Направленные ответвители
В статье рассматривается работа направленных ответвителей и три примера ответвителей разных типов. Описываются типичные характеристики ответвителей и способы их эффективного использования.
Распространение радиочастотных технологий, применяемых, например, в автомобильных радарах, сотовой связи 5G, интернете вещей (IoT), приводит к увеличению количества источников РЧ-сигналов. Для их правильной работы необходимо отслеживать уровень мощности, а также управлять им, не внося потерь в линии передачи и нагрузку.
Кроме того, поскольку в некоторых приложениях требуется выходной сигнал высокой мощности, требуется разработать способ отслеживания выходных сигналов без прямого подсоединения чувствительных средств измерения, которые могут повредиться при высоких уровнях сигнала.
Определенную сложность представляет собой определение характеристик РЧ-нагрузки, например антенны в широком частотном диапазоне, а так же отслеживание изменения нагрузки и коэффициента стоячей волны во время передачи, которое необходимо для предотвращения отражений высокой мощности и нанесения вреда усилителю.
Перечисленные вопросы решаются путем использования направленных ответвителей в линии передачи. Они позволяют осуществлять тщательное наблюдение за потоком РЧ-энергии в линии, уменьшая уровень мощности на известную фиксированную величину. В процессе выборки направленные ответвители вносят минимальные искажения в сигнал основной линии. Они позволяют различать энергию, переданную в прямом и отраженном каналах, а также отслеживать обратные потери и коэффициент стоячей волны, благодаря чему можно судить об изменении нагрузки во время передачи.
Рисунок 1
Функциональная схема трехпортового (слева) и четырехпортового (справа) ответвителей
Направленные ответвители
Направленный ответвитель является измерительным устройством, установленным в линию передачи между нагрузкой и РЧ-источником, в качестве которого выступает генератор сигнала, векторный анализатор сети или передатчик. Ответвитель позволяет измерять энергию, передаваемую от источника к нагрузке (прямая передача), и отраженную мощность, поступающую от нагрузки в источник. зная обе составляющие, можно рассчитать общую мощность, обратные потери, коэффициент стоячей волны нагрузки.
У направленных ответвителей – четыре порта, которые работают в нескольких конфигурациях (см. рис. 1). Источник, как правило, подключается ко входу ответвителя, нагрузка – к его выходу или порту передачи. Сигнал на связанном выходе представляет собой ослабленный прямой сигнал. На рисунке 1 слева показана степень ослабления. В конфигурации с тремя портами изолированный порт закорочен. Выходной сигнал на этом порту представляет собой отражение (в схеме справа). Стрелками показаны пути прохождения прямого и отраженного сигналов.
Например, в конфигурации с четырьмя портами на входной порт подается прямой сигнал; выходной порт соединен с изолированным портом, который считывает отраженный сигнал. Нумерация портов не стандартизована. Поскольку ответвители являются симметричными устройствами, их можно подключать в обратном направлении. В случае включения с тремя портами изолированным является порт 3. В схеме с четырьмя портами связанный и изолированный порты поменяются местами.
Выходы ответвителя обеспечивают РЧ-сигнал. Связанный и изолированный порты, как правило, подключаются к пиковому детектору или детектору среднеквадратичного значения, кото- рый вырабатывает сигнал основного тона, отнесенный к уровню прямой или отраженной мощности. Комбинацию направленного ответвителя и детектора называют рефлектометром.
В некоторых случаях последовательно соединяются два направленных ответвителя для минимизации утечки между связанным и изолированным портами.
Рисунок 2
Направленный ответвитель на основе трансформаторов
Характеристики
Направленные ответвители характеризуются несколькими параметрами, в т. ч. полосой пропускания, допустимой входной мощностью, вносимыми потерями, неравномерностью АЧХ, коэффициентом связи, направленностью, развязкой, остаточным коэффициентом стоячей волны по напряжению (КСВН).
