Направленные ответвители являются стандартными компонентами СВЧ/ММ-диапазона в микроволновых измерительных и других микроволновых системах. Они могут использоваться для изоляции, разделения и смешивания сигналов, например, для контроля мощности, стабилизации выходной мощности источника, изоляции источника сигнала, тестирования качания частоты передачи и отражения и т. д. Они представляют собой направленный делитель мощности СВЧ и являются незаменимым компонентом современных рефлектометров с качающейся частотой. Обычно их выделяют несколько типов: волноводные, коаксиальные, полосковые и микрополосковые.
На рисунке 1 представлена принципиальная схема конструкции. Она состоит из двух основных частей: основной и вспомогательной, которые соединены друг с другом посредством различных небольших отверстий, щелей и зазоров. Таким образом, часть мощности, поступающей с точки «1» на конце основной линии, будет передаваться во вторичную линию. Из-за интерференции или суперпозиции волн мощность будет передаваться только по вторичной линии — в одном направлении (называемом «прямым»), а в другом направлении (называемом «обратным») передача мощности практически отсутствует.
На рисунке 2 показан перекрестно-направленный ответвитель, один из портов которого подключен к встроенной согласующей нагрузке.
Применение направленного ответвителя
1, для системы синтеза мощности
Направленный ответвитель с коэффициентом усиления 3 дБ (обычно называемый мостом с коэффициентом усиления 3 дБ) обычно используется в системах синтеза частот с несколькими несущими, как показано на рисунке ниже. Такая схема часто встречается в распределенных системах, расположенных внутри помещений. После того, как сигналы f1 и f2 от двух усилителей мощности проходят через направленный ответвитель с коэффициентом усиления 3 дБ, выход каждого канала содержит две частотные составляющие f1 и f2, причем коэффициент усиления 3 дБ уменьшает амплитуду каждой частотной составляющей. Если один из выходных терминалов подключен к поглощающей нагрузке, другой выход может использоваться в качестве источника питания пассивной системы измерения интермодуляции. Для дальнейшего улучшения изоляции можно добавить такие компоненты, как фильтры и изоляторы. Развязка правильно спроектированного моста с коэффициентом усиления 3 дБ может превышать 33 дБ.
Направленный ответвитель используется в системе суммирования мощности один.
Область направленного оврага как еще одно применение сложения мощности показана на рисунке (a) ниже. В этой схеме направленность направленного ответвителя была умело использована. Предполагая, что степени связи двух ответвителей оба составляют 10 дБ, а направленность оба составляет 25 дБ, развязка между концами f1 и f2 составляет 45 дБ. Если входы f1 и f2 оба равны 0 дБм, объединенный выходной сигнал обоих составляет -10 дБм. По сравнению с ответвителем Уилкинсона на рисунке (b) ниже (его типичное значение развязки составляет 20 дБ), тот же входной сигнал 0 дБм после синтеза составляет -3 дБм (без учета вносимых потерь). По сравнению с условием между выборками мы увеличиваем входной сигнал на рисунке (a) на 7 дБ, чтобы его выходной сигнал соответствовал рисунку (b). В этот момент развязка между f1 и f2 на рисунке (a) «уменьшается» до 38 дБ. Итоговый результат сравнения показывает, что метод синтеза мощности направленного ответвителя на 18 дБ выше, чем у ответвителя Уилкинсона. Эта схема подходит для измерения интермодуляционных искажений десяти усилителей.
В системе суммирования мощности 2 используется направленный ответвитель.
2, используется для измерения помехоустойчивости приемника или измерения ложных сигналов
В системе радиочастотных испытаний и измерений часто встречается схема, показанная на рисунке ниже. Предположим, что тестируемое устройство (DUT) является приёмником. В этом случае сигнал помехи соседнего канала может быть подан в приёмник через ответвитель направленного ответвителя. Затем интегрированный тестер, подключенный к нему через ответвитель, может проверить сопротивление приёмника – тысячу помех. Если DUT – сотовый телефон, передатчик телефона может быть включен комплексным тестером, подключенным к ответвителю направленного ответвителя. Затем можно использовать анализатор спектра для измерения паразитного излучения телефона, находящегося в зоне действия. Конечно, перед анализатором спектра следует добавить несколько цепей фильтров. Поскольку в этом примере рассматривается только применение направленных ответвителей, схема фильтров опущена.
Направленный ответвитель используется для измерения помехоустойчивости приемника или ложной высоты сотового телефона.
В этой тестовой схеме направленность направленного ответвителя очень важна. Анализатор спектра, подключенный к сквозному концу, принимает только сигнал от тестируемого устройства и не принимает пароль с ответвления.
