Направленный ответвитель (НО) – это четырёхпортовое (восьмиполюсное) пассивное устройство, предназначенное, в первую очередь, для сепарации (разделения) волн, распространяющихся в линии передачи в противоположных направлениях. Ещё одна полезная функция НО – направленный отбор мощности из основного канала во вторичный.
Благодаря своим свойствам, ответвители широко применяются в радио-измерительной аппаратуре и в других радиотехнических системах для сложения, разветвления и смешивания сигналов, для измерения параметров передачи и отражения, для контроля и стабилизации уровня мощности и частоты сигнала и т.д.
В зависимости от типа линий передачи, образующих основной и вторичный каналы, ответвители могут быть коаксиальными, волноводными, волноводно-коаксиальными.
По характеру ответвления мощности во вторичный канал различают ответвители сонаправленные и противонаправленные (см. рис. 1).
Основным параметром НО является направленность – параметр, характеризующий то, насколько хорошо ответвитель разделяет сигналы, распространяющиеся в прямом и обратном направлениях (определяется как отношение мощностей на связанном и несвязанном портах вторичного канала). В идеальном НО (на примере сонаправленного) падающая на порт 1 волна не отражается от всех портов, а разделяется между портами 2 и 3, в то время как порт 4 изолирован. И наоборот, падающая на порт 2 волна разделяется между портами 1 и 4, в то время как порт 3 изолирован. Из-за нулевой протечки энергии в изолированный порт направленность идеального НО бесконечна. Однако реальные направленные ответвители из-за конечности протечек в изолированные порты и неидеального согласования входов обладают конечной направленностью.
Вторым основным параметром, характеризующим НО, является переходное ослабление (ответвление). Данным параметром определяется величина связи между основным и вторичным каналами, которая находится как отношение мощностей на входе основного и выходе вторичного каналов.
Для полной характеризации реального направленного ответвителя требуется еще два параметра:
а) потери в основном канале, определяются отношением мощностей на входном и выходном портах;
б) коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) портов, характеризует степень согласования основного или вторичного каналов и измеряется при условии, что неиспользуемые порты нагружены на согласованные нагрузки.
В зависимости от функционального назначения направленные ответвители можно разделить на измерительные ответвители и ответвители с малой частотной зависимостью переходного ослабления.
Направленные ответвители с малой частотной зависимостью переходного ослабления применяются в схемах для контроля и стабилизации мощности источников сигнала. Основными параметрами этих устройств являются значение переходного ослабления и неравномерность его величины в диапазоне частот.
Измерительные ответвители (ответвители с высокой направленностью) используются для измерения падающих и отражённых волн в схемах рефлектометров. Основными параметрами этих ответвителей, определяющими погрешность измерения коэффициента отражения, являются направленность и КСВН основного канала. При измерении малых значений коэффициента отражения погрешность измерения определяется, в основном, величиной направленности, а при измерении больших значений – величиной КСВН основного канала.
Рассмотрим направленные ответвители первой группы, применяемые, например, в системах АРМ (автоматический регулятор мощности) для контроля уровня мощности. Такой НО, как правило, выполнен на основе смещённых связанных полосковых линий в многослойной диэлектрической структуре с соединителями типа SMA (розетка). Развязанный порт НО нагружается на внешнюю согласованную нагрузку. Направленный ответвитель данного класса, производимый ЗАО «НПФ «Микран», имеет обозначение НО16-2-20-12Р-12Р (см. рис. 2). Его зарубежным аналогом является модель 102020016 производства фирмы Krytar.
Компания Keysight Technologies, так же как и Krytar, предлагает направленные ответвители только в микрополосковом исполнении. Ближайшим аналогом НО16-2-20-12Р-12Р является модель 87300B.
Характеристики данных НО приведены в таблице, а графики основных параметров – на рисунке 3.
Во вторую функциональную группу направленных ответвителей попадают НО с воздушным диэлектрическим заполнением. Помимо ЗАО «НПФ «Микран», такие НО предлагает китайская корпорация 41st Institute. Компания Keysight Technologies не продаёт собственные НО с воздушным заполнением, хотя широко применяет их в своей линейке измерительной техники. Воздушный направленный ответвитель представляет собой две связанные прямоугольные линии, подвешенные в канале прямоугольного сечения с воздушным заполнением. Развязанный порт НО нагружается на встроенную согласованную нагрузку. Аналогом НО15-0,5-26-13Р является AV70602, а аналогом НО15-0,5-50-05Р (см. рис. 4) – AV70601.
Характеристики данных НО приведены в таблице, а частотные характеристики направленного ответвителя НО15-0,5-50-05Р – на рисунке 5.
Направленные ответвители НО15-0,5-26-13Р (НО15-0,5-26-03Р) и НО15-0,5-50-05Р имеют схожую между собой конструкцию, так как выполнены с применением связанных прямоугольных линий передачи с воздушным диэлектрическим заполнением. Корпуса покрыты износостойким золотом для улучшения характеристик на СВЧ и имеют крепёжные отверстия для установки устройства в блок прибора.
На корпуса направленных ответвителей при помощи стягивающих винтов устанавливаются коаксиальные фланцевые соединители. У направленного ответвителя НО15-0,5-26-03Р корпус фланцевого соединителя имеет метрическую резьбу М6х0,75-6g, а у НО15-0,5-26-13Р – дюймовую 1/4²-36UNS-2A, что позволяет НО состыковаться как с отечественной, так и с зарубежной аппаратурой. У направленного ответвителя НО15-0,5-50-05Р корпус фланцевого соединителя имеет резьбу M7х0,75-6g.
Гнездовые контакты центральных проводников покрыты износостойким золотом и термообработаны определённым образом, что позволяет достичь отличной стабильности параметров, увеличить ресурс контактов и сделать их менее восприимчивыми к воздействию некачественных ответных частей. Гнездовые контакты центральных проводников в тракте 3,5/1,52 мм имеют «щёточную» конструкцию (патент РФ №122206), что показано на рисунке 6.
При соединении центрального проводника коаксиальной линии с линией связи используется специальный пружинный контакт, обеспечивающий механическую и температурную развязку. Он позволяет получить хорошие характеристики по отражению, температурной стабильности, а также упростить сборку направленного ответвителя.
В конструкции направленных ответвителей с воздушным диэлектрическим заполнением используется сверхширокополосная согласованная нагрузка на основе распределённых резистивных слоёв на микрополосковой плате. Достоинства по сравнению с нагрузками на дискретных элементах и на коаксиальных резисторах: уменьшенные габариты НО и превосходные параметры по согласованию.
Литература
- Радиоизмерительная аппаратура СВЧ и КВЧ. Узловая и элементная базы. Коллективная монография. Под ред. А.М. Кудрявцева. М. Радиотехника. 2006. 208 с. ил.
- Андронов Е.В., Глазов Г.Н. Теоретический аппарат измерений на СВЧ. T.1. Методы измерений на СВЧ. Томск. ТМЛ-Пресс. 2010. 804 с.
- Pozar, David M. Microwave engineering. David M. Pozar. 4th ed. JohnWiley & Sons, Inc. 2012. 756 p.
- Tullio Rozzi, Antonio Morini. Directional couplers. Encyclopedia of Rf and micro-wave engineering. Kai Chang, editor- in-chief. John Wiley&Sons, Inc. 2005. 1076–1085 р.
- Dunsmore, Joel P. Handbook of micro-wave component measurements with advanced VNA techniques. Joel P. Duns- more John Wiley & Sons, Ltd. 2012. 611 p.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