Полоса пропускания. Полоса пропускания показывает диапазон частот в герцах, на которые рассчитан ответвитель.
Допустимая входная мощность. Максимальная входная мощность, выраженная в ваттах для постоянного и импульсного сигнала. При подаче на вход сигналов с большей мощностью происходит деградация характеристик или физическое повреждение.
Вносимые потери. Этот параметр описывает потери мощности в децибелах, вызванные включением устройства в основную цепь передачи.
Неравномерность. Неравномерность частотной характеристики показывает отклонение амплитуды выходного сигнала в основной линии передачи в децибелах во всей полосе пропускания в зависимости от частоты входного сигнала.
Коэффициент связи. Коэффициент связи представляет собой отношение входной мощности к мощности на связанном выходе, когда порты ответвителя правильно подключены. Выражается в децибелах. Это одна из главных характеристик направленного ответвителя. Выходной сигнал на связанном порту пропорционален мощности в прямом канале (от входа к выходу). Связанный выход подключается к другим приборам, например к осциллографу.
Развязка. Соотношение мощности на входе и на изолированном выходе в децибелах при условии соблюдения правила подсоединения портов.
Направленность. Отношение мощности на связанном порту к мощности на изолированном порту в децибелах при условии соблюдения правила подсоединения портов. В случае ответвителя с тремя портами выполняются два измерения мощности: в прямом направлении и в обратном, когда вход и выход меня- ются местами. Этот параметр характеризует степень разделения прямого и отраженного каналов. В общем случае, чем выше направленность, тем лучше характеристики ответвителя. Направленность нельзя измерить напрямую она рассчитывается по измеренным значениям развязки и обратной развязки.
Остаточный КСВН. Коэффициент стоячей волны по напряжению позволяет судить о согласовании импедансов в ответвителей.
Рисунок 3
Анализ ответвителя на трансформаторах
Топологии ответвителей
Направленные ответвители можно реализовать несколькими способами. Рассмотрим три наиболее распространенные топологии: на трансформаторах, резистивном мосту, связанных линиях передачи.
На рисунке 2 представлена схема на основе двух трансформаторов. Трансформатор Т1 измеряет ток в основной линии между входом и нагрузкой. Второй трансформатор Т2 измеряет напряжение в основной линии по отношению к уровню земли. Коэффициент связи контролируется с помощью N – отношения витков в обмотках трансформатора.
Работу ответвителя на трансформаторах можно проанализировать путем комбинирования напряжений, наведенных в связанной линии каждым трансформатором по отдельности и последующим сложением результатов (см. рис. 3). Напряжение VIN – в прямом канале, VL – в отраженном.
Расчет вк лада трансформатора, осуществляющего измерение тока, в связанную линию для связанного (VF’) и изолированного (VR’) портов приведен в верхней части рисунка 3. Второй трансформатор не показан. Аналогично, в нижней части рисунка 3 показан вклад трансформатора, осуществляющего измерение напряжения (VF” и VR”, соответственно). Напряжение на связанном порту VF определяется путем сложения VF’ и VF”:
Результирующее напряжение на связанном выходе равно входному напряжению, разделенному на отношение витков в обмотках трансформатора. Напряжение на изолированном выходе вычисляется аналогично:
Напряжение на изолированном выходе равно отношению отраженного напряжения к отношению витков в обмотках трансформатора, взятого с обратным знаком. На практике это означает, что отраженное напряжение отстает по фазе на 180° от прямого.
Рассматриваемый направленный ответвитель имеет широкий частотный диапазон. Например, MACP-011045 (компания M/A-Com) имеет полосу пропускания 5–1225 МГц. Коэффициент связи
равен 23 дБ, допустимая мощность 10 Вт. Развязка зависит от частоты и меняется в диапазоне от 45 дБ при 30 МГц до 27 дБ выше 1 ГГц. Размер корпуса – 6,35×7,11×4,1 мм, что позволяет использовать его в большинстве беспроводных устройств.
