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 широкополосные, 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:
![1. Квадратурный пополамный делитель 1. Квадратурный пополамный делитель](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/ce4/3de/ddc/ce43deddc23d9fc77186ba01e9d2caba.png)
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.
![2. Пополамный делитель С-диапазона 2. Пополамный делитель С-диапазона](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/6e9/f14/b5a/6e9f14b5a3de15789f51f5e557c2496d.png)
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.
![3. Делитель бегущей волны на 4 выхода S-диапазона 3. Делитель бегущей волны на 4 выхода S-диапазона](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/728/f93/bbd/728f93bbd12529d810d38e12930f8650.png)
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:
![4. Делитель бегущей волны Ku-диапазона на 3 выхода 4. Делитель бегущей волны Ku-диапазона на 3 выхода](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/a97/324/691/a973246914082590ea9235d3e715d241.png)
А вот пример мощного делителя на симметричной линии (внутри там такой же "квадрат").
![5. Пополамный делитель высокой мощности (2 кВт пиковая) Потери 0,1 дБ, КСВ< 1,15, узкая рабочая полоса в S-диапазоне чатот 5. Пополамный делитель высокой мощности (2 кВт пиковая) Потери 0,1 дБ, КСВ< 1,15, узкая рабочая полоса в S-диапазоне чатот](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/3a0/48a/8db/3a048a8db34e0c259863d8faf6fe9307.png)
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.
![5. НО на линиях с боковой связью 5. НО на линиях с боковой связью](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/9f3/a99/9f9/9f3a999f9b945159d8afffd61f50739e.png)
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.
![6. Направленный ответвитель с центральной частотой 3 ГГц 6. Направленный ответвитель с центральной частотой 3 ГГц](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/fbe/c8c/416/fbec8c416cbf668a94337e5c86a11957.png)
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):
![7. Широкополосный НО 7. Широкополосный НО](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/735/7d7/7da/7357d77dabb7bb09555b9f2f64b08f91.png)
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.
![8. Широкополосный НО из статьи авторов Rasool KESHAVARZ, Masoud MOVAHHEDI 8. Широкополосный НО из статьи авторов Rasool KESHAVARZ, Masoud MOVAHHEDI](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/b9a/64f/be1/b9a64fbe159bfad031cf69e3003f6c07.png)
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.
![9. Структура симметричных линий с лицевой связью 9. Структура симметричных линий с лицевой связью](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/bcd/0a0/82f/bcd0a082f84ccf655c5b8523d8eb8d54.png)
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.
![10. Пополамный делитель L-диапазона 10. Пополамный делитель L-диапазона](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/3aa/82e/4a2/3aa82e4a2312be34e5f862be988e94e8.png)
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:
![11. Коллекция покупных SMD мостов 11. Коллекция покупных SMD мостов](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/8a5/2f4/87f/8a52f487f441b9135d6447d0539bdc60.png)
![12. Коллекция покупных SMD мостов 12. Коллекция покупных SMD мостов](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/4fb/b1f/ac8/4fbb1fac89b2d09e02aaed3a5937e943.png)
Делитель Вилкинсона
Wilkinson divider - трёхпортовое устройство.Принципиальная схема:
![13. Общая схема делителя Вилкинсона (картинка с сайта microwaves101) 13. Общая схема делителя Вилкинсона (картинка с сайта microwaves101)](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/0ef/b74/11e/0efb7411e89aac1c8cdd5104dce0cd78.png)
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):
![14. Широкополосный делитель Вилкинсона 14. Широкополосный делитель Вилкинсона](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/0ba/02c/4d9/0ba02c4d92de295eeef6ebbffa536448.png)
А вот пример из Инстаграма моего друга:
![15. Широкополосный делитель Вилкинсона Израильской компании Hypermedia Systems LTD из GSM шлюза 15. Широкополосный делитель Вилкинсона Израильской компании Hypermedia Systems LTD из GSM шлюза](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/30d/d0c/1c9/30dd0c1c972872174bf19e352240a06f.png)
При изменении волновых сопротивлений плечей можно добиться изменения соотношения выходных мощностей (деление будет не пополам).
![16. Не пополамный делитель Вилкинсона 16. Не пополамный делитель Вилкинсона](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/c24/031/52e/c2403152e2b320ab1c4c44f970dee1f2.gif)
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.
![17. Неразвязанный делитель с транформатором 17. Неразвязанный делитель с транформатором](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/32f/f19/c1e/32ff19c1e5bb50cb11045a62c441922e.png)
В целях улучшения характеристик часто прибегают к разным изменениям топологии, например:
![18. неразвязанный делитель 18. неразвязанный делитель](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/15e/5c0/c51/15e5c0c51907302c2935ede8d4a9ab59.png)
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
![19. Гибридное уольцо (картинка из Википедии) 19. Гибридное уольцо (картинка из Википедии)](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/4ab/ca5/ac8/4abca5ac8cd7c4f6a34fd753df0ce3f9.png)
Мост Ланге
Изготовление моста Ланге требует разварки золотых проволок, что доступно далеко не на всех предприятиях. При должной аккуратности можно припаять проволоки из меди, если размеры позволяют.
![20. Мост Ланге 20. Мост Ланге](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/054/d02/c8d/054d02c8d91c06425ae079d34b18ce15.jpeg)
Спасибо за внимание!