rzeczywistej i zespolonej diagonalnej macierzy impedancji
5. Optymalizacja układów szerokopasmowego dopasowania i dzielnika
Jest to proces iteracyjny i rozwiązanie problemu dopasowania może być bar-dzo trudne. Przy zmianie zadanej charakterystyki promieniowania ten iteracyjny proces się powtarza.
Do rozwiązania tego problemu należy znaleźć macierzowy opis kaskadowego połączenia wielowrotników.
Rozpatrzmy kaskadowe połączenie wielowrotnika obustronnego z obciąże-niem wielowrotnikowym z wykorzystaobciąże-niem macierzy admitancji i rozproszenia układów (rys. 2.11, 2.12). Na rysunku 2.11 jest przedstawiona szczegółowa struk-tura zasilania wielowrotnika obustronnego (a) oraz kaskadowe połączenie wie-lowrotników (b) przy normalizacji rzeczywistej macierzy rozproszenia. Natomiast na rysunku 2.12 pokazano przedstawienie wektorowe kaskadowego połączenia wielowrotników przy normalizacji zespolonej macierzy rozproszenia, która będzie wykorzystywana dalej.
Macierz admitancji jest bardziej dokładna przy realizacji komputerowych ob-liczeń układów, natomiast macierz rozproszenia ułatwia obliczenie wartości i ograniczeń parametrów energetycznych, tak poszczególnych układów, jak i całe-go układu wielowrotnikowecałe-go [75].
Wielowrotnik obustronny jest szczególnym przypadkiem jednostronnego (p. 2.2), kiedy część wrót jest pokazana z lewej strony i odniesiona do grupy wejść
„”, zaś pozostała część – do prawej strony i tworząca grupę wejść „”.
44
Rys. 2.11. Zasilanie wielowrotnika obustronnego (a), kaskadowe połączenie wielowrotników(b)
-normalizacja rzeczywista
Rys. 2.12. Przedstawienie wektorowe, zasilanie wielowrotnika obustronnego (a), kaskadowe połączenie wielowrotników (b) - normalizacja zespolona
Macierz admitancji. Rozpatrzmy najpierw zastosowanie macierzy admitan-cji. Dla wielowrotnika obustronnego (rys. 2.12,a) mamy [75]:
gdzie: litery , oznaczają strony wzbudzenia wielowrotnika, U, i I , – wektory napięć i prądów na wejściach wielowrotnika, Y , Y , Y , Y - poszczególne bloki macierzy admitancji wielowrotnika YN ; dla układu odwracalnego Y =Yt , Y =Yt , Y =Yt .
Przy kaskadowym połączeniu tego układu z obciążeniem zespolonym uwzględniono wzbudzenie całego układu z „lewej” strony oraz obciążenie wie-lowrotnikowe (rys. 2.12b):
α generatorów; Y – poszukiwana wypadkowa macierz admitancji kaskadowego
połączenia wielowrotników; YA – macierz admitancji obciążenia (układu anteno-wego); znak „–” uwzględnia przyjęty dodatni kierunek prądów obciążenia. Pod-stawiając I do dolnego równania (2.67), otrzymamy dla napięcia na obciążeniu:
βα α1 ββ
β Y Y Y U
U A . (2.69)
Rozwiązując górne równanie (2.67) razem z (2.69) uzyskujemy sumaryczną macierz admitancji:
βα1 ββ αβ
αα
Σ Y Y Y Y Y
Y A . (2.70)
Zatem z równań (2.68) otrzymamy wektor napięcia wejściowego:
α 1 Σ α
α (z Y 1) E
U . (2.71)
Jeśli wielowrotnik obustronny (rys. 2.11b, rys. 2.12b) zawiera układy dopaso-wujące, to mają one za zadanie przekształcenie parcjalnych impedancji poszcze-gólnych wejść układu wielowrotnikowego (rys. 2.11b), zwiększając przesyłanie mocy w całym układzie. Używając wzorów (2.68) - (2.71), można obliczyć te im-pedancje parcjalne w cięciach i :
i i
i U I
Zα α / α , ZβiUβi/Iβi, (2.72) gdzie U, i , I, i – elementy odpowiednich wektorów napięć i prądów (2.68).
