Łącznik kierunkowy

Łącznik kierunkowy RF z trzema portami. Od lewej do prawej: wejście, przyłącze pomiarowe dla wału prowadzącego, przyłącze izolacyjne, zakończone opornikiem obciążeniowym i wyjście

Symetryczny rozdzielacz mocy, tłumienie 3 dB

Sprzęgacz kierunkowy Angielski sprzęgacz kierunkowy liczy się i ma specjalny kształt, aby również dzielnik mocy Angielski rozdzielacz mocy lub działanie odwrotne Angielski sumator mocy to elementy pasywne elektrycznie w dziedzinie technologii wysokiej częstotliwości , które służą jako fala kierowana do odprowadzania lub opisywania mocy elektromagnetycznej ze struktury przewodnika - lub do pary. W przypadku idealnego sprzęgacza kierunkowego sprzężenie to jest ściśle selektywne w zależności od kierunku, w którym fala przechodzi przez sprzęgacz.

Zastosowania są między innymi w dziedzinie technologii pomiarów elektrycznych, takich jak analizatory sieci lub technologia anten, na przykład do wyznaczania współczynnika fali stojącej . Dalsze zastosowania obejmują rozdzielanie mocy we wzmacniaczach wysokiej częstotliwości lub, w zakresie niskich częstotliwości, separację odbieranych i przesyłanych sygnałów audio w postaci obwodów hybrydowych oraz w obrazowaniu klinicznym za pomocą tomografii rezonansu magnetycznego (MRT) .

Struktura techniczny zależy w dużym stopniu od zakresu częstotliwości: Dla częstotliwości do kilku MHz, zatężono podzespoły elektroniczne, takie jak transformatory i kondensatory w postaci mostka są stosowane od kilku 100 MHz do kilku 10 GHz, tak zwanych łączników linii, na przykład w elektrycznych obwodów stosuje z linii paskowych . Ponadto stosowane są kombinacje falowodów aż do górnego zakresu technicznie stosowanych częstotliwości w zakresie kilku THz .

Opis funkcji

Dwa symbole sprzęgaczy kierunkowych

Symetryczny dzielnik mocy

Warunki na sprzęgaczach kierunkowych są symbolicznie opisane przez kilka bramek, z których każda zawiera falę wchodzącą do określonej bramki i falę odbitą od tej bramy . Aby rozróżnić poszczególne wały, co jest równoznaczne z wydajnością , numer przewężki jest również podawany jako indeks. Współczynniki transmisji lub sprzężenia między falami przychodzącymi i odbitymi na bramce oraz falami przesyłanymi między poszczególnymi bramkami są wyrażane przez parametry rozpraszania w postaci macierzy . Elementy tej macierzy reprezentują czynniki, za pomocą których fale są odbijane lub przesyłane. ${\ displaystyle a}$${\ displaystyle b}$

W pierwszym rysunku naprzeciwko dwóch różnych kierunków symbole łącznik z czterech do trzech portów pokazano, które są znakowane z P _n . W pierwszym przypadku z czterema portami istnieje połączenie w głównej gałęzi między P ₁ do P ₂ lub P ₃ do P ₄ . Ponadto fala docierająca do bramki P ₂ jest sprzężona z wyjściem P ₄ , a fala docierająca do P _{1 jest} również wysyłana do bramki P ₃ ; te gałęzie sprzężenia są oznaczone skrzyżowanymi strzałkami pośrodku. Kształt ten odpowiada symetryczny kształt przedniego łącznika z czterech portów. Ponadto istnieją również tyłu sprzęgające, w których znajdują gałęzi sprzężenia między P ₁ i P _4, albo pomiędzy P ₂ i P ₃ . Sprzęgacze wsteczne są stosowane między innymi w analizatorach sieci .

