие реализуемости

Для физической реализуемости многопроводной линии матрица волновых проводимостей т) линии должна быть гиперд01чинант-ной. Так как условие гипердоминантности определяется здесь неравенствами т)11>т]12 и т)22>т]12, условие реализуемости можно представить как

1-S<y /F,< 1/(1-5). (7.30)

Если Ya и Yr удовлетворяют этому неравенству, то двухпроводная линия может быть реализована для заданных значений Уь Ya, Yr и S. При этом цепь, образованная этой двухпроводной линией, согласует нагрузки на опорной частоте и обеспечивает полную изоляцию и заданный коэффициент деления мощности.

Компенсахрхя реактивных составляющих

Предположим, что все проводимости нагрузок вещественны и постоянны {Yt = Gt, Ya = Gt, Yb = Gb, Yr=Gr). Тогда входная проводимость (Ytjex входа Т приблизительно равна:

(Yt)G,{l-ak-), (7.31)

a = VS(G,-Ga)/{GaG,f\ (7.32)

Если Gt>Ga, то а -положительно, и мнимую часть входной проводимости (У()вх можно компенсировать добавлением индуктивной проводимости G,od- на входе Т. Эта компенсация вызовет изменение входного сопротивления - О-аЯ- на входе R на величину (2г)вх. Изменение сопротивления можно компенсировать последовательной реактивностью G-aX-. Такая компенсация, примененная в точке подключения приемного устройства, не влияет на передачу от антенны к уравновешивающей нагрузке. Если Ga>Gt, то компенсацию реактивной проводимости можно выполнить на входе А, а компенсацию реактивного сопротивления на входе В.

Дуальный метод компенсации равновозможен. Если Ga<Gt, то компенсацию реактивного сопротивления можно произвести на входе А, а компенсацию реактивной проводимости на входе В. Если Ga>Gi, то компенсацию реактивного сопротивления можно произвести на входе Т, а компенсацию реактивной проводимости на входе R. Компенсирующие шлейфы L< и Сг могут быть добавлены к основной двухпроводной линии. При этом структура пре-, образуется, как показано на рис. 7.9в, в четырехпроводную линию.

Работы в области направленных ответвителей

Для получения информации по направленным ответвителям с равноволновой характеристикой, использующим четвертьволновые звенья, следует обратиться к работам Кристала и Янга [14], Тоу-лиос и Тодда [15], Шелтона и Моско [16]. Кристал [17] представил также результаты теоретических и экспериментальных исследований несимметричных направленных ответвителей, использующих связанные линии с неодинаковыми проводниками линий. Чстично теоретическое исследование этого вопроса независимо приведено Матсумото [12], а также Ямамото [18]. Курода [19] одним из первых исследовал многозвенные направленные ответвители, получив патент в Японии в 1957 г. Полное решение для многозвенных направленных ответвителей было дано Леви [20]; Касвелл и Шварц собрали библиографию по направленным ответвителям [21].

7.4. ГИБРИДНЫЕ СХЕМЫ

Двухпроводные направленные оттетвитеяи

Двухпроводная линия может использоваться как направленный .ответвитель. Кроме того, она может применяться для передачи энергии от двух источников к двум нагрузкам без взаимодействия между источниками; такие схемы называются гибридными схемами.

Предположим, что двухпроводный направленный ответвитель спроектирован так, что условия развязки соответствующих входов удовлетворяются. Тогда при подаче напряжения на вход Т выходные напряжения Ub и Ua будут связаны соотношением Ub/Ua = = t,i2YaSbyl, означающим, что на любой частоте Ub и Ua находятся в квадратуре по отношению друг к другу (т. е. сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90°). Так как shy/ -чисто мнимая величина, то же самое справедливо и для входа А; Ut и Ur также находятся в квадратуре по отношению друг к другу. На средней частоте (р/==я/2) напряжение на ближнем выходе будет находиться в фазе с входным напряжением, а на дальнем выходе напряжение будет отставать на 90°.

Направленный ответвитель является цепью с четырьмя входами, имеющими обобщенную схему, предотавленную на рис. 7.10; при этом входы 1,2 я 3 соответствуют ьходам Т, R, А я В схемы, показанной на рис, 7.9. Сигнал, поступающий на вход /, делится между выхо1дам1и 3 я 4, причем напряжения на этих выходах на.ходятся по отношению друг к другу в квадратуре, а выход 2 развязан (т. е. на выходе 2 сигнал отсутствует). Сигнал, поступающий на вход 2, делится между выходами 5 и 4 (в квадратуре), а выход / остается развязанным.