Jak widać ze wzorów (2.68)-(2.72), wartości impedancji parcjalnych zależą od wszystkich parametrów całego układu wielowrotnikowego oraz wektora wzbudze-nia. Warto podkreślić, że impedancje parcjalne obciążenia Z i też zmieniają się przy podłączeniu układów dopasowujących. Ten fakt będzie uwzględniony dalej przy opracowaniu algorytmów optymalnego dopasowania układów wielowrotni-kowych.
Do oceny poziomu dopasowania najczęściej używane są parametry WFS i współczynnik odbicia ściśle związane z impedancjami parcjalnymi i wyjściowy-mi; wtedy na wyjściach generatorów:
|)
| 1 /(
|)
| 1
( α α
αi s i s i
WFS , sαi (Zαiz*αi)/(Zαizαi), (2.73) gdzie z i – wewnętrzne impedancje generatorów. Zaś na wejściach obciążenia zespolonego mamy:
|)
| 1 /(
|)
| 1
( β β
βi s i s i
WFS , sβi (Zβiz*wyji)/(Zβizwyji), (2.74) gdzie: zwyj i – wyjściowe impedancje układu dopasowującego, które zależą też od wektora wzbudzenia przeliczonego w cięciu „” i od pełnej wyjściowej macierzy admitancji układu dopasowującego:
β α 1 1 α α α α β β β
wyj Y Y (Y z ) Y
Y . (2.75)
W szczególnym przypadku wielowrotnik obustronny N może przedstawiać wielowrotnik dopasowujący, wykonany w postaci oddzielnych czwórników
opty-46
malnych. Wtedy bloki macierzy admitancji (2.67) będą diagonalne, co znacznie upraszcza obliczenia i optymalizację układów. W tym przypadku wyjściowe impe-dancje układu dopasowującego (2.74) nie zależą od wektora wzbudzenia i mogą być wyznaczone skalarnym wzorem:
i sprawność układu dopasowującego (rys. 2.12b) odpowiednio równa się:
α Σ α
α U Re(Y )U
P , PβUβ Re(YA)Uβ, ηPβ/Pα. (2.77) Przedstawiony aparat matematyczny na podstawie macierzy admitancji został wykorzystany przy opracowaniu oprogramowania Complex do analizy różnych struktur układów wielowrotnikowych, w tym wzmacniaczy i anten oraz systemów radiowych (p. 6.4) [95].
Macierz rozproszenia. Rozpatrzmy zespoloną normalizację macierzy rozpro-szenia wielowrotnika obustronnego SN w postaci blokowej (rys. 2.11a, rys. 2.12a) [11]. Wtedy wektory fal padających i odbitych normalizowanych względem po-szczególnych impedancji zespolonych generatorów z i z i dla portów „” i „” oraz macierz rozproszenia [11], [16], [105]:
Bloki macierzy rozproszenia SN mają szczególny sens fizyczny, ten sam jak w podstawowym przypadku wielowrotnika jednostronnego (patrz p. 2.2) i określają właściwości samego wielowrotnika obustronnego przy dołączonych do niego ob-ciążeniach normalizacji, tj. rezystorach dopasowanych lub impedancjach zespolo-nych (rys. 2.11a, rys. 2.12a).
W ogólnym przypadku rozmiary poszczególnych bloków są różne (rys. 2. 11), (2.78): S – macierz kwadratowa o rozmiarach (m)(m), S – prostokątna – (n-m)(m), S – też prostokątna – (m)(n-m), S – kwadratowa – (n-m)(n-m).
Rozpatrzmy właściwości elementów bloków macierzy rozproszenia wie-lowrotnika obustronnego SN .
