немного об авторе
Привет! Меня зовут Олеся, я разрабатываю СВЧ устройства. Я уже два года веду блог в Инстаграме. В мою работу входит всё от поиска статей и моделирования до сборки и настройки готового устройства. На Хабре я делюсь тонкостями и своим опытом по части СВЧ разработки. Также у меня есть маленькая группа в ВК, там я пишу небольшие заметки, которые по моему мнению не подходят под формат Хабра. Автор этой статьи leka_engineer , ищите меня на Хабре и в Инстаграме
Введение и классификация
В этой статье я расскажу о разных типах мостов-делителей-направленников на примере своих разработок. В статье приведу также несколько других схем и топологий, которые мне пока не приходилось использовать.
По области использования делители можно разделить на лабораторные (с коаксиальными выводами) и drop-in исполнения или SMD, то есть для использования где-то в модуле, с последующим соединением выводов с полоском на печатной плате. Кроме того , как любые другие СВЧ устройства делители можно классифицировать по рабочим диапазонам частот, а также по ширине рабочей полосы. Лабораторные НО (далее я буду писать НО, так как 3дБ делитель - чаще всего частный случай направленного ответвителя) обычно довольно широкополосные, это удобно, так как можно купить одно устройство надолго и под разные проекты. НО для применения в СВЧ схемах чаще выбирают узкополосные, под рабочую полосу конкретного изделия. Очевидно, что уровень потерь в узконастроенном НО будет меньше, как и уровень КСВ. Другая классификация - по мощности входного сигнала. При входной мощности примерно от 500 Вт требуются другие подходы к проектированию. У меня в коллекции как раз есть несколько особенно высокомощных НО. И последнее: по разности фаз между выходами можно разделить НО на квадратурные (90 град), противофазные (180 град), синфазные (0 град) и кастомные.
Гибридный мост
Самый простой тип делителя, которые наверняка многие помнят с лекций - квадратурный шлейфный мост. Выглядит как квадрат (но не поэтому называется квадратурным) с разной шириной сторон. Был придуман в далёких 60-х и до сих пор активно применяется. Вариант на 3 дБ (то есть пополамный делитель) представлен на рисунке ниже:
Z0 обычно равно 50 Ом, тогда верхнее и нижнее плечи - по 35 Ом, а боковые по 50. Мост имеет вход и два выхода (или два входа и один выход, если рассматривать его как сумматор). Устройство взаимное и симметричное, то есть условно входом может быть любой порт. В общем случае ширины плеч могут быть рассчитаны на любое деление.
Самая простая реализация - на микрополосковых линиях.
На картинке ниже мой пример делителя на 4 выхода, состоящего из 3 квадратурных мостов. Только третий - пополамный, остальные рассчитаны так, чтобы на всех четырёх выходах была одинаковая амплитуда.
Одно из преимуществ такого типа делителей - не обязательно количество выходов равно степени 2. Вот, например, такого же типа на на 3 выхода, другой диапазон и в закрытом корпусе:
А вот пример мощного делителя на симметричной линии (внутри там такой же "квадрат").
НО на линиях с боковой связью
Ещё один тип "двумерных" делителей и направленников - устройства на базе линий с боковой связью. Известно, что микрополосковая линия создает вокруг себя электромагнитное поле, если другой полосок будет достаточно близко, по нему начнёт протекать ток.
W0- ширина линии, обычно должна соответствовать 50 Ом. Длина L - четверть длины волны в материале. Ширина W в общем случае равна W0. Если принять порт 1 за вход, порт 3 будет называться выходом (through), порт 2 ответвленным плечом (coupled), порт 4 изолированным плечом (isolated). На порт 4 обычно ставят согласованную нагрузку. Такие устройства чаще всего делают на ответвление (величина части мощности, ответвленная в плечо 2) от 10 дБ и больше, так как для меньших значений ответвления будет необходим слишком маленький зазор S (который определяет величину ответвления), который технологически невозможно реализовать.
На фотографии ниже пример такого НО.
ссылка на фотографии с измерениями
Длина области связи такого НО равна четверти длины волны, и поэтому такой устройство довольно узкополосное. В целях расширения рабочей полосы частот делают такой вариант (как бы ступеньки):
ссылка на источник картинки
Ещё пример расширения рабочей полосы показан в статье A Compact and Wideband Coupled-Line Coupler with High Coupling Level Using Shunt Periodic Stubs.
