Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR Sprzęgacze kierunkowe Sprzęgacz kierunkowy jest czterowrotnikiem składającym się z dwóch prowadnic mikrofalowych sprzężonych tak, że moc sygnału pobudzającego jedne z wrót jest przekazywana do dwóch innych wrót elementu, a czwarte są izolowane (w sensie mikrofalowym). 1 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR 1 2 1 2 3 4 3 4 a) b) Rys. 1. Idea funkcjonowania sprzęgacza kierunkowego a) sprzęgacz typu w przód (z falą postępującą), b) sprzęgacz typu w tył (z falą wsteczną). 2 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR Podstawowe parametry sprzęgaczy kierunkowych (oznaczenia wrót jak na rysunku 1a): - sprzężenie: P1 C = 10 �" lg [dB] (1) P4 - izolacja: P1 I = 10�"lg [dB] (2) P3 - kierunkowość: P4 D = 10�"lg [dB] (3) P3 3 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR gdzie: P1, P3, P4 moce sygnałów we wrotach 1, 3, 4. Pomiędzy powyższymi parametrami istnieje związek: D[dB] = I[dB] - C[dB] (4) 4 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR Sprzęgacze kierunkowe, w których nie zastosowano materiałów o własnościach anizotropowych są elementami odwracalnymi. W związku z tym elementy te mogą być wykorzystywane jako układy rozdziału mocy wraz z odpowiednią modyfikacją faz sygnałów wyjściowych. Mogą być również wykorzystywane jako wektorowe sumatory sygnałów mikrofalowych. 5 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR W tym drugim przypadku, sumowanie odbywa się z uwzględnieniem amplitud i faz sygnałów sumowanych, oraz przy uwzględnieniu (algebraicznym dodaniu) dodatkowego przesunięcia fazy każdego z sygnałów mikrofalowych, wnoszonego przez poszczególne wrota, a raczej przez poszczególne tory, użytego sprzęgacza kierunkowego. 6 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR Dwuotworowy sprzęgacz falowodowy Dwuotworowy sprzęgacz falowodowy składa się z dwóch odcinków falowodów złączonych ze sobą węższymi lub szerszymi ściankami, w których wykonano dwa otwory w odległości ot/4. Gdzie ot jest długością fali w falowodzie odpowiadającą środkowi pasma pracy sprzęgacza kierunkowego. 7 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR 0t d = 4 2 4 1 3 a) aa1 1 2 a2 (ą-180ż) a2 (ą-90ż) 3 4 a2 ą a2 (ą-90ż) b) Rys. 2. Dwuotworowy sprzęgacz falowodowy a) budowa, b) zasada działania. 8 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR Poszerzenie pasma pracy tego typu sprzęgaczy uzyskuje się w ich wersjach wielootworowych. 2 4 1 3 Rys. 3. Sprzęgacz falowodowy wielootworowy. 9 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR Sprzęgacze wykonane w technice linii mikropaskowych Sprzęgacz zbliżeniowy (struktura podstawowa) S = Sb S21 [dB] k Ss = S41 S31 S11 f0 f a) b) Rys. 4. Sprzęgacz zbliżeniowy w technice NLP a) struktura (szkic widoku od strony ścieżek), b) charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowe. 10 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR Rys. 5. Sprzęgacz zbliżeniowy wykonany w technice NLP (widok od strony ścieżek). 