Elementy diagonalne bloku S są współczynnikami odbicia od wejść ze stro-ny „” przy kolejnym podłączaniu do nich jednego generatora (zasilanie z „lewej”
strony), a do pozostałych wejść „” i wszystkich wejść „”– obciążeń normaliza-cji. Elementy pozadiagonalne są normowanymi współczynnikami transmitancji
napięcia pomiędzy poszczególnymi wrotami „” przy tych samych warunkach zasilania. Elementy bloku pozadiagonalnego S są normowanymi współczynni-kami transmitancji napięcia od poszczególnych wejść ze strony „” do wszystkich wejść „” i mogą być określone przy tym samym „lewym” zasilaniu wielowrotnika obustronnego.
Elementy bloków diagonalnego S i pozadiagonalnego S także są współ-czynnikami odbicia od wejść „” (elementy diagonalne bloku S), normowanymi współczynnikami transmitancji napięcia pomiędzy wrotami „” (elementy poza-diagonalne bloku S) lub normowanymi współczynnikami transmitancji napięcia od poszczególnych wejść „” do wszystkich wrót „” (wszystkie elementy bloku S) i mogą być określone w sposób analogiczny przy zasilaniu z „prawej” strony wielowrotnika obustronnego (rys. 2.11a, rys. 2.12a). Dla układu bezstratnego ma-cierz rozproszenia jest unitarna: SN S+N =1 (p. 2.2). Przy wzbudzeniu jednostron-nym: (a =0), b =S a, b =S a, gdzie aα0.5R0α.5Eα.
Dla kaskadowego połączenia obwodu dopasowującego N z obciążeniem ze-spolonym wektory fal padających i odbitych dla wrót „” są związane równaniem a = SA b , gdzie b – fale padające, natomiast a – fale odbite od wrót obciążenia (anteny), SA – macierz rozproszenia układu antenowego, normalizowana do diago-nalnej macierzy zespolono sprzężonych impedancji
z
i związana z macierzą im-pedancji anteny wielowrotnikowej:5 . 0 β 1 β β
5 . 0
β (Z z )(Z z ) R
R
SA A A , ZA YA1. (2.79) Określimy macierz rozproszenia wielowrotnika jednostronnego S zawierają-cego wielowrotnik obustronny podłączony do obciążenia wielowrotnikowego (rys. 2.11b, rys. 2.12b). Dlatego jeśli wstawić a =SA b w drugie równanie (2.78), otrzymamy:
α α β 1 β β
β (1 S S ) S a
b A . (2.80)
Jeśli wstawić (2.80) w pierwsze równanie (2.78), uwzględniając a = SA b , otrzy-mujemy:
α Σ α α β 1 β β A β α α α α
α S a S S (1 S S ) S a S a
b A . (2.81)
Stąd, podobnie jak dla macierzy admitancji, można określić macierz rozproszenia kaskadowego połączenia wielowrotników:
α β 1 β β β
α α α
Σ S S S (1 S S ) S
S A A . (2.82)
Normowana sumaryczna moc wejściowa całego układu wielowrotnikowego (rys. 2.12b) dla danego dowolnego wektora wzbudzającego a określona jest ilora-zem Rayleigha [13], [48]:
48 wielowrotników. Jeśli obustronny wielowrotnik jest bezstratny, to taka sama moc będzie w układzie antenowym: P = P .
W przypadku dopasowania idealnego : S = 0, D = 1, P = Pmax = aαaα.
Macierz D jest hermitowska i unitarnie podobna do diagonalnej rzeczywistej dodatniej macierzy jej wartości własnych
d
i:1 gdzie V – zespolona unitarna macierz wektorów własnych macierzy D. Pokazano [48], że sumaryczna moc wejściowa jest ograniczona minimalną i maksymalną wartością własną macierzy dyssypacji kaskadowego połączenia wielowrotników:
max
Wtedy problem dopasowania i optymalizacji energetycznego układu anteno-wego sprowadza się do syntezy układu wzbudzającego w celu maksymalizacji minimalnych i maksymalnych wartości własnych sumarycznej macierzy dyssypacji D w danym paśmie częstotliwości.
