11. Rozgałęzienia i sprzęgacze w technice linii paskowych i

11. Rozgałęzienia i sprzęgacze w technice linii paskowych i mikropaskowych: rozgałęzienie pierścieniowe
(sprzęęgacz 3 dB/0 i 180°), sprzęgacze kierunkowe 3 dB/90°gałęziowy i o liniach sprzężonych, dzielnik/sumator
mocy Wilkinsona. Struktury, właciwości, parametry rozproszenia układów idealnych, możliwości poszerzenia
pasma pracy.
Sprzęgacz kierunkowy jest czterowrotnikiem składającym się najczęściej z dwóch linii transmisyjnych sprzężonych ze
sobą w taki sposób, że moc fali elektromagnetycznej rozchodzącej się w jednej linii jest częściowo przekazywana do
drugiej linii przy zachowaniu pewnych szczególnych właściwości kierunkowych.
Sprzęgacze kierunkowe (3 dB sprzęgacze kierunkowe). W elementach tych moc sygnału w.cz. doprowadzana
do wrót wejściowych jest dzielona po połowie między dwa wrota wyjściowe. Przesunięcie fazy między sygnałami
wyjściowymi, w zależności od typu sprzęgacza, jest równe 90° lub 180°. Rozgałęzienia hybrydowe są
bardzo szeroko stosowane w mikrofalowych dyskryminatorach częstotliwości, we wzmacniaczach i mieszaczach
zrównoważonych oraz w regulowanych przesuwnikach fazy i tłumikach mocy.
Dwa najważniejsze parametry określające właściwości sprzęgacza kierunkowego są to sprzężenie i kierunkowość.
Sprzężenie sprzęgacza definiuje zależność
gdzie Pj jest mocą sygnału wejściowego doprowadzonego do wrót 1, a P3 i P4 — mocami wyjściowymi we wrotach 3 i
4, w warunkach, gdy wrota 2, 3 i 4 są obciążone dopasowanymi impedancjami.
Specjalną klasę sprzęgaczy kierunkowych stanowią 3 dB rozgałęzienia i pierścienie hybrydowe, w których dokonuje się
jednakowy podział mocy między wrota wyjściowe.
Falowodowe magiczne T
Gałęziowy sprzęgacz hybrydowy przedstawiony na rys. 6.27 jest jedną z najprostszych form rozgałęzienia
hybrydowego 90°.
Rysunek 6.28 przedstawia realizację hybrydowego rozgałęzienia 3 dB/180°
Dzielnik Wilkinsona jest trójwrotnikiem służącym do dzielenia mocy na równe części, choć w specjalnych
konstrukcjach podział mocy może być dokonany w innych proporcjach. Dzielnik jest elementem pasywnym,
odwracalnym, ale nie bezstratnym – rysunek b).
Właściwości dzielnika Wilkinsona są mastępujące:
-wszystkie wrota dzielnika są dopasowane.
-moc doprowadzona do wrót „1” dzieli się równo i po połowie między wrota „2” i „3”,
-wrota 2 i 3 są izolowane, a moc doprowadzona do wrót „2” w połowie wypłynie wrotami „1”, a w połowie zostanie
wydzielona w rezystorze
.
Dzielnik Wilkinsona wykonywany jest najczęściej z użyciem linii mikropaskowej. Na rysunku c) pokazano wyniki
symulacji komputerowe, z której wynika, że w swej najprostszej postaci dzielnik pracuje dobrze w wąskim pasmie
częstotliwości.
12. Przykłady zastosowań rozgałęzień i sprzęgaczy kierunkowych (3 dB/0 i 180° oraz 3 dB/90°) w układach
mikrofalowych: przełączniku mocy, regulowanym prądowo tłumiku mikrofalowym, modulatorze amplitudy,
modulatorze fazy, diplekserze mocy, diplekserze częstotliwoci oraz wzmiacniaczu zrównoważonym.
Zastosowania 3 dB sprzęgaczy kierunkowych i rozgałęzień hybrydowych
- realizacja mieszaczy zrównoważonych, wzmacniaczy zrównoważonych, przesuwników fazy i tłumików,
dyskryminatorów częstotliwości i fazy, modulatorów amplitudy i fazy, filtrów, obwodów dopasowujących.
Dwa przykłady zastosowań 3 dB rozgałęzień hybrydowych:
-Regulowany przesuwnik fazy uzyskuje się przez zamknięcie wrót wyjściowych 3 dB/90° rozgałęzienia hybrydowego
przełączanymi współbieżnie zwarciami.
-Regulowany tłumik
Układ analizowany może być wykorzystany jako regulowany tłumik lub jako „zwrotnica" dzieląca moc
sygnału wejściowego padającego na wrota WE między wrota wyjściowe WY1 i WY2.
13.
Rezonatory i wnęki rezonansowe - przykłady i zastosowania. Struktury filtrów mikrofalowych
Rezonatory są stosowane jako elementy rezonansowe oscylatorów, jako elementy filtrów w.cz.
Pasmowoprzepustowych i pasmowozaporowych, jako elementy mierników częstotliwości, dyskryminatorów
częstotliwości. Najprostszą postać rezonatorów w.cz. stanowią odcinki linii transmisyjnych
(falowodów metalowych prostokątnych, kołowych, linii koncentrycznych, linii paskowych, itd.), zwarte lub rozwarte na
końcach. Jako układy sprzęgające rezonator z obwodem zewnętrznym służą otwory, antenki, pętle, itd. Układy te
umożliwiają doprowadzenie i odprowadzenie energii elektromagnetycznej z rezonatora. Gdy ściankami rezonatora są
metalowe powierzchnie, wówczas nazywany jest on rezonatorem wnękowym. Gdy rezonator stanowi kształtka
materiału dielektrycznego, o dużej przenikalności elektrycznej er i małych stratach, w postaci prostopadłościanu lub
walca, rezonator taki jest nazywany rezonatorem dielektrycznym. Pole elektromagnetyczne wewnątrz rezonatorów
określone jest równaniami Maxwella z odpowiednimi warunkami brzegowymi, narzuconymi przez ścianki rezonatora.
W przeciwieństwie do obwodów rezonansowych LC o parametrach skupionych, stosowanych na małych
częstotliwościach, układy rezonansowe realizowane na dużych częstotliwościach są układami o parametrach
rozłożonych, posiadających wiele dyskretnych częstotliwości rezonansowych.
REZONATORY WNĘKOWE
Metalowy rezonator prostopadłośdenny
Rezonator prostopadłościenny jest metalową, prostopadłościenną wnęką o bokach a, b i l. Rezonator taki można także
traktować jako zwarty na obu końcach odcinek falowodu prostokątnego. Pole elektromagnetyczne wewnątrz wnęki
prostopadłościennej można zatem rozważać jako rodzaje TEmn i TMmn falowodu prostokątnego, „zamkniętego"
metalowymi ściankami.
Metalowy rezonator cylindryczny
Podobnie jak w przypadku metalowego rezonatora prostopadłościennego, wnękowy rezonator cylindryczny można
rozpatrywać jako zamknięty metalowymi ściankami odcinek falowodu kołowego. Pole elektromagnetyczne wewnątrz
wnęki można rozważać jako rodzaje TEmn lub TMmn w falowodzie kołowym zamkniętym metalowymi ścianami
Rezonator współosiowy
REZONATORY DIELEKTRYCZNE
Rezonator dielektryczny jest próbką ceramiczną o dużej wartości względnej przenikalności elektrycznej. Rezonatory
dielektryczne posiadają najczęściej kształt walcowy. Podobnie jak w przypadku konwencjonalnej metalowej wnę ki
rezonansowej, w rezonatorze dielektrycznym może istnieć nieskończona ilość rezonansowych rodzajów pola
elektromagnetycznego. W pierwszym przybliżeniu rezonator dielektryczny można rozpatrywać jako wnękę o ściankach
magnetycznych, ponieważ powierzchnię graniczną między powietrzem, a materiałem dielektrycznym o dużej wartości
przenikalności elektrycznej można traktować jako ściankę magnetyczną (na ściance magnetycznej składowa styczna
pola magnetycznego jest równa zeru). Założenie to pozwala obliczyć częstotliwości rezonansowe poszczególnych
rodzajów rezonansowych rezonatora. W celu ulepszenia takiego modelu rezonatora dielektrycznego konieczne jest
uwzględnienie zanikającego pola elektromagnetycznego poza
obszarem próbki materiału dielektrycznego rezonatora
REZONATORY WYKONANE Z LINII MIKROPASKOWYCH
Rezonatory mikrofalowe wykonane z linii mikropaskowych mają najczęściej postać odcinka linii o długości połowy
fali.
Struktury filtrów mikrofalowych
14. Mikrofalowe wzmacniacze i oscylatory tranzystorowe, podstawowe zagadnienia projektowe, przykładowe
rozwiązania.
WZMACNIACZE TRANZYSTOROWE
Do realizacji wzmacniaczy w zakresie wielkich częstotliwości są stosowane tranzystory bipolarne oraz tranzystory
polowe MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) i HEMT (High Electron Mobility Transistor) .
Obecnie tranzystory MESFET i HEMT mogą pracować na znacznie większych częstotliwościach, z większą
sprawnością i z mniejszym współczynnikiem szumów. Tranzystory HEMT z bramką o długości 0,2 urn charakteryzują
się następującymi parametrami: ft - 80 GHz (ft — częstotliwość przy której wzmocnienie prądowe jest równe jeden),
fma = 110 GHz (fmax = częstotliwość przy której wzmocnienie mocy jest równe jeden) oraz
F = 1,6 dB na częstotliwości 60 GHz. Tranzystory HEMT z bramką o długości 0,1 urn posiadają ft = 165 GHz oraz F =
0,8 dB na 63 GHz.
Współczynnik szumów wzmacniacza
Obok stabilności i wzmocnienia, innym bardzo ważnym parametrem jest współczynnik szumów. Zwłaszcza w
zastosowaniach odbiorczych, bardzo często wymaga się, aby współczynnik szumów wzmacniacza w.cz. był jak
najmniejszy, ponieważ, zgodnie z rozważaniami przedstawionymi w rozdz. 5, pierwszy stopień odbiornika w.cz. ma
dominujący wpływ na właściwości szumowe całego systemu. Jak pokazuje to równanie (5.50), minimalny
współczynnik szumów wzmacniacza tranzystorowego jest uzyskiwany przy określonym współczynniku odbicia
generatora sygnału F . Ogólnie, nie jest możliwe uzyskanie jednocześnie minimalnego współczynnika szumów i
maksymalnego skutecznego wzmocnienia mocy, ponieważ wartość optymalnego współczynnika odbicia Tsopt
generatora sygnału, przy którym F = Fmin, nie jest równa wartości rS m a x , przy której uzyskuje się maksymalne
skuteczne wzmocnienie mocy.
Przestrajanie oscylatorów w.cz.
Oscylatory o stałej częstotliwości są stosowane jako źródła sygnału pompy mieszaczy w systemach komunikacyjnych i
radarowych. W zastosowaniach tych stabilność częstotliwości oraz czystość widma AM i FM posiadają zasadnicze
znaczenie w określeniu pasma częstotliwości pośredniej odbiornika radiokomunikacyjnego, a w przypadku np. radaru
Dopplera, decydują o dokładności pomiaru prędkości obiektów ruchomych.
Oscylatory przestrajane znajdują zastosowania w przyrządach pomiarowych, a także systemach komunikacyjnych i
systemach radarowych. Przestarajanie oscylatorów w.cz. realizowane jest na drodze mechanicznej lub elektrycznej. W
pierwszym przypadku zmiana częstotliwości oscylacji uzyskiwana jest przez mechaniczną zmianę parametrów
geometrycznych rezonatora. Przestrajanie mechaniczne częstotliwości oscylatora jest procesem powolnym, statycznym.
Szybkie przestrajanie oscylatorów realizowane jest przez sprzężenie elementu o zmiennej reaktancji z obwodem
rezonansowym oscylatora. Najczęściej jest to półprzewodnikowa dioda waraktorowa GaAs lub Si, o schemacie
zastępczym przedstawionym na rys. 9.23, której pojemność złączowa C- zależy od zaporowego napięcia polaryzacji wg
zależności
Technika ta umożliwia przestrajania oscylatora tranzystorowego w paśmie o szerokości nie przekraczającej oktawy.