Ответвители на связанных линиях изготовлены на коаксиальных проводниках или печатных линиях передачи. Две или более линии передачи, обычно длиной в четверть волны, располагаются в непосредственной близости. При этом небольшая часть сигнала проникает из основной линии в связанную (см. рис. 4).
Входной сигнал поступает на вход 1, а большая часть мощности проходит в нагрузку на выход 2. Небольшое количество связывается с второстепенными линиями, подключенными к портам 3 и 4. Поскольку порт 3 является связанным, уровень мощности на нем равен фиксированной доле приложенной мощности. Коэффициент связи зависит от геометрических параметров связанных линий и характеризует мощность на связанном выходе. Отраженная мощность связывается с изолированным выходом (порт 4).
Ответвитель 11302–20 (компания Anaren) является типичным ответвителем на связанных линиях передачи с частотным диапазоном 190–400 МГц и допустимой мощностью 100 Вт.
Он обеспечивает номинальный коэффициент связи 20 дБ, а вносимые потери составляют 0,3 дБ. Схема, выполненная в корпусе размером 16,51×12,19×3,58 мм, предназначена для мониторинга уровня мощности и измерения КСВН в передатчиках невысокой мощности. Размеры ответвителя этого типа напрямую зависят от частотного диапазона. Когда рабочая частота уменьшается, длина должна быть увеличена. Как правило, эти ответвители используют в СВЧ-устройствах для обеспечения небольшого размера.
Наконец, направленные ответвители третьего типа основаны на использовании моста Уитстона. На рисунке 5  приведена структура этих устройств, используемых в детекторе среднеквадратичногозначения и КСВН ADL5920 Analog Devices.
Резистивный мост в ADL5920 разделяет прямое и отраженное напряжение в линии передачи. Приведенный расчет позволяет определить теоретическую направленность устройства на низких частотах. Выходные сигналы VREV и VFwD с моста поступают в детектор, динамический диапазон которого равен 60 дБ. Его выходной сигнал имеет линейную форму (в дБ). Третий выходной сигнал представляет собой разность прямого и отраженного выходных сигналов. Он пропорционален обратным потерям, выраженным в дБ. Частотный диапазон ответвителей на основе моста равен 9 кГц…7 ГГц; допустимая входная мощность равна 33 дБм (2 Вт) для согласованной нагрузки 50 Ом. Вносимые потери составляют 0,9 дБ при 10 МГц и 2 дБ при 7 ГГц. Размер устройства – 5×5 мм, высота – 0,75 мм.
Видно, что резистивный мост обеспечивает наиболее широкий частотный диапазон, доходящий почти до постоянного напряжения. Ответвители на трансформаторах и линиях передачи имеют более ограниченные полосы частот, однако способны работать с более высокой мощностью.
Любое из перечисленных устройств можно применять для получения выборки входной мощности в схемах мониторинга сигнала. Выборку измеряется, чтобы определить уровень мощности, частоты и модуляции с помощью осциллографа или анализатора спектра. Данные используются в петле обратной связи для удержания выходного сигнала в заданном диапазоне.
Условия в нагрузке определяются КСВН, который вычисляется с помощью связанного и изолированного выходов, которые представляют прямой и отраженный сигнал, соответственно:
Обратные потери (ОП) рассчитываются следующим образом:
Рисунок 4
Рисунок 5
Пример сдвоенного направленного ответвителя на линиях передачи. Типичная длина линии равна четверти длины волны (на центральной частоте)
Упрощенная схема двунаправленного моста, используемого в ADL5920 Analog Devices. Согласно приведенному расчету, направленность составляет 33 дБ при условии соблюдения правильного подключения портов
Выводы
Направленный ответвитель является полезным инструментом для измерений в РЧ-схемах. Он позволяет разделить прямую и отраженную мощность. Мы рассмотрели три основные структуры этих ответвителей.
Ответвители имеют малый размер и совместимы с беспроводными устройствами.