Symetryczny kształt sprzęgu wyprzedzającego z czterema portami można przekształcić w sprzęgacz kierunkowy z trzema portami przez wewnętrzne zakończenie portu P ₄ z impedancją linii , wartościami takimi jak 50  Ω , jak pokazano na poniższym symbolu. Ta czwarta, wewnętrznie zamknięta brama nie jest już pokazywana w symbolu. Funkcja jest zredukowana do funkcji rozgałęźnika mocy: Fala docierająca do portu P ₁ jest kierowana do obu portów wyjściowych P ₂ i P _3, a tym samym dzielona między dwa wyjścia w określonym stosunku. Dzięki idealnemu łącznikowi żadna moc nie jest tracona z powodu strat cieplnych lub promieniowania, co oznacza, że ​​całkowita moc na dwóch portach wyjściowych musi odpowiadać dostarczanej mocy. W tym przykładzie fala na porcie P ₃ jest tłumiona przez współczynnik sprzężenia wynoszący −10  dB ; ścieżka górna ma asymetrycznie wyraźnie niską tłumienność wtrąceniową, nieco poniżej ok. 0,5 dB. Zastosowania to m.in. B. z urządzeniami pomiarowymi, w których tylko niewielka część mocy przesyłanej między portami 1 i 2 jest odłączana na porcie 3 i przesyłana do urządzenia pomiarowego, takiego jak analizator widma .

Poprzez dobór parametrów sprzęgacz kierunkowy może działać również jako symetryczny rozdzielacz mocy, jak pokazano na sąsiednim rysunku. W przypadku symetrii przychodząca fala na bramkę 1 jest równomiernie rozłożona na oba wyjścia, co odpowiada zmniejszeniu mocy o połowę, co odpowiada tłumieniu o 3 dB w każdej ścieżce. Jeśli symetryczny rozdzielacz mocy działa w odwrotnym kierunku, moc dwóch wejść P ₂ i P ₃ jest wyprowadzana razem w porcie P ₁ . W tym przypadku istnieje sumator mocy, który, na przykład w większych systemach transmisji, łączy wysoką częstotliwość generowaną przez poszczególne stopnie wzmacniacza we wspólny sygnał antenowy.

parametr

Sprzęgacze kierunkowe opisywane są różnymi parametrami, które również określają zastosowanie. Ponieważ wszystkie parametry sprzęgacza są zależne od częstotliwości , sprzęgacze kierunkowe o dużej szerokości pasma są większe i bardziej skomplikowane w produkcji. W przypadku sprzęgaczy wysokiej częstotliwości impedancje falowe wynoszą zwykle 50 Ω, w przypadku telewizji kablowej i satelitarnej 75 Ω. Usługa jest zdefiniowana w głównej gałęzi. Innym parametrem przy wyższych mocach jest wytrzymałość dielektryczna łącznika.

Ponadto sprzęgacze są opisane przez typowe współczynniki transmisji, które wyrażają stosunki mocy między różnymi portami. Współczynniki są zwykle podawane w formie logarytmicznej w decybelach (dB).

Współczynnik sprzężenia

Współczynnik sprzężenia C określa wartość, z jaką udział mocy głównej gałęzi jest przenoszony na gałąź sprzęgającą. Na przykładzie symetrycznego łącznika kierunkowego do przodu jeden z dwóch współczynników sprzężenia jest określony wzorem:

${\ Displaystyle C_ {3,1} = 10 \ log {\ lewo ({\ Frac {P_ {3}} {P_ {1}}} \ prawej)} \ quad {\ rm {dB}}}$

Zwykle ustalone wartości współczynnika sprzężenia wynoszą −10 dB, −20 dB lub −30 dB. Sprzęgacze kierunkowe z mechanicznie zmiennymi współczynnikami sprzężenia są również powszechne w zastosowaniach w górnym zakresie mocy; pozwala to na obniżenie współczynników sprzężenia poniżej -60 dB.

Utrata wtrąceniowa

Związek między współczynnikiem sprzężenia a tłumiennością

Tłumienność L wskazuje na zmianę poziomu od wejścia do wyjścia głównej gałęzi. Uwzględnia się również straty spowodowane sprzężeniem; określa się to jako tłumienie sprzężenia. Zatem sprzęgacz 6 dB ma co najmniej 1,3 dB, a sprzęgacz 10 dB co najmniej 0,5 dB tłumienności. Na przykładzie symetrycznego łącznika kierunkowego tłumienność wtrąceniową w gałęzi głównej jest określona wzorem:

${\ Displaystyle L_ {i2,1} = - 10 \ log {\ lewo ({\ Frac {P_ {2}} {P_ {1}}} \ prawo)} \ quad {\ rm {dB}}}$

Tłumienie sprzęgła jest określone przez:

${\ Displaystyle L_ {c2,1} = - 10 \ log {\ lewo (1 - {\ Frac {P_ {3}} {P_ {1}}} \ prawo)} \ quad {\ rm {dB}}}$

Powyższe zależności odnoszą się do idealnych sprzęgaczy kierunkowych i, w dobrym przybliżeniu, do rzeczywistych sprzęgaczy kierunkowych. W przypadku rzeczywistych sprzęgaczy występują dodatkowe straty, takie jak straty dielektryczne , które są wyrażane w nagrzewaniu, i niepożądane odbicia w punktach przejścia. Ponieważ suma mocy wyjściowej musi być taka sama jak moc dostarczona, idealny sprzęgacz kierunkowy bez dodatkowych strat skutkuje prostą zależnością między współczynnikiem sprzężenia a tłumiennością, jak pokazano na schemacie po prawej stronie. Obowiązuje zasada: im mniejsza wielkość współczynnika sprzężenia, to znaczy im mniejsza jest pobierana moc, tym mniejsza jest wielkość strat wtrąceniowych w głównej gałęzi. W poniższej tabeli relacje są wymienione jako odpowiadające im wartości liczbowe:

izolacja

Izolacja I symetrycznym sprzęgacz kierunkowy do przodu jest głównie niepożądany przesłuch z wejściowych portu P ₁ bezpośrednio do portu wyjściowego P ₄ , gdy dwa inne otwory P ₂ i P ₃ zakończone są impedancji linii i występują żadne odbicia. Izolacja jest wtedy podawana jako:

${\ Displaystyle I_ {4,1} = - 10 \ log {\ lewo ({\ Frac {P_ {4}} {P_ {1}}} \ prawo)} \ quad {\ rm {dB}}}$

Podobnie izolacja jest określana jako lustrzane odbicie dwóch pozostałych portów, jeśli dwa porty P ₁ i P ₄ są zakończone impedancją linii:

${\ Displaystyle I_ {3,2} = - 10 \ log {\ lewo ({\ Frac {P_ {3}} {P_ {2}}} \ prawo)} \ quad {\ rm {dB}}}$

Te dwie wartości izolacji zależą od odpowiedniego łącznika i mogą również różnić się od siebie. W idealnym przypadku ilość izolacji powinna być jak najwyższa; H. żadna transmisja sygnału nie odbywa się tą drogą.

Tłumienie kierunkowe

Tłumienie kierunkowe D sprzęgu kierunkowego do przodu jest bezpośrednio związane z jego izolacją i współczynnikiem sprzężenia poprzez następującą zależność:

${\ Displaystyle D_ {3,4} = I_ {4,1} + C_ {3,1} \ quad {\ rm {dB}}}$

Wielkość tłumienia kierunkowego powinna być jak najwyższa, co jest dobrym przybliżeniem w obszarze częstotliwości środkowej. Spośród wszystkich parametrów tłumienie kierunkowe jest najbardziej zależne od częstotliwości, a jego wartość ulega wahaniom, zwłaszcza w przypadku szerokopasmowych sprzęgaczy kierunkowych. Jako sprzęgacz kierunkowy, falowody mają największe tłumienie kierunkowe ze względu na swoją zasadę.

Parametry S.

W przypadku symetrycznego i idealnego sprzęgacza kierunkowego z czterema portami, parametry S można przedstawić jako macierz ze względu na symetrię dwóch, ogólnie złożonych i zależnych od częstotliwości składników i . wyraża współczynnik transmisji, współczynnik sprzężenia sprzęgła: ${\ displaystyle \ tau}$${\ displaystyle \ kappa}$${\ displaystyle \ tau}$${\ displaystyle \ kappa}$

${\ Displaystyle \ mathbf {S} = {\ rozpocząć {bmatrix} 0 i \ tau i \ kappa i 0 \\\ tau i 0 i 0 & \ kappa \\\ kappa i 0 i 0 i \ tau \\ 0 i \ kappa i \ tau i 0 \ koniec {bmatrix} }}$

Zera na głównej przekątnej są wyrazem swobody odbicia idealnego łącznika kierunkowego, zera na przeciwległej przekątnej są wyrazem doskonałej izolacji.

