На 1 страницу

         

Диаграмма Смита

  Touchstone

MMICAD

MMICAD LAYOUT

  Microwave Office

 LIBRA

Aplac

Sonnet

HFSS

 

Serenade

 

Harmonica

 

MOMENTUM

 

Microwave Explorer

 

Series IV

Уравнения Максвелла  

Ряды Вольтерра  

  Метод моментов

  Динамический диапазон

  Мощность насыщения

Шумы  

 

ЛЕКЦИЯ 14

                            МНОГОПОЛЮСНИКИ СВЧ

Многополюсником СВЧ называют любую комбинацию проводников, диэлектриков, транзисторов и любых других активных и пассивных элементов, имеющую несколько входов (портов) в виде поперечных сечений линий передачи с заданными типами волн в каждой линии. Сечения входов называются плоскостями отсчета фаз.

Матричное описание многополюсников

Матрицы многополюсника определяют связь между электрическими режимами его входов. Режимы в плоскостях отсчета фаз могут быть описаны как в терминах напряжений падающих и отраженных волн это волновой подход, так и в терминах напряжений и токов это классический подход, аналогичный принятому в теории классических НЧ цепей.

Примеры многополюсников СВЧ

Y - разветвление применяется для деления мощности сигнала на два канала или для суммирования мощностей двух сигналов. Это устройство имеет три входных канала, или порта и описывается матрицей трехпортовой схемы, или как принято в нашей литературе, матрицей шестиполюсника.

Рис.14.2. Направленный ответвитель: a) общая схема; б) обозначение

Направленный ответвитель - широко применяемое устройство СВЧ, обладающее способностью делить сигнал в нужном соотношении и обеспечивать развязку этих выходов, или, наоборот, складывать мощности сигналов двух генераторов и обеспечивать развязку этих генераторов. Используется в балансных смесителях, усилителях, делителях и сумматорах мощности, в измерительной аппаратуре. Описывается матрицей восьмиполюсника.

 Рис. 14.3. Двойной Т-мост (магический мост)

Используется для построения антенных переключателей, направленных ответвителей, систем развязки волноводных трактов. Описывается матрицей восьмиполюсника (четыре порта).

Рис. 14. 4. Щелевой мост и метод его расчета: а – общая схема; б – четырехполюсник антисимметричного возбуждения; в четырехполюсник симметричного возбуждения

Рис. 5. Структурная схема двух- и трехшлейфного квадратных мостов (а) и пример используемых конфигураций таких мостов на полосковых или микрополосковых линиях (б).

Метод симметричного и антисимметричного возбуждения

Если устройство имеет хотя бы одну плоскость симметрии, то матрица его симметричная и записывается в виде:

                                                          (14.1)

 Таким образом, для составления полной матрицы рассеяния симметричного многополюсника требуется две квадратные матрицы S1 и S2 вдвое меньшего порядка.

При нахождении матриц S1 и S2 используется то обстоятельство, что при симметричном или антисимметричном (симметричном по величине и противоположном по фазе) воздействиях на многополюсник через плоскость симметрии не передается мощность, поэтому эти части разделимы и возможно их анализировать раздельно.

Пример симметричного (четного) и антисимметричного (нечетного) возбуждений

Наличие у элемента СВЧ геометрической симметрии, как в случае связанных полосковых линий, позволяет применить метод четного (симметричного) и нечетного (асимметричного) возбуждения.

При симметричном и антисимметричном возбуждении не происходит передача мощности через ось симметрии.

При симметричном воздействии на многополюсник, в плоскости симметрии устанавливается пучность (максимум) тангенциального электрического поля и нуль тангенциального магнитного поля.

При произвольном антисимметричном (или противофазном на двух половинах многополюсника) воздействии на многополюсник в плоскости симметрии устанавливается нуль тангенциального электрического поля и пучность тангенциального магнитного поля.

Поэтому многополюсник, обладающий осями симметрии, может быть разделен на одинаковые и несвязанные друг с другом части схемы, которые анализируются отдельно.

Матрицы рассеяния этих несвязанных частей находят путем электрического расчета, а матрица рассеяния всего многополюсника составляется как

                                                                                                 (14.2),

где S1 -матрица ЧП, на который делится восьмиполюсник по оси симметрии.

На основании метода суперпозиции матриц (симметричное возбуждение) и (асимметричное возбуждение) имеет место:

                                                            (14.3)

(Эти выражения получены из принципа суперпозиции, и из (14.3) имеем:

                 и ).
Для примера ниже эти матрицы уже матрицы четырехполюсника. 


Суммарное возбуждение симметричных связанных линий

Рис. 14.6. При нечетном возбуждении к зажимам 1 и 2 подключаются противофазные напряжения, при четном возбуждении на те же зажимы подаются синфазные напряжения

Характеристическое сопротивление одной из этих полосок по отношению к земле при нечетном возбуждении будет Z oe, в то время как характеристическое сопротивление полоски относительно земли при четном возбуждении равно Zoo.

Если матрицы рассеяния в режиме симметричного S+ и в режиме антисимметричного S- возбуждения найдены путем электрического расчета, то искомые блоки S 1 и S 2 вычисляются в виде суперпозиции матриц S + и S- :

                                                 (14.4)

Пример. Волноводный щелевой мост

Рис. 14.7. Волноводный щелевой мост: а) общая схема; б) четырехполюсник
антисимметричного возбуждения; в) четырехполюсник симметричного возбуждения.

Воспользуемся симметрией относительно продольной плоскости, проходящей через общую стенку волновода.

Нахождение матрицы рассеяния четырехполюсника при антисимметричном возбуждении S-.

Этот случай соответствует анализу четырехполюсника при мысленном затягивании отверстия связи идеальной электрической плоскостью (рис. 7 б). Матрица рассеяния этого отрезка регулярного прямоугольного волновода имеет вид:

                    ,                                 (14.5)

где - фазовая задержка при распространении основной волны прямоугольного волновода на участке протяженностью l+2D от плоскости отсчета входа 1 до плоскости отсчета входа 2;

длина волны H10 в прямоугольном волноводе шириной а.

Нахождение матрицы рассеяния четырехполюсника при симметричном (синфазном) возбуждении S+.

Четырехполюсник симметричного режима получается при мысленном затягивании отверстия связи идеальной магнитной плоскостью. Его матрица S+ имеет вид

и находится строгим анализом уравнений Максвелла.

Из этого анализа следует, что r » 0, , где фазовая задержка в режиме синфазного режима j + отличается от задержки в противофазном режиме j - отличается на дополнительное слагаемое D j , связанное с укорочением длины волны в волноводе на участке длиной l из-за граничного условия Ht =0:

, где ,                (14.6)

где , поскольку в среднем отрезке распространяется

только низшая волна Н типа в волноводе с удвоенной шириной 2a.

Таким образом, матрица рассеяния четырехполюсника синфазного режима принимает вид

        .         (14.7)

Матрица восьмиполюсника

Подставляя матрицы четырехполюсников симметричного и антиметричного режимов в общие формулы, находим матрицу рассеяния восьмиполюсника

     (14.8)

Этот восьмиполюсник является направленным ответвителем.

При выборе участка связи l, обеспечивающей фазовый сдвиг между коэффициентами передачи симметричного и антисимметричного возбуждения D j =p /2, направленный ответвитель обеспечивает равное деление мощности, подаваемой на любой из его входов, и в этом случае рассматриваемое устройства называется щелевым мостом. Щелевой мост осуществляет деление мощности с квадратурным фазовым сдвигом в выходных плоскостях отсчета фаз.

Если осуществить перенумерацию входов 1® 1, 2® 3, 3® 2, 4® 4, матрица рассеяния щелевого моста принимает каноническую форму направленного ответвителя:

                      (14.9).

 

 

 

Если Вы хотите получить полное описание программы на русском языке, пошлите e-mail по адресу kurushin@mail.ru.
© 2000 СВЧ проектирование
Последняя модификация: августа 03, 2000