Квадратурный мост

Квадратурный мост

Реферат

 

Использование: в радиотехнике в качестве делителя и сумматора мощности преимущественно в метровом диапазоне волн. Сущность изобретения: квадратурный мост содержит отрезок экранированной двухпроводной линии и семь сосредоточенных емкостей. Проводники отрезка двухпроводной линии образованы внутренними и наружными проводниками четного числа отрезков коаксиального кабеля равной длины. Внутренний и наружный проводники каждого предшествующего отрезка коаксиального кабеля соединены соответственно с наружным и внутренним проводниками последующего отрезка коаксиального кабеля. Первая сосредоточенная емкость включена между смежными концами одних одноименных проводников двух центральных отрезков коаксиального кабеля. Две сосредоточенных емкости включены между смежными концами других одноименных проводников и экраном. Остальные сосредоточенные емкости включены на концах отрезка экранированной двухпроводной линии меду каждым проводником и экраном. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве устройства распределения и сложения мощностей высокочастотных колебаний преимущественно в диапазоне метровых волн.

Известен квадратурный мост или направленный ответвитель с переходным ослаблением 3,01 дБ, выполненный в виде двух одинаковых отрезков линии передачи, например коаксиального кабеля, длиной в 1/8 длины волны в линии и содержащий две сосредоточенные емкости связи, которые включены на концах отрезков между потенциальными проводниками линий (см. [1] с.86-87, рис.6.6). Недостатком подобного моста является узкая рабочая полоса частот.

Известен широкополосный мост на линиях с распределенной электромагнитной связью, представляющий собой четвертьволновый на центральной частоте отрезок экранированной двухпроводной линии передачи (см. [1] с.12, рис.1.11, с.82-85, рис. 6.1). Подобный мост обеспечивает равное деление мощности и согласование при сильной связи между проводниками двухпроводной линии, которая достигается за счет близкого расположения проводников. Малый зазор между протяженными проводниками усложняет конструкцию и технологию изготовления моста и снижает его электрическую прочность. Другим недостатком является сравнительно большой габаритный размер моста на метровых волнах.

Известен также широкополосный квадратурный мост на связанных линиях с уменьшенными габаритами, в котором помимо отрезка экранированной двухпроводной линии, длина которого меньше четверти длины волны, содержатся сосредоточенные емкости. Четыре сосредоточенные емкости включены на концах отрезка между каждым проводником и экраном, а две другие на концах отрезка между проводниками. Этот квадратурный мост [2] принят за прототип изобретения.

Электрическая схема моста-прототипа, являющегося симметричным восьмиполюсником, в режимах синфазного и противофазного возбуждения может быть разложена на два одинаковых зеркальносимметричных четырехполюсника. На центральной частоте моста каждый из четырехполюсников для синфазной и противофазной волн имеет фазовый сдвиг 90^o и характеристическое сопротивление соответственно Z_csin_o и Z_пsin_o, где Z_c,Z_п волновые сопротивления каждого проводника двухпроводной линии для синфазной и противофазной волны, _o < 90^o электрическая длина отрезка двухпроводной линии. Равное деление мощности и согласование у подобного моста достигаются, если указанные характеристические сопротивления соответственно равны , где R сопротивление оконечных нагрузок моста. При этом емкостной и индуктивный коэффициенты связи между проводниками экранированной двухпроводной линии, которые могут быть выражены как (Z_c-Z_п)/(Z_c+Z_п), как и у предыдущего моста-аналога, в котором _o= 90^o, одинаковы и должны составлять . Столь сильная связь достигается при малом зазоре между протяженными проводниками отрезка двухпроводной линии, что усложняет конструкцию и технологию иэготовления моста, снижает его электрическую прочность и является недостатком устройства, принятого за прототип.

Анализ показывает целесообразность создания квадратурного моста, в котором при сохранении широкополосности и малых габаритов не требуются конструктивные элементы высокого класса точности, обеспечивающие малый зазор между протяженными проводниками. Тем самым упрощаются конструкция и технология изготовления моста, повышается его электрическая прочность.