Struktura fizyczna

Kabel koncentryczny

Funkcja sprzęgacza kierunkowego

W przypadku kabla koncentrycznego równoległy drut jest prowadzony w przestrzeni między przewodnikiem wewnętrznym i zewnętrznym, którego długość nie może przekraczać λ / 4 mierzonej długości fali. Występuje zarówno sprzężenie indukcyjne, jak i pojemnościowe, którego siła zależy od odległości. W idealnym łączniku kierunkowym sprzężenie indukcyjne i pojemnościowe mają dokładnie ten sam rozmiar.

Sygnał na linii 1 (oznaczony strzałką kierunkową prądu I zielona) ma na linii 2

• składowa sprzężenia indukcyjnego w trybie wspólnym ( I _M , niebieski), która jest odwrotna z powodu reguły Lenza .
• pojemnościowy element sprzęgający przeciwsobny ( I _C , czerwony), który nie jest zorientowany.

Na każdym z dwóch rezystorów pomiarowych prądy sumują się w fazie ( zakłócenia konstruktywne lub destrukcyjne ) i wytwarzają proporcjonalne do nich napięcia, które są miarą przepływającej mocy. Jeżeli impedancja falowa kabla koncentrycznego odpowiada impedancji anteny ( współczynnik fali stojącej  = 1), na prawym wyjściu pomiarowym nie pojawia się żaden sygnał wyjściowy.

Linia 2 musi być zakończona z obu stron stosunkowo niskimi rezystancjami (≈100 Ω), których wartość zależy od wymiarów geometrycznych. To obciążenie prowadzi do bardzo niskich napięć pomiarowych przy krótkich długościach kabli. Z tego powodu często stosuje się dwa oddzielne złącza ( linie 2a i 2b ), które nie są obciążane na wyjściu pomiarowym i dlatego dostarczają wyższe napięcie.

Falowód

Sprzęgacz kierunkowy z falowodami

Ilustracja obok przedstawia podstawową budowę sprzęgacza kierunkowego wykonanego z falowodów . Dwa falowody reprezentują dwie główne gałęzie, gałęzie sprzęgające są wykonane przez małe otwory rozmieszczone w odstępach λ / 4. Ze względu na określoną odległość między tymi otworami łączącymi, fala może rozchodzić się tylko w określonym kierunku z powodu interferencji. Falowód jest zakończony za pomocą studzienki falowej .

Zasada działania sprzęgacza kierunkowego zbudowanego z falowodów z falami do przodu i do tyłu

Technologia Microstrip

Łącznik kierunkowy jako linia paskowa

W technologii mikrofalowej sprzęgacze kierunkowe dla małych mocy są wytwarzane w technologii mikropaskowej , ponieważ są bardzo tanie. Istnieje wiele koncepcji obwodów, takich jak

• Stożkowy łącznik linii, z możliwością tłumaczenia jako stożkowy łącznik linii
• Łącznik odgałęzień, w języku niemieckim o łączniku odgałęzień (np. Łącznik hybrydowy 90 ° )
• Łącznik kołnierzowy (składa się z uzębionych króćców)

które są wybierane zgodnie z wymaganiami aplikacji. Zwłaszcza łączniki stożkowe i odgałęzione są stosunkowo łatwe do zwymiarowania i symulacji. Szczególnie niekorzystna dla łącznika odgałęzionego jest wymagana przestrzeń na płytce, która zwiększa się we wszystkich kierunkach wraz z długością fali częstotliwości środkowej.

Szerokopasmowy sprzęgacz kierunkowy z kilkoma sekcjami λ / 4, które są dopasowane do sąsiednich zakresów częstotliwości ze względu na ich geometrię

Układ mostkowy z transformatorami

Podstawowy obwód szerokopasmowego łącznika kierunkowego według Sontheimera-Fredericka

Przy konstrukcji współosiowej sprzężenie jest silnie zależne od częstotliwości, dlatego wymagana długość sprzężenia rośnie wraz z długością fali (dolny zakres krótkofalowy). Ponieważ prowadzi to albo do nieporęcznych wymiarów, albo do bardzo niskich napięć, stosowana jest konstrukcja z przekładnikami prądowymi (transformator prosty).