Автор этой статьи leka_engineer , ищите меня на habr.com и в Инстаграме
НО на линиях с лицевой связью
В данном случае для реализации устройства необходима более сложная структура, чем просто печатная плата. Геометрия описывается следующими параметрами: Н- общая толщина, W-ширина полосков (обычно 50 Ом), S-расстояние между линиями, Wo -оффсет, то есть смещение, Т- толщина металлизации. Сверху и снизу -экран (земля). Коэффициент ответвления настраивается двумя параметрами - S и Wo.
В моей коллекции есть такой мост drop-in исполнения. В центре сам НО, к нему подведены маленькие платы с микрополосковыми линиями, всё это помещено в коробку с коаксиальными разъёмами и установлен резистор на изолированный выход.
больше фотографий в моём посте в Инстаграме
На линиях с лицевой связью сделаны все (мне известные) мосты SMD исполнения. У меня нет своих разработок делителей поверхностного монтажа, но есть коллекция покупных:
Делитель Вилкинсона
Wilkinson divider - трёхпортовое устройство.Принципиальная схема:
В случае Zo=50 Ом, линии будут равны 50*1,41= 70,5 Ом, резистор 100 Ом. Как и в случае с НО на линиях с боковой связью, из-за наличия четвертьволнового отрезка, такие делители узкополосные. Расширить полосу можно каскадированием.
Пример из моей коллекции (параметры можно посомтреть в этом посте):
А вот пример из Инстаграма моего друга:
При изменении волновых сопротивлений плечей можно добиться изменения соотношения выходных мощностей (деление будет не пополам).
Другие типы НО
Неразвязанный делитель.
Казалось бы, почему нельзя просто сделать полосок и к нему два полоска? И вроде очевидно, что в СВЧ технике так не работает, но на самом деле можно, просто КСВ выходов будет высоким.
Главное - не забыть вставить трансформатор. Ведь если вход 50 Ом, и необходима получить два выхода на 50 Ом, то в точке разветвления будет 100 Ом, так что необходим трансформатор с 50 на 100 Ом.
В целях улучшения характеристик часто прибегают к разным изменениям топологии, например:
Такой делитель, очевидно, можно рассчитать на любые выходные сопротивления, но он будет не пополамный. В данном случае бо́ льшая часть мощности будет направлена в плечо с ме́ньшим сопротивлением.
Гибридное кольцо
Мост Ланге
Изготовление моста Ланге требует разварки золотых проволок, что доступно далеко не на всех предприятиях. При должной аккуратности можно припаять проволоки из меди, если размеры позволяют.
Спасибо за внимание!
Комментарии (28)
j_aleks
21.01.2022 10:27обзорчик по САПРам по разработке СВЧ хотелось бы...
а то кроме как Microwave Office и не сталкивался ни с чем...))
Chayko_true
21.01.2022 19:21+1Смотря что вы хотите сделать. Если именно рассчитать устройство в плане подбора характеристик компонентов, то луче AWR ничего нет. Если вы уже примерно знаете параметры, то можно попробовать CST studio, ANSYS HFSS. Если ближе к антеннам расчет, то Antenna Magus - Ваш выбор.
N1X
22.01.2022 11:43Могу посоветовать еще глянуть Sonnet Lite. Просто потому, что он бесплатный. Для простеньких элементов весьма хорош. Для непростеньких не очень хорош тем, что в бесплатной версии выпилен импорт и гербер затянуть нельзя, приходится ручками рисовать...
Опять же, если важна лицензионная чистота есть OpenEMS, туда сейчас можно даже рисунок из KiCAD через HyperLinx перетянуть. Но как многие GNU проекты решение требует некоторого упорства, чтобы понять как со всем этим работать...
vilgeforce
21.01.2022 12:06А можно нубский вопрос почти по теме? :-) Есть устройство, например HackRF. У него два коаксиальных разъема: у приемника и у передатчика. И есть исследуемое устройство, например мобильный телефон, у которого единственный коаксиальный разъем антенны. Собственно, хочется их соединить, скажем так, проводами и избежать передачи по воздуху. Как я понимаю, нужен какой-то хитрый прибор, который бы позволял соединить все три коаксиальных разъема, но не давал бы передатчику HackRF сжечь его же приемник. Есть какой-то класс устройств под задачу, чтобы можно было почитать про него? Спасибо!
korj1987
21.01.2022 12:23+2Если я правильно понял вопрос, вам должен помочь циркулятор. Это невзаимное устройство, которое будет пускать, например, сигнал от передатчика на антенну, от антенны на приемник, отраженный сигнал от приемника - на передатчик (ему не страшно). Делаются обычно на основе ферритов (хотя бывают и хитрые pin-диодные), бывают в микрополосковом, коаксиальном или волноводном исполнении.
