Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE.
SPRZ
GACZE 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 sÄ… izolowane (w sensie
mikrofalowym).
1 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE.
SPRZ
GACZE 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.
SPRZ
GACZE KIERUNKOWE.
AKR
Podstawowe parametry sprzęgaczy kierunkowych
(oznaczenia wrót jak na rysunku 1a):
- sprzężenie:
P1
C = 10 Å" lg [dB] (1)
P4
- izolacja:
P1
I = 10Å"lg [dB] (2)
P3
- kierunkowość:
P4
D = 10Å"lg [dB] (3)
P3
3 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE.
SPRZ
GACZE 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.
SPRZ
GACZE KIERUNKOWE.
AKR
Sprzęgacze kierunkowe, w których nie zastosowano
materiałów o własnościach anizotropowych są
elementami odwracalnymi. W zwiÄ…zku 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.
SPRZ
GACZE KIERUNKOWE.
AKR
W tym drugim przypadku, sumowanie odbywa siÄ™
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.
SPRZ
GACZE 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.
SPRZ
GACZE 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.
SPRZ
GACZE KIERUNKOWE.
AKR
Poszerzenie pasma pracy tego typu sprzęgaczy
uzyskuje siÄ™ w ich wersjach wielootworowych.
2
4
1
3
Rys. 3. Sprzęgacz falowodowy wielootworowy.
9 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE.
SPRZ
GACZE 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.
SPRZ
GACZE KIERUNKOWE.
AKR
Rys. 5. Sprzęgacz zbliżeniowy wykonany w technice NLP (widok
od strony ścieżek).
11 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE.
SPRZ
GACZE 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),
dÅ‚ugość elektryczna obszaru sprzężenia wynosi 90°.
Transmitancje do wrót bezpośrednich i sprzężonych
sprzęgacza idealizowanego opisane są zależnościami:
12 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE.
SPRZ
GACZE KIERUNKOWE.
AKR
2
1- k
S21 = Sb = (5)
2
1- k Å" cos¸ + j Å" sin¸
oraz
j Å" k Å" sin¸
S41 = Ss = (6)
2
1- k Å" cos¸ + j Å" sin¸
f f Ä„ f
gdzie: ¸ = ¸( f = f0 )Å" = ¸0 Å" = Å" (7)
f0 f0 2 f0
k  współczynnik sprzężenia (w mierze liniowej, [V/V]),
¸  dÅ‚ugość elektryczna obszaru sprzężenia,
f0  środkowa częstotliwość pasma pracy sprzęgacza.
13 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE.
SPRZ
GACZE 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 czÄ™stotliwoÅ›ci przesuniÄ™ty 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
wstecznÄ….
14 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE.
SPRZ
GACZE 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.
SPRZ
GACZE KIERUNKOWE.
AKR
a) b)
Rys. 6. Sprzęgacz kierunkowy Lange a (technologia NLP,
widok od strony ścieżek).
16 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE.
SPRZ
GACZE 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.
SPRZ
GACZE 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.
SPRZ
GACZE 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.
SPRZ
GACZE 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 siÄ™ sumÄ™
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.
SPRZ
GACZE 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.
SPRZ
GACZE 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 Å" Z0 (10)
22 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE.
SPRZ
GACZE KIERUNKOWE.
AKR
W takich warunkach, w środku pasma pracy
transmitancje pomiędzy poszczególnymi wrotami
sprzęgacza mogą być scharakteryzowane poniższymi
zwiÄ…zkami:
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.
SPRZ
GACZE KIERUNKOWE.
AKR
Rys. 12. Sprzęgacz pierścieniowy o obwodzie 3/2 ,
(technologia NLP, widok od strony ścieżek).
24 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE.
SPRZ
GACZE 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.
SPRZ
GACZE KIERUNKOWE.
AKR
Sygnał wypadkowy otrzymany we wrotach 4 będzie
opóz
niony w fazie o 90° w stosunku do sygnaÅ‚u
wypadkowego we wrotach 2. Z uwagi na takÄ… relacjÄ™
fazowÄ… sygnałów wyjÅ›ciowych (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.
SPRZ
GACZE KIERUNKOWE.
AKR
W sprzęgaczach dwugałęziowych sprzężenie C=3 dB
i wymagane dopasowanie oraz izolacjÄ™ odpowiednich
wrót można uzyskać dla dwóch kombinacji impedancji
poszczególnych gałęzi:
- wariant A:
1
Z1 = Z0 oraz Z = Å" Z0 (19)
2
2
- wariant B:
Z1 = 2 Å" Z0 oraz Z2 = Z0 (20)
27 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE.
SPRZ
GACZE 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.
SPRZ
GACZE 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 opóz
niony w fazie o 90°
w stosunku do sygnału we wrotach 2. Izolowanymi
(w sensie mikrofalowym) będą wrota 3.
29 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE.
SPRZ
GACZE KIERUNKOWE.
AKR
Rys. 20. Widok sprzęgacza dwugałęziowego w wersji B,
(technologia NLP, widok od strony ścieżek).
30 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY BIERNE.
SPRZ
GACZE 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