11 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR Zasada działania sprzęgacza zbliżeniowego. Idea działania sprzęgacza zbliżeniowego oparta jest na wzajemnym oddziaływaniu na siebie położonych równolegle szeregowych indukcyjności linii sprzężonych oraz na przenikaniu sygnału poprzez pojemności, jakie powstają pomiędzy tymi liniami, gdyż linie te leżą blisko siebie (rys. 4a i 5.). W środku pasma podstawowego (częstotliwość f0), długość elektryczna obszaru sprzężenia wynosi 90�. Transmitancje do wrót bezpośrednich i sprzężonych sprzęgacza idealizowanego opisane są zależnościami: 12 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR 2 1- k S21 = Sb = (5) 2 1- k �" cos� + j �" sin� oraz j �" k �" sin� S41 = Ss = (6) 2 1- k �" cos� + j �" sin� f f Ą f gdzie: � = �( f = f0 )�" = �0 �" = �" (7) f0 f0 2 f0 k współczynnik sprzężenia (w mierze liniowej, [V/V]), � długość elektryczna obszaru sprzężenia, f0 środkowa częstotliwość pasma pracy sprzęgacza. 13 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR W sprzęgaczu przedstawionym na rysunku 4a, w przypadku pobudzania wrót 1, wrota 2 nazywane są wrotami bezpośrednimi, wrota 4 wrotami sprzężonymi, a wrota 3 są wrotami izolowanymi. W oparciu o zależności (5) i (6) można wykazać, że sygnał we wrotach bezpośrednich będzie w szerokim pasmie częstotliwości przesunięty w fazie o -90� względem sygnału występującego we wrotach sprzężonych. Sprzęgacze kierunkowe o takich właściwościach nazywa się kwadraturowymi. Z uwagi na tory rozpływu sygnału, sprzęgacz zbliżeniowy należy do grupy sprzęgaczy typu wstecz ( w tył ) z falą wsteczną. 14 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR Sprzęgacz kierunkowy Lange a (struktura międzypalczasta) Struktura klasyczna (rys. 4a) w praktyce nie pozwala, w zasadzie, na uzyskiwanie sprzężeń silniejszych niż około 10 dB. Możliwości takie zapewnia struktura międzypalczasta zaproponowana przez Lange a. Jedną z wersji sprzęgacza Lange a przedstawiono na rysunku 6. 15 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR a) b) Rys. 6. Sprzęgacz kierunkowy Lange a (technologia NLP, widok od strony ścieżek). 16 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR Rys. 7. Widok struktury międzypalczastej sprzęgacza kierunkowego Lange a (technologia NLP, widok od strony ścieżek, szerokość pojedynczej ścieżki = 0.3 mm, odstęp pomiędzy ścieżkami = 0.06 mm). Charakterystyki częstotliwościowe sprzęgacza Lange a również można opisać zależnościami (5) i (6). 17 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR Sprzęgacz pierścieniowy o obwodzie 3/2 Rys. 10. Sprzęgacz pierścieniowy o obwodzie 3/2 , (szkic, technologia NLP, widok od strony ścieżek). 18 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR Zasada działania sprzęgacza pierścieniowego o obowodzie 3/2 . Przypadek 1: Sygnał doprowadzany jest do wrót 1 (oznaczenia zgodnie z rysunkiem 10). Przypadek 2: Sygnał doprowadzany jest do wrót 4 (oznaczenia zgodnie z rysunkiem 10). 19 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR Dzięki właściwościom sprzęgacza pierścieniowego o obwodzie 3/2 opisanych w obydwu powyższych przypadkach, sprzęgacz ten może być wykorzystywany jako układ rozdziału mocy dostarczający w swoich wrotach wyjściowych dwa sygnały synfazowe lub antyfazowe. Ponadto, jeżeli dwa sygnały mikrofalowe zostaną podane do wrót 3 oraz 1 (te wrota są wzajemnie izolowane dla sygnałów mikrofalowych) sprzęgacza pierścieniowego o obwodzie 3/2 to w jego wrotach 4 otrzyma się sumę wektorową sygnałów z wrót 1 i 3, a we wrotach 2 uzyska się wektorową różnicę sygnałów pobudzających wrota 1 i 3. 