Тапперы, Сплиттеры и Направленные ответвители. Отличия

• Тапперы обычно работают в более широком диапазоне частот.
• У тапперов нет изолированного порта, поэтому изоляция между двумя портами отсутствует.
• Тапперы двунаправленные, то есть входной и выходной порты могут могут меняться местами. Направленные ответвители имеют фиксированный входной и выходной порты (Dual Directional and Bi-Directional Couplers являются двунаправленными).
• В тапперах входной и выходной порты имеют отличный КСВН, но связанный порт имеет плохой КСВН. В то время как в направленных ответвителях все три порта имеют отличный КСВ.
• Тапперы обычно дешевле направленных ответвителей.

Тапперы обычно имеют несколько большие потери, чем направленные ответвители.

По сравнению с направленными ответвителями, ответвители сигнала (Таперры), как правило, имеют гораздо более широкую полосу пропускания и обеспечивают более высокую производительность, чем направленные ответвители, которые становятся сложнее и дороже при более высокой пропускной способности и высокой производительности. Более того, тапперы являются двунаправленными по своей природе и не имеют направленности.

Иногда Тапперы путают со сплиттерами (разветвителями/сумматорами мощности), но они не подходят для задач разделения или суммирования мощности. Это связано с отсутствием изоляции обратного порта и ограниченной связью с портами ответвителей. Как правило, сплиттеры предназначены для равномерного распределения мощности по нескольким портам с высокой изоляцией между каждым из разделённых портов.

Направленный ответвитель, предназначенный для равномерного распределения мощности между двумя портами, называется гибридным ответвителем.

Гибридный  ответвитель (комбайнер), или направленный ответвитель с коэффициентом усиления 3 дБ, в котором оба выходных сигнала имеют одинаковую амплитуду, имеет множество вариантов. Не так давно, когда речь заходила о гибридном ответвителе, на ум приходил квадратурный (90-градусный) ответвитель с коэффициентом усиления 3 дБ, выходы которого сдвинуты по фазе на 90 градусов. Сейчас гибридным ответвителем называют любой согласованный 4-портовый ответвитель с изолированными плечами и равным делением мощности. Отличительной особенностью является разность фаз выходных сигналов. Если 90 градусов, это 90-градусный гибрид. Если 180 градусов, это 180-градусный гибрид. Даже делитель мощности Уилкинсона с разностью фаз 0 градусов фактически является гибридным, хотя четвертое плечо обычно встроено.

Гибридные ответвители применяются в смесителях, сумматорах мощности, делителях, модуляторах и фазированных антенных решетках радаров.

Для когерентных делителей мощности могут использоваться как синфазные (Уилкинсона), так и квадратурные (90°) гибридные ответвители. Делитель мощности Уилкинсона имеет низкий КСВН на всех портах и ​​высокую изоляцию между выходными портами. Входное и выходное сопротивления каждого порта рассчитаны так, чтобы быть равными характеристическому сопротивлению СВЧ-системы. В идеале входная мощность должна быть разделена поровну между выходными портами. Делители состоят из нескольких ответвителей и, подобно ответвителям, могут быть перепутаны и использованы в качестве мультиплексоров. Недостаток четырёхканального мультиплексора заключается в том, что выходной сигнал состоит лишь из 1/4 мощности каждого из них, что относительно неэффективно. Мультиплексирование без потерь возможно только с помощью фильтрующих цепей.

Направленные ответвители: принцип работы, применение и основные характеристики

Точность — это самое главное в радио- и СВЧ-технике. Инженерам часто требуется контролировать сигнал или проверять характеристики системы, не влияя на тракт сигнала. Направленный ответвитель — один из таких компонентов, который может оказать значительную помощь в этом, поскольку он позволяет проводить интеллектуальное и очень экономичное тестирование сигнала.

Направленные ответвители являются неотъемлемой частью проектирования систем связи, тестирования антенных станций и передатчиков. Давайте рассмотрим работу и характеристики направленных ответвителей, их применение, факторы, которые следует учитывать при выборе, а также их преимущества и недостатки для радиочастотных систем.

Что такое направленный ответвитель? Направленный ответвитель — это четырёхвыводной пассивный радиочастотный компонент, позволяющий выделять небольшую часть радиочастотного сигнала из линии передачи в зависимости от направления его распространения. Направленные ответвители отличаются тем, что, в отличие от разветвителей мощности, они спроектированы для отбора части сигнала только в одном направлении.

Это отлично подходит для мониторинга сигналов без помех в основном тракте сигнала; другими словами, вы можете заглянуть внутрь радиочастотного сигнала. Они широко применяются для тестирования радиочастотных устройств, измерения мощности, построения цепей обратной связи и диагностики антенных систем.

Как работает направленный ответвитель?

Типичный направленный ответвитель имеет четыре порта:

Схема направленного ответвителя
1. Входной порт — через который основной сигнал поступает в устройство.

2. Выходной порт — через который сигнал проходит через нагрузку.

3. Связанный порт — через который небольшая часть сигнала отводится только в прямом направлении.

4. Изолированный порт – в идеале не принимает сигнал, часто нагружен согласованной нагрузкой для поглощения отражений.