Leka_engineer Автор
21.01.2022 12:43+1я так поняла циркулятор ему тут не поможет, да и судя по вопросу, у человека хобби, что очень здорово, но вряд ли он знает, что такое циркулятор.
Pin-диодных циркуляторов не бывает. Pin диодные устройства, выполняющие такую функцию, называются переключателями. Кроме переключателей на диодах, также существуют переключатели на транзисторах.
Leka_engineer Автор
21.01.2022 12:34+1нубские вопросы задавать можно.
я никогда не работала с Hack RF, но так поняла, что это что-то типа приёмника-декодера (?) . В общем, судя по вашим словам,е го можно использовать как измерительный прибор. Так вот, любая измерительная цепь строится следующим образом: источник сигнала - исследуемое устройство - измеряющее устройство с индикатором (экраном, иногда это ноутбук). В вашем случаем исследуемое устройство - это часть цепи мобильного телефона - от входного коаксиального разъёма до антенны. И вам нужно "снимать " сигнал с антенны. Как это сделать? нужна вторая антенна, существуют специальным измерительные антенны. Но в вашем случае самое простое - взять такой же телефон с этой цепью наоборот , то есть антенна - коаксиальный разъём. Выход разъёма подсоединить уже к измерительному прибору (приёмнику ХакРФ в вашем случае). Не стесняйтесь, пишите в личку если что.
vilgeforce
21.01.2022 13:10Поднимать собственную базовую станцию с антенной в городских условиях - идея так себе. На низкой мощности телефон все равно зацепится за настоящую, на большой - с некоторыми шансами приедет "пативэн". Вот и есть идея заменить воздушную среду передачи сигнала на провода, чтобы избежать излучения чего не нужно в эфир. Вроде, циркулятор - реально то что нужно!
Mixaill
21.01.2022 20:05Подождите, но ведь у HackRF без допилов только один общий RX/TX коннектор, текущее состояние которого определяется свичом.
vilgeforce
21.01.2022 23:14Охох, я точно помню что плата у нас была с Rx и Tx антеннами отдельно, и вроде это был именно Hack RF
Mixaill
22.01.2022 00:55Конкретно у HackRF три SMA-коннектора: антенный вход/выход, вход тактовой частоты, выход тактовой частоты.
Отдельные RX/TX есть например на LimeSDR (10 u.FL), LimeSDR Mini (2 SMA) и PlutoSDR (2 SMA).
N1X
22.01.2022 12:02Тут скорее мобилка сожжет HackRF. У передатчика HackRF мощность очень мала, а вот телефон может выдать очень большую мощность. Поэтому построить такую систему - задача не совсем простая, особенно учитывая довольно таки широкополосный сигнал.
В принципе помимо направления в тракте сигналы приема и передачи разнесены еще и по частоте: в GSM900 на 45 МГц, в GSM1800 на 95 МГц, возможно это стоит использовать... Ну и без аттюнеаторов не обойтись перед обоими приемниками, иначе перегрузятся. Короче говоря задачка со звездочкой...
Еще мысль: делить то их именно не нужно, они за счет разнесения друг другу не мешают, в принципе если обеспечить достаточное ослабление принимаемого сигнала, то вполне возможно что перед приемником просто тот же направленный ответвитель, которай сигнал из линии заберет и через аттенюатор дальше на приемник. С передатчика на мобилку, при этом т.к. передатчик полностью под нашим контролем - мощность передачи выставить миниум, может этого и хватит...
a_chernysh
22.01.2022 19:00Вопрос как раз в тему. Такие вещи и делаются двумя направленными ответвителями + 3 согласованные нагрузки. Ответвители децибел на 40, чтобы ничего не сжечь.
soceng
22.01.2022 20:18+1У HackRF One — один порт, который служит и выходом передатчика и входом приемника.