20 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR a) b) S21 S34 S S [dB] [dB] S14 S41 S44 S11 S24 S31 f0 f0 f f Rys. 11. Charakterystyki amplitudowo częstotliwościowe sprzęgacza pierścieniowego o obwodzie 3/2 , a) sygnał wejściowy podawany do wrót 1, b) sygnał wejściowy podawany do wrót 4. 21 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR Poziom sprzężenia sprzęgacza o obwodzie 3/2 jest zdeterminowany relacjami pomiędzy wartościami impedancji Z0, Z1 i Z2. Sprzężenie C=3dB uzyskuje się wówczas, gdy spełniony jest warunek: Z1 = Z2 = 2 �" Z0 (10) 22 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR W takich warunkach, w środku pasma pracy transmitancje pomiędzy poszczególnymi wrotami sprzęgacza mogą być scharakteryzowane poniższymi związkami: 1 S21 = S12 = -S41 = -S14 = (11) 2 S11 = S22 = S33 = S31 = S13 = 0 (12) oraz 1 S41 = S14 = S34 = S43 = (13) 2 S42 = S24 = 0 (14) 23 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR Rys. 12. Sprzęgacz pierścieniowy o obwodzie 3/2 , (technologia NLP, widok od strony ścieżek). 24 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR Sprzęgacz gałęziowy (dwugałęziowy) S [dB] S41 S21 S11 S31 f0 f a) b) Rys. 16. Sprzęgacz dwugałęziowy (wariant A), (technologia NLP, widok od strony ścieżek), a) szkic struktury dla Z1=Z0, Z2amplitudowo częstotliwościowe. 25 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR Sygnał wypadkowy otrzymany we wrotach 4 będzie opózniony w fazie o 90� w stosunku do sygnału wypadkowego we wrotach 2. Z uwagi na taką relację fazową sygnałów wyjściowych (różnica faz wynosi 90�), sprzęgacz dwugałęziowy jest zaliczany, podobnie jak sprzęgacz zbliżeniowy, do kierunkowych sprzęgaczy kwadraturowych. Użyteczne pasmo pracy sprzęgaczy dwugałęziowych jest węższe niż pasmo sprzęgaczy zbliżeniowych. 26 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR W sprzęgaczach dwugałęziowych sprzężenie C=3 dB i wymagane dopasowanie oraz izolację odpowiednich wrót można uzyskać dla dwóch kombinacji impedancji poszczególnych gałęzi: - wariant A: 1 Z1 = Z0 oraz Z = �" Z0 (19) 2 2 - wariant B: Z1 = 2 �" Z0 oraz Z2 = Z0 (20) 27 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR S [dB] S41 S21 S11 S31 f0 f a) b) Rys. 17. Sprzęgacz dwugałęziowy (wariant B), (technologia NLP, widok od strony ścieżek), a) szkic struktury dla Z1>Z0, Z2=Z0, b) charakterystyki amplitudowo częstotliwościowe. 28 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR W obydwu wariantach moc sygnału doprowadzanego do wrót 1 dzielona jest pomiędzy wrota 2 i 4, a ponadto sygnał we wrotach 4 będzie opózniony w fazie o 90� w stosunku do sygnału we wrotach 2. Izolowanymi (w sensie mikrofalowym) będą wrota 3. 29 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR Rys. 20. Widok sprzęgacza dwugałęziowego w wersji B, (technologia NLP, widok od strony ścieżek). 30 AKR Temat: MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE. SPRZGACZE KIERUNKOWE. AKR Sprzęgacze kierunkowe są stosowane w celu odsprzężenia (odprowadzenia) części mocy sygnału mikrofalowego z toru głównego. Tego typu podzespoły mogą być również wykorzystane, podobnie jak dzielniki mocy, jako elementy rozdziału mocy lub też jako wektorowe sumatory sygnałów mikrofalowych. Sumowanie w tym przypadku, będzie odbywało się z uwzględnieniem amplitud i faz sumowanych sygnałów oraz modułów i argumentów odpowiednich wyrazów macierzy rozproszenia zastosowanego sprzęgacza kierunkowego. 31 AKR