Направленные ответвители представляют собой линии передачи или комбинации сосредоточенных схемных элементов, что гарантирует, что сигналы, распространяющиеся в одном направлении, частично попадают на сопряженный порт, а остальная часть направляется обратно по входной линии передачи, в то время как любой сигнал, распространяющийся в противоположном направлении, в значительной степени подавляется и возвращается обратно на вход.

Это достигается за счет направленной чувствительности, при которой конструктивная и деструктивная интерференция разумно распределяются по трактам передачи.

Например, при подключении генератора сигналов к входу часть сигнала будет отправлена ​​на выход, как и небольшая выборка сигнала, поступающего на сопряженный порт. Однако любые отраженные сигналы, возвращающиеся на выход (например, при несогласованной нагрузке), попадают на него по-другому; в подавляющем большинстве случаев они просто направляются на изолированный порт. Это позволяет устройству различать прямую и обратную мощность.

Конструкция направленного ответвителя
Типичный направленный ответвитель может быть построен из сегментов линий передачи, таких как микрополосковые, полосковые или коаксиальные линии, расположенных на достаточном расстоянии друг от друга для передачи энергии посредством электромагнитной связи. Эти парные линии спроектированы и рассчитаны таким образом, чтобы часть передаваемого по ним сигнала могла быть отведена и направлена ​​через вторичный порт с минимальным уровнем сигнала в обратном направлении.

В других конструкциях линии передачи заменяются трансформаторами (на низкой частоте) или гибридными переходами. Расстояние между ними и физическая компоновка крайне важны для обеспечения ожидаемого коэффициента связи, направленности и частотного диапазона.

Основные характеристики направленных ответвителей
При выборе или применении направленного ответвителя необходимо учитывать множество факторов:

Коэффициент связи — это величина мощности сигнала, отводимого от основной линии. Обычно он измеряется в децибелах (дБ). Возьмём ответвитель с коэффициентом усиления 10 дБ, подающий на сопряжённый порт 1/10 входной мощности.

Направленность — это то, насколько хорошо ответвитель различает прямой и обратный сигналы. Высокое качество направленности подразумевает, что отражённые сигналы выходного порта хорошо разделены на сопряжённом порту, и это, по сути, определяет точность измерений.

Вносимые потери — это потери сигнала в основной линии ответвителя (от входа до выхода). Предпочтительно, чтобы они были как можно меньше и использовались в системах высокой мощности или с низкими потерями.

Диапазон частот определяет рабочую полосу, в которой работает ответвитель. Широкополосные ответвители сложнее проектировать, и они могут быть меньше или иметь меньшую направленность.

Максимальная мощность — это максимальная мощность, которую можно подать на ответвитель без вероятности повреждения или нарушения его работы. Это особенно важно для мощных передатчиков и радиочастотных испытательных систем.

Преимущества направленных ответвителей
Главное преимущество направленных ответвителей заключается в том, что они позволяют измерять или контролировать сигналы, не влияя на тракт сигнала. Именно поэтому они чрезвычайно ценны для мониторинга радиочастот в режиме реального времени, где от них полностью зависят точность и целостность сигнала.

Недостатки направленных ответвителей
Направленные ответвители не обладают идеальными характеристиками, хотя и имеют преимущества. Одним из ограничений является их фиксированный коэффициент связи, который невозможно изменить после изготовления ответвителя. Это может привести к необходимости поддерживать два или более значений коэффициента связи для различных применений.

Кроме того, хотя хорошие направленные ответвители обладают достаточной жесткостью в плане направленности, это может ограничивать их частотный диапазон. Разработка широкополосного направленного ответвителя с высокой направленностью и низкими вносимыми потерями может быть сложной и дорогостоящей.

Направленный ответвитель и делитель мощности (сплиттер): в чём разница?
Важно отметить, что направленный ответвитель и делитель мощности — это не одно и то же, поскольку эти термины легко перепутать.

Сплиттер/Разветвитель мощности (или делитель) — это устройство, которое разделяет входящий сигнал на два или более каналов с равными или заданными уровнями мощности и не является направленным. Он не различает прямой и обратный сигналы.

Направленный ответвитель, с другой стороны, отвечает за направление сигнала: он только отводит сигнал, идущий в одном направлении, и изолирует сигнал, идущий в другом. Эти характеристики направленности позволяют использовать его для измерения прямой и отраженной мощности, что необходимо для оценки характеристик антенны или для обнаружения рассогласования.

Заключение
Направленные ответвители играют важную роль в проектировании, измерении и мониторинге радиочастотных устройств. Они позволяют инженерам перехватывать и анализировать поведение сигнала в режиме реального времени, не влияя на его характеристики. Эти пассивные компоненты, используемые во всем, от базового мониторинга мощности до сложных радиолокационных и коммуникационных систем, играют важную роль в современной радиочастотной инфраструктуре.

Независимо от того, настраиваете ли вы антенну, диагностируете усилитель или настраиваете цепь обратной связи, один из важнейших навыков, которым должен обладать радиоинженер, — это хорошее понимание принципов работы направленных ответвителей и умение выбрать правильный.