Но, если у вас всё же есть такое устройство с раздельными разъемами TX и RX и вы хотите к нему подключить устройство с объединенным TX/RX портом — может подойти вариант использования диплексера (https://en.wikipedia.org/wiki/Diplexer), если ваш телефон работает в режиме с частотным разделением (uplink, downlink — в разных частотных диапазонах).
Про РЧ циркуляторы уже тоже вам написали.
Что бы вы не использовали — не забудьте аккуратно посчитать уровни мощности сигналов, подобрать аттенюаторы там, где они нужны, корректно проработать требования к развязке диплексера или циркулятора, может быть не всё очень просто, чтобы достичь тех целей, которые вам требуются.
enclis
21.01.2022 17:08Ну так много ссылок на свой инстаграмм я никогда в жизни не видел, при этом статья скомканная и поверхностная. То что есть на википедии имеет намного больше информации (может Гизеля не хватает), перевели бы лучше её на русский язык, вставить ссылки на свою инсту не получится, но пользы намного больше.
Chayko_true
21.01.2022 19:16По делителю Вилкинсона есть еще одна интересная вещь - он же насколько я помню вполне себе двунаправленный и работает как сумматор. То есть при подаче мощности на два порта, которые в первом случае выходные, на порту, который был входным получим чистую сумму на выход.
drWhy
21.01.2022 22:17Подскажите пожалуйста, возможен ли ответвитель без гальванической связи для кабельного телевидения, т.е. 50-860 МГц? Если да, то это позволило бы развязаться с разветвлённой сетью кабельного оператора, не пуская его грязную землю в свою сеть.
Leka_engineer Автор
22.01.2022 00:43+1вам нужен НО с лицевой или боковой связью, такие НО без гальванической связи. Но я не поняла, что значит "не пустить землю", поясните, пожалуйста
drWhy
22.01.2022 17:34Спасибо. Т.е. широкополосность не помеха?
Был такой кейс — при присоединении коаксиального кабеля от оператора кабельного ТВ к сети начинали раскачивать 50 Гц мощные звуковые усилители. По оплётке кабеля на общую землю входил весь мусор, собранный с нескольких соседних подъездов жилого дома. Усилители с микшером были скоммутированы баллансными кабелями, но к микшеру было подключено несколько бытовых источников сигналов с общей землёй, в т.ч. ТВ тюнер.
Помогла развязка через ответвитель на коаксиальном кабеле, вспомнился способ подключения абонентов на спуске общей антенны, там магистраль проходила на каждом этаже через петлю многопроводного коаксиального кабеля, а абоненты были подключены каждый к своему отрезку кабеля, вторым концом присоединённым к земле через согласующий резистор 75 Ом. Но такой способ чувствителен к частоте канала, некоторые просаживались, а каналы после примерно 600 МГц не проходили вовсе. Позже решилось преходом на IPTV.
Недавно индикатором ЭМ поля проследил коаксиал CATV дома — прибор жалобно пищит по всей длине кабеля, было бы неплохо отсечь что можно прямо на входе.
BoJIocaTa9I_KpeBeTKa
22.01.2022 00:38+2Господи, Олеся, где же вы были раньше! Только ради того, чтоб сказать "Спасибо" за Вашу статью зарегистрировался на сайте. Попалась бы это статья мне на полгода пораньше, когда всю эту баламуть пришлось осваивать самому с нуля.
N1X
Очередная забавная разница в терминологии... Как раз пару дней назад смотрел ролик на youtube, где автор (англ.) назвал его "rat race coupler", я вначале не понял что он говорит, даже выгуглить не сразу получилось (вначале искал "retrace"), потом уже когда правильное название нашел похихикал, что у нас как правило сухой академический язык, и я не припомню таких забавных названий...
radonit
Беличье колесо, вполне официальный термин - упругая опора в ВРД
Zadorik
Что такое упругая опора в ВРД?
radonit
https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-vliyaniya-harakteristik-uprugih-elementov-opor-rotorov-na-dinamiku-gtd
Вот например статья, подшипник и статор соединяются не напрямую а через упругий элемент, например бедичье колесо, для разнесения критической частоты вращения ротора и его собственноц частоты колебаний
Zadorik
Можно все же расшифровать ВРД?
iggr63
"Rat race" довольно популярное название в СВЧ электронике. В двойных балансных смесителях диоды тоже образуют цепочку напоминающую на мышей которые бегают по кругу гоняясь за хвостами друг друга.