Normowana sumaryczna moc w obciążeniu wielowrotnikowym (rys. 2.12b) dla danego dowolnego wektora wzbudzającego a na ogół też określa się ilorazem Rayleigha: napięć i prądów mogą być też obliczone poprzez macierze rozproszenia, co prawda nieco bardziej skomplikowanie:
1
Wyżej opisane wartości własne macierzy dyssypacji kaskadowego połączenia wielowrotników nie zależą od wektora wzbudzenia, ale od konfiguracji anteny (obciążenia wielowrotnikowego) i towarzyszących jej układów.
Z wektorem wzbudzenia wielowrotnikowej anteny związane są następujące parametry [79], [85]:
– ekwiwalentny współczynnik fali bieżącej (WFBekw) :
|
– maksymalny zysk kierunkowy układu antenowego:
ant
|e ant|– moduł maksymalnej wartości natężenia pola elektrycznego w odległości r;
– efektywna izotropowa moc promieniowana EIRP układu antenowego:
ant ant ant
ef P D
P . (2.90)
Wprowadzone macierze admitancji i rozproszenia oraz parametry energetycz-ne opisują problem optymalenergetycz-nego dopasowania różnorodnych wielowrotnikowych struktur, np., połączenia danego układu antenowego z zestawem generatorów po-przez szerokopasmowy wielowrotnikowy układ wzbudzenia i dopasowania.
Rozpatrzmy struktury i właściwości macierzy rozproszenia wielowrotniko-wych układów odsprzęgających i komutatorów fazowielowrotniko-wych (patrz p. 1.1).
W ogólnym przypadku obciążenia wielowrotnikowego (rys. 2.12b) jego ma-cierz rozproszenia ma rozkład syngularny (patrz wzory (2.19), (2.20) w p. 2.1) uni-tarne macierze wektorów własnych macierzy hermitowskich, odpowiednio SASA oraz SA SA: wzorach (2.92) wykorzystano dla pierwszej macierzy „prawy” rozkład unitarny, zaś dla drugiej – „lewy” (patrz wzory (2.16), (2.17) w p.2.1).
Po przemnożeniu wzoru (2.91) z lewej strony na unitarną macierz VA, a z
który sprowadza pełną macierz SA do formy diagonalnej jej wartości własnych za pomocą macierzy wektorów własnych hermitowskich macierzy SASA i SASA.
Jeśli macierz rozproszenia dla szczególnych struktur układu obciążenia jest normalna (SASASASA) (p. 2.1), to wektory własne równają się VA WA i macierz rozproszenia układu obciążenia ma rozkład unitarny:
50
1 V V V V
SA A{sAi} A, A A . (2.94) Po przemnożeniu tego wzoru z lewej strony na macierzVA, a z prawej na VA, otrzymamy też wzór diagonalizacji danej macierzy SA za pomocą macierzy jej wektorów własnych:
A A A A }
{s i VS V . (2.95)
Wzory (2.93), (2.95) będą dalej wykorzystane do określenia właściwości ukła-dów odsprzęgających.
Łatwo pokazać, że dla bezstratnego układu obustronnego (rys. 2.12) wartości własne macierzy dyssypacji kaskadowego połączenia wielowrotników D (2.84) są związane z wartościami syngularnymi macierzy rozproszenia obciążenia wie-lowrotnikowego:
2 A |
|
1 i
i s
d . (2.96)
Zatem problem optymalizacji i dopasowania układów wielowrotnikowych sprowadza się do maksymalizacji (minimalizacji) wartości własnych macierzy dys-sypacji D (2.84) (wartości syngularnych macierzy S (2.82)) w danym paśmie częstotliwości [79].
Rozpatrzmy szczególny przypadek wielowrotnika obustronnego (rys. 2.12a), dość ważny do syntezy wielowrotnikowych układów odsprzęgających i komutato-rów fazowych, kiedy jego macierz rozproszenia ma zerowe bloki diagonalne [63], [72], [73]:
0 S
Sαα ββ , czyli:
S 0 S S 0
α β
β α
N . (2.97)
Warunek S = 0 oznacza, że przy zasilaniu wielowrotnika z „lewej” strony („”) i dołączonych obciążeniach normalizacji (rezystorach dopasowanych lub