Этот технический эффект достигается тем, что в известном устройстве, являющемся квадратурным мостом, выполненном в виде отрезка экранированной двухпроводной линии передачи и содержащем сосредоточенные емкости, которые включены на концах отрезка между каждым проводником и экраном, проводники отрезка экранированной двухпроводной линии выполнены в виде внутренних и наружных проводников четного числа отрезков коаксиального кабеля равной длины, причем внутренний и наружный проводники каждого предшествующего отрезка коаксиального кабеля соединены соответственно с наружным и внутренним проводниками последующего отрезка коаксиального кабеля. При этом введены дополнительные три сосредоточенные емкости, одна из которых включена между смежными концами одних одноименных проводников двух центральных отрезков коаксиального кабеля, а две другие сосредоточенные емкости включены между смежными концами других одноименных проводников и экраном.

На фиг. 1 показана электрическая схема квадратурного моста, на фиг.2 - эквивалентная схема одного из двух четырехполюсников, на которые может быть разложена схема квадратурного моста при синфазном и противофазном возбуждении.

Квадратурный мост (фиг.1) содержит первую сосредоточенную емкость 1, две одинаковые вторые 2 и четыре третьи 3 сосредоточенные емкости и четное число n (на фиг.1 n 4) отрезков коаксиального кабеля равной длины, имеющих внутренние 4 и наружные 5 проводники. Экран показан условным обозначением "корпус". Внутренний и наружный проводники 4 и 5 каждого предшествующего отрезка коаксиального кабеля соединены соответственно с наружным и внутренним проводниками 5 и 4 последующего отрезка коаксиального кабеля. Между смежными концами одних одноименных проводников (4 или 5) двух центральных отрезков коаксиального кабеля включена сосредоточенная емкость 1, а между смежными концами других одноименных проводников двух центральных отрезков коаксиального кабеля и экраном включены сосредоточенные емкости 2. Между свободными концами проводников 4 и 5 первого и последнего отрезков коаксиального кабеля, образующими совместно с экраном входы и выходы моста, включены сосредоточенные емкости 3.

Эквивалентная схема четырехполюсника (фиг.2) представляет собой двухзвенный фильтр нижних частот, образованный индуктивностями 6 и емкостями 7 и 8.

Работа квадратурного моста основана на интерференции синфазной и противофазной волн, возникающих при подключении к любому его входу (выходу) источника высокочастотных колебаний, а к оставшимся входу и выходам (выходу и входам)- согласованных нагрузок с сопротивлением R Как и устройство-прототип, восьмиполюсник (фиг.1) становится квадратурным мостом, если составляющие четырехполюсники (фиг.2) на центральной частоте для синфазной и противофазной волн имеют характеристические сопротивления соответственно и фазовый сдвиг, равный 90^o.

Перекрестное соединение (транспонирование) внутренних и наружных проводников 4 и 5, а также равная длина и четное число отрезков коаксиального кабеля обеспечивают необходимое симметрирование отрезка двухпроводной линии, выполненного из проводников 4 и 5, что в свою очередь позволяет разложить синфазно или противофазно возбужденный мост на одинаковые четырехполюсники (фиг.2), элементы которых 6-8 для синфазной и противофазной волн различны.

Для синфазной волны, распространяющейся вне отрезков коаксиального кабеля, индуктивности 6 на фиг.2 определяются только величиной индуктивности размещенных в экране проводников 5, т.е. их геометрический длиной и конфигурацией, а едкости 7 и 8 на фиг.2 включают в себя соответственно сосредоточенную емкость 2 и сосредоточенную емкость 3, а также распределенную емкость между проводниками 5 и экраном. Для противофазной волны, распространяющейся как вне, так и внутри отрезков коаксиального кабеля, к индуктивным проводимостям 6 добавляется распределенная индуктивная проводимость, а к емкостям 7 и 8- распределенная емкость отрезков коаксиального кабеля, которые определяются только электрической длиной и волновым сопротивлением отрезков коаксиального кабеля, емкость 7 включает в себя также удвоенную величину сосредоточенной емкости 1. Совокупность параметров эквивалентного четырехполюсника обеспечивает на центральной частоте необходимые фазовый сдвиг и характеристическое сопротивление для обеих волн.