0)1 (ю20

-±-

Рис. 7.10. Обобщенный восьмиполюсник

Рис 7 11 Гибридный трансформатор, соединяющий однонаправленную и двунаправленную системы передачи

Гибридный трансформатор

Другой хорошо известной гибридной схемой является гибридный трансформатор, который широко используется для соединения двунаправленных и однонаправленных передающих систем.

На рис. 7.11 показана однонапраилен-ная система, включающая передатчик Т и приемиик R. Через Уь обозначена проводимость уравновешивающей цепи, которая должна равняться входной проводимости двунаправленной линии Сигнал, поступающий от входа R, делится между входами Yb и Ya\ вход Т при этом развязан. Напряжения на зажимах ВВ и АА находятся в фазе При подаче сигнала на вход Т в петле ABBА протекает ток, и мощность делится между входами Гь и Ya. Вход R при этом изолирован, а напряжения на зажимах ВВ и АА находятся в цративофазе

Такой гибридный трансформатор также является цепью с четырьмя входами, цреиставлеяной в общем виде на рис. 7.10. Напряжения я токи а ее входах связаны соотно-

ШвНИЯМ1И

f/з = 6, +/гС/х, U, = U,-nU (7.33)

h=h + и. h = п/з - nU, (7.34)

где л, как показано на рис. 7.11, - отношение числа витков для катушек дифференциального трансформатора (1 : : ). Если [/2= = 0, то /3 =-l)i - nU\\ если t/i = 0, то u3 = Ui= U2. Поэтому вход/ можно назвать ортофазным , а вход 2 - коифазным

Условием развязки входов 1 и 2 является равенство Уз=У4, а входов 3 И 4 - соотношение Z2 = nZi. При двойной развязке Уз=У4 и Z2=nZi, сопротивления на входах 1, 2, 3 и 4 соответственно равны:

(Zi) = Zj2n; (Z,) , = Z3/2; (Z3) = 2Z.,. (Z,) = 2Z,. (7.35) Таким образо.м, условие развязки и согласования имеет вид

2nZi = 2Z2 = Z3 = Z,. (7.36)

Если возбуждаются сбалансированные напряжения С/з =-С/4, то U2 = 0, U\ = Uzln = - Uiln. Если возбуждаются несбалансированные напряжения Uz = Ui, то [=0, /2=/3= 4. Поэтому гибридный трансформатор в этом смысле можно рассматривать как конвертор (преобразователь) или диплексер типов колебаний

Подача сигнала на вход / создает на выходах 3 w 4 ортофаз-ный тип колебаний, подача сигнала на вход 2 создает на выходах 3 и 4 конфазный тип колебаний

Возбуждение ортофазным модом со стороны входов 3 к 4 приводит к появлению сигнала только на выходе /, в то время как возбуждение коифазным модом со стороны входов 5 и 4 создает сигнал только на выходе 2. Если сигнал подается только на вход 5

и не подается на вход 4, то С/4 = 0, U2=nUi =-С/3. Если сигнал подается на вход 4 и не подается на вход 3, то U3 - O, U=-nV\ =

Диплексер типов колебаний

Диплексер типов колебаний (модов) по определению должен отвечать следующим условиям:

1) сигнал, поступающий на вход /, приводит к появлению сбалансированных напряжений на выходах 5 и , в то время как выход 2 развязан;

2) сигнал, поступающий на вход 2, создает несбалансированные напряжения на выходах 5 и 4, в то время как выход / развязан;

3) сбалансированные сигналы, поступающие на входы 3 я 4, складываются на выходе /;

4) несбалансированные сигналы, поступающие на входы 3 л 4, складываются на выходе 2.

Гибридный трансформатор обладает этими свойствами. Вход / называется ортофазным, а входы 3 и 4 - симметрирующими.

Гибридный трансформатор невозможно реализовать непосредственно в диапазоне СВЧ, но некоторые структуры из многопроводных линий обладают вышеперечисленными свойствами 1)-4). Пусть Y - матрица проводимостей короткого замыкания цепи с четырьмя входами общего вида, элементы которой Yij {ij=\, 2, 3, 4).

Если цепь действует как диплексер типов колебаний, необходимо выполнение следующих условий:

1- 13 = 14> 33 = 44! 3- 13 = У и, 23 - 24>

Таким образом, диплексер должен иметь матрицу проводимостей короткого замыкания вида

(7.37)

Теперь рассмотрим цепь с четырьмя входами, удовлетворяющую этому условию, и предположим, что ее входы нагружены соответственно на проводимости Gj, G2, G3 и G4 и что система возбуждается источником на входе /.

33 - 44

33 - 44