Po Sontheimer-Frederick

Zastosowano dwa identyczne przekładniki prądowe

• przekształcić prąd wewnętrznego przewodu w stosunku n: 1 z T1 i
• przekształcić napięcie między przewodem wewnętrznym i zewnętrznym w stosunku n : 1 z T2 .

W rezultacie impedancja U / I zostaje zachowana. Stała sprzężenia jest obliczana jako C _3,1  = 20 · log ( n ). Dwa rezystory R1 i R2 transformatora T2 muszą mieć taką samą wartość, jak impedancja charakterystyczna kabla koncentrycznego między P1 i P2.

Most Bruene

Przycisków „Bruene sprzęgacz kierunkowy” ma na prądowy i dwa regulowane kondensatory. Zmierzone napięcie jest prawie niezależne od długości fali. Zasada działa również przy częstotliwości tylko 50 Hz i jest stosowana w handlu energią elektryczną do pomiaru kierunku transportowanej energii (patrz rysunek).

Łącznik pierścieniowy

Złącza pierścieniowe charakteryzują się prostotą konstrukcji. Złączki pierścieniowe są często używane jako dzielniki mocy lub w obwodach mieszaczy.

Rozdzielacz Wilkinsona

Rozdzielacz Wilkinsona to prosta konstrukcja liniowego dzielnika mocy, zwykle budowanego w technologii mikropaskowej.

Aplikacje

Układ do mieszania dodatków

Łączniki kierunkowe są używane na przykład w sieciach kablowych do łączenia wyjść użytkownika. Możliwe jest również mieszanie addytywne kilku źródeł sygnału o prawidłowej impedancji .

Jeśli prostowniki HF są podłączone do dwóch wyjść sprzęgacza kierunkowego , moc fal naprzód i powrotnych można określić oddzielnie za pomocą miernika napięcia prądu stałego . Tak zwany współczynnik fali stojącej , czyli stosunek fali naprzód do fali powracającej, można wyznaczyć ze stosunku tych napięć . Od tego, na przykład, można wyciągnąć wnioski o przystosowanie linii do impedancji z anteny i nadajnika . Takie urządzenia nazywane są urządzeniami do pomiaru fali stojącej .

Komponentem związanym ze sprzęgaczami kierunkowymi jest cyrkulator , który wyprowadza moc wejściową bramki w ustalonym kierunku obrotu wyłącznie na sąsiednim połączeniu. Stosowane są w systemach nadawczo-odbiorczych, takich jak urządzenia radarowe, do oddzielania sygnałów wysyłanych i odbieranych przez antenę ( zwrotnica ).

Równoległe połączenie ośmiu wzmacniaczy mocy za pomocą sprzęgaczy kierunkowych.

Na powyższym rysunku sygnał wejściowy jest rozłożony symetrycznie w lewej połowie rysunku dla ośmiu wzmacniaczy pokazanych na środku rysunku. W prawej połowie obrazu osiem wzmocnionych sygnałów jest łączonych, tworząc jedyny sygnał nadawczy.

puchnąć

1. ↑ prosty SWR / watomierz (PDF; 144 kB)
2. ^ Thomas H. Lee, Planar Microwave Engineering: A Practical Guide to Theory, Measurement and Circuits, Cambridge University Press, 2004, ISBN 0-521-83526-7
3. ↑ Łącznik kierunkowy Bruene (PDF; 250 kB)
4. ↑ Miernik Bruene SWR
5. ↑ Bruene-SWR z lepszą dokładnością

literatura

• Jürgen Detlefsen, Uwe Siart: Podstawy technologii wysokiej częstotliwości . Wydanie 4. Oldenbourg Verlag, 2012, ISBN 978-3-486-70891-2 . 
• Herbert Zwaraber: Praktyczna konfiguracja i testowanie systemów antenowych . 9. edycja. Hüthig Verlag, Heidelberg 1989, ISBN 3-7785-1807-0 . 

linki internetowe