При этом суммарная электрическая длина отрезков коаксиального кабеля не превышает 90^o. Укорочение обусловлено действием сосредоточенной емкости 1 и малых индуктивностей перемычек, соединяющих проводники 4 и 5. Основное назначение сосредоточенной емкости 1 выравнивание емкостного и индуктивного коэффициентов связи между проводниками отрезка двухпроводной линии, выполненного из проводников 4 и 5, а в конечном итоге регулировка коэффициента деления мощности. Назначение сосредоточенных емкостей 2 состоит в том, чтобы превратить эквивалентный четырехполюсник (фиг.2) в двухзвенный фильтр, что способствует увеличению широкополосности моста, поскольку двухзвенный фильтр в сравнении с однозвенным имеет вблизи частоты с фазовым сдвигом 90^o более пологую частотную зависимость фазового сдвига и характеристического сопротивления.

Широкополосность моста возрастает с увеличением числа n отрезков коаксиального кабеля при соответствующем укорочении каждого отрезка. С приближением суммарной электрической длины отрезков коаксиального кабеля к 90^o (на центральной частоте) оптимальная величина сопротивления R оконечных нагрузок возрастает и приближается к волновому сопротивлению используемого коаксиального кабеля. Предпочтительна величина n, равная (как на фиг.1) или кратная четырем. При этом эквивалентный четырехполюсник (фиг.2) симметричен, что упрощает настройку моста. В противном случае, например при n=2, индуктивности 6 на схеме эквивалентного четырехполюсника (фиг.2) не одинаковы и для симметрирования четырехполюсника при равных оконечных сопротивлениях R необходимы разные по величине емкости 8 и соответственно сосредоточенные емкости 3.

В практических конструкциях квадратурного моста, реализованных заявителем, использованы отрезки коаксиального кабеля с суммарной электрической длиной около 80^o и оконечные сопротивления R, равные волновому сопротивлению коаксиального кабеля. При неравномерности коэффициента деления мощности не хуже 0,2 дБ и КСВ не более 1,2 относительная широкополосность при n=2 не превышает 20% а при n=4 достигает 40% При выбранных n и длине отрезков кабеля регулировка моста сводится к изменению сосредоточенных емкостей 1-3, а также конфигурации отрезков кабеля (путем их изгиба, свертывания, изменения расстояния до экрана), определяющей величину индуктивностей 6 (фиг.2) для синфазной волны.

Таким образом, квадратурный мост может быть изготовлен без применения требующих высокого класса точности конструктивных элементов в виде протяженных проводников с малым зазором между ними, напротив, схема моста предполагает использование в качестве конструктивных элементов отрезков стандартного коаксиального кабеля, что упрощает конструкцию и технологию изготовления моста. Электрическая прочность моста определяется электрической прочностью используемого коаксиального кабеля и может быть повышена выбором соответствующего коаксиального кабеля. Мост является широкополосным и имеет сравнительно малые габаритные размеры, которые к тому же могут быть уменьшены путем изгиба или свертывания отрезков коаксиального кабеля.

Источники информации 1. Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний. Под ред.3.И.Моделя. Изд. "Советское радио", М. 1980.

2. SU, авт.свид. N 214625, кл. H 01 P 5/12, 1968.

Формула изобретения

Квадратурный мост, выполненный в виде отрезка экранированной двухпроводной линии передачи, на концах которой между каждым проводником и экраном включены сосредоточенные емкости, отличающийся тем, что проводники отрезка экранированной двухпроводной линии выполнены в виде внутренних и наружных проводников четного числа отрезков коаксиального кабеля равной длины, при этом внутренний и наружный проводники каждого предшествующего отрезка коаксиального кабеля соединены соответственно с наружным и внутренним проводниками последующего отрезка коаксиального кабеля и введены дополнительные три сосредоточенные емкости, одна из которых включена между смежными концами одних одноименных проводников двух центральных отрезков коаксиального кабеля, а две другие сосредоточенные емкости включены между смежными концами других одноименных проводников и экраном.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2