квадратурный мост

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.

Описание изобретения к патенту

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.