немного об авторе
Привет! Меня зовут Олеся, я разрабатываю СВЧ устройства. Я уже два года веду блог в Инстаграме. В мою работу входит всё от поиска статей и моделирования до сборки и настройки готового устройства. На Хабре я делюсь тонкостями и своим опытом по части СВЧ разработки. Также у меня есть маленькая группа в ВК, там я пишу небольшие заметки, которые по моему мнению не подходят под формат Хабра. Автор этой статьи leka_engineer , ищите меня на Хабре и в Инстаграме
Введение и классификация
В этой статье я расскажу о разных типах мостов-делителей-направленников на примере своих разработок. В статье приведу также несколько других схем и топологий, которые мне пока не приходилось использовать.
По области использования делители можно разделить на лабораторные (с коаксиальными выводами) и drop-in исполнения или SMD, то есть для использования где-то в модуле, с последующим соединением выводов с полоском на печатной плате. Кроме того , как любые другие СВЧ устройства делители можно классифицировать по рабочим диапазонам частот, а также по ширине рабочей полосы. Лабораторные НО (далее я буду писать НО, так как 3дБ делитель - чаще всего частный случай направленного ответвителя) обычно довольно широко��олосные, это удобно, так как можно купить одно устройство надолго и под разные проекты. НО для применения в СВЧ схемах чаще выбирают узкополосные, под рабочую полосу конкретного изделия. Очевидно, что уровень потерь в узконастроенном НО будет меньше, как и уровень КСВ. Другая классификация - по мощности входного сигнала. При входной мощности примерно от 500 Вт требуются другие подходы к проектированию. У меня в коллекции как раз есть несколько особенно высокомощных НО. И последнее: по разности фаз между выходами можно разделить НО на квадратурные (90 град), противофазные (180 град), синфазные (0 град) и кастомные.
Гибридный мост
Самый простой тип делителя, которые наверняка многие помнят с лекций - квадратурный шлейфный мост. Выглядит как квадрат (но не поэтому называется квадратурным) с разной шириной сторон. Был придуман в далёких 60-х и до сих пор активно применяется. Вариант на 3 дБ (то есть пополамный делитель) представлен на рисунке ниже:
Z0 обычно равно 50 Ом, тогда верхнее и нижнее плечи - по 35 Ом, а боковые по 50. Мост имеет вход и два выхода (или два входа и один выход, если рассматривать его как сумматор). Устройство взаимное и симметричное, то есть условно входом может быть любой порт. В общем случае ширины плеч могут быть рассчитаны на любое деление.
Самая простая реализация - на микрополосковых линиях.
На картинке ниже мой пример делителя на 4 выхода, состоящего из 3 квадратурных мостов. Только третий - пополамный, остальные рассчитаны так, чтобы на всех четырёх выходах была одинаковая амплитуда.
Одно из преимуществ такого типа делителей - не обязательно количество выходов равно степени 2. Вот, например, такого же типа на на 3 выхода, другой диапазон и в закрытом корпусе:
А вот пример мощного делителя на симметричной линии (внутри там такой же "квадрат").
НО на линиях с боковой связью
Ещё один тип "двумерных" делителей и направленников - устройства на базе линий с боковой связью. Известно, что микрополосковая линия создает вокруг себя электромагнитное поле, если другой полосок будет достаточно близко, по нему начнёт протекать ток.
W0- ширина линии, обычно должна соответствовать 50 Ом. Длина L - четверть длины волны в материале. Ширина W в общем случае равна W0. Если принять порт 1 за вход, порт 3 будет называться выходом (through), порт 2 ответвленным плечом (coupled), порт 4 изолированным плечом (isolated). На порт 4 обычно ставят согласованную нагрузку. Такие устройства чаще всего делают на ответвление (величина части мощности, ответвленная в плечо 2) от 10 дБ и больше, так как для меньших значений ответвления будет необходим слишком маленький зазор S (который определяет величину ответвления), который технологически невозможно реализовать.
На фотографии ниже пример такого НО.
ссылка на фотографии с измерениями
Длина области связи такого НО равна четверти длины волны, и поэтому такой устройство довольно узкополосное. В целях расширения рабочей полосы частот делают такой вариант (как бы ступеньки):
ссылка на источник картинки
Ещё пример расширения рабочей полосы показан в статье A Compact and Wideband Coupled-Line Coupler with High Coupling Level Using Shunt Periodic Stubs.
Автор этой статьи leka_engineer , ищите меня на habr.com и в Инстаграме
НО на линиях с лицевой связью
В данном случае для реализации устройства необходима более сложная структура, чем просто печатная плата. Геометрия описывается следующими параметрами: Н- общая толщина, W-ширина полосков (обычно 50 Ом), S-расстояние между линиями, Wo -оффсет, то есть смещение, Т- толщина металлизации. Сверху и снизу -экран (земля). Коэффициент ответвления настраивается двумя параметрами - S и Wo.
В моей коллекции есть такой мост drop-in исполнения. В центре сам НО, к нему подведены маленькие платы с микрополосковыми линиями, всё это помещено в коробку с коаксиальными разъёмами и установлен резистор на изолированный выход.
больше фотографий в моём посте в Инстаграме
На линиях с лицевой связью сделаны все (мне известные) мосты SMD исполнения. У меня нет своих разработок делителей поверхностного монтажа, но есть коллекция покупных:
Делитель Вилкинсона
Wilkinson divider - трёхпортовое устройство.Принципиальная схема:
В случае Zo=50 Ом, линии будут равны 50*1,41= 70,5 Ом, резистор 100 Ом. Как и в случае с НО на линиях с боковой связью, из-за наличия четвертьволнового отрезка, такие делители узкополосные. Расширить полосу можно каскадированием.
Пример из моей коллекции (параметры можно посомтреть в этом посте):
А вот пример из Инстаграма моего друга:
При изменении волновых сопротивлений плечей можно добиться изменения соотношения выходных мощностей (деление будет не пополам).
Другие типы НО
Неразвязанный делитель.
Казалось бы, почему нельзя просто сделать полосок и к нему два полоска? И вроде очевидно, что в СВЧ технике так не работает, но на самом деле можно, просто КСВ выходов будет высоким.
Главное - не забыть вставить трансформатор. Ведь если вход 50 Ом, и необходима получить два выхода на 50 Ом, то в точке разветвления будет 25 Ом, так что необходим трансформатор с 50 на 25 Ом.
В целях улучшения характеристик часто прибегают к разным изменениям топологии, например:
Такой делитель, очевидно, можно рассчитать на любые выходные сопротивления, но он будет не пополамный. В данном случае бо́ льшая часть мощности будет направлена в плечо с ме́ньшим сопротивлением.
Гибридное кольцо
Мост Ланге
Изготовление моста Ланге требует разварки золотых проволок, что доступно далеко не на всех предприятиях. При ��олжной аккуратности можно припаять проволоки из меди, если размеры позволяют.
Спасибо за внимание!