3, для выборки и мониторинга сигнала
Измерение и мониторинг передатчиков в режиме реального времени, возможно, является одним из наиболее распространенных применений направленных ответвителей. На следующем рисунке показано типичное применение направленных ответвителей для измерения характеристик базовых станций сотовой связи. Предположим, что выходная мощность передатчика составляет 43 дБм (20 Вт), а коэффициент связи направленного ответвителя составляет 30 дБ, вносимые потери (потери в линии плюс потери связи) — 0,15 дБ. С ответвления на тестер базовой станции поступает сигнал мощностью 13 дБм (20 мВт), прямой выход направленного ответвителя составляет 42,85 дБм (19,3 Вт), а мощность утечки — . Мощность на изолированной стороне поглощается нагрузкой.
Направленный ответвитель используется для измерения базовой станции.
Почти все передатчики используют этот метод для онлайн-опроса и мониторинга, и, возможно, только он может гарантировать проверку производительности передатчика в нормальных рабочих условиях. Однако следует отметить, что тест передатчика один и тот же, и у разных тестировщиков разные требования. Взяв в качестве примера базовые станции WCDMA, операторы должны обращать внимание на показатели в своем рабочем диапазоне частот (2110–2170 МГц), такие как качество сигнала, мощность в канале, мощность в соседнем канале и т. д. Исходя из этого, производители будут устанавливать на выходе базовой станции узкополосный (например, 2110–2170 МГц) направленный ответвитель для мониторинга рабочих условий передатчика в диапазоне и отправки данных в центр управления в любое время.
Если это регулятор радиочастотного спектра - станция радиомониторинга для проверки индикаторов мягкой базовой станции, ее фокус совершенно иной. Согласно требованиям спецификации управления радиосвязью, диапазон тестовых частот расширен до 9 кГц ~ 12,75 ГГц, и тестируемая базовая станция настолько широка. Сколько побочного излучения будет генерироваться в полосе частот и мешать нормальной работе других базовых станций? Это проблема станций радиомониторинга. В настоящее время для дискретизации сигнала требуется направленный ответвитель с той же полосой пропускания, но направленного ответвителя, который может охватить диапазон 9 кГц ~ 12,75 ГГц, похоже, не существует. Мы знаем, что длина плеча связи направленного ответвителя связана с его центральной частотой. Полоса пропускания сверхширокополосного направленного ответвителя может достигать 5-6 октавных полос, например, 0,5-18 ГГц, но полоса частот ниже 500 МГц не может быть охвачена.
4. Измерение мощности в режиме онлайн
В технологии измерения мощности сквозным методом направленный ответвитель является важнейшим устройством. На следующем рисунке показана принципиальная схема типичной системы измерения мощности сквозным методом. Прямая мощность тестируемого усилителя измеряется на выводе прямого соединения (вывод 3) направленного ответвителя и поступает на измеритель мощности. Отражённая мощность измеряется на выводе обратного соединения (вывод 4) и поступает на измеритель мощности.
Для измерения высокой мощности используется направленный ответвитель.
Обратите внимание: помимо отраженной мощности от нагрузки, на клемму обратного ответвления (клемма 4) поступает также мощность утечки с прямого направления (клемма 1), что обусловлено направленностью направленного ответвителя. Тестер рассчитывает измерить отраженную энергию, а мощность утечки является основным источником ошибок при измерении отраженной мощности. Отраженная мощность и мощность утечки накладываются на клемме обратного ответвления (клемма 4) и затем передаются в измеритель мощности. Поскольку пути передачи двух сигналов различны, это векторная суперпозиция. Сравнение мощности утечки, поступающей на измеритель мощности, с отраженной мощностью приведет к значительной ошибке измерения.
Конечно, отраженная мощность от нагрузки (конец 2) также будет просачиваться на передний конец связи (конец 1, не показан на рисунке выше). Тем не менее, её величина минимальна по сравнению с прямой мощностью, которая измеряет силу прямого тока. Возникающую погрешность можно игнорировать.
Компания Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd., расположенная в районе Чжунгуаньцунь (Китай), известном как «Кремниевая долина», является высокотехнологичным предприятием, оказывающим услуги отечественным и зарубежным научно-исследовательским учреждениям, университетам и научным сотрудникам предприятий. Наша компания занимается в основном независимыми исследованиями и разработками, проектированием, производством и продажей оптоэлектронной продукции, а также предоставляет инновационные решения и профессиональные персонализированные услуги научным исследователям и промышленным инженерам. За годы самостоятельной инновационной деятельности компания создала широкий ассортимент усовершенствованной фотоэлектрической продукции, которая широко используется в коммунальном хозяйстве, оборонной промышленности, транспорте, электроэнергетике, финансах, образовании, медицине и других отраслях.
Мы будем рады сотрудничеству с Вами!
Время публикации: 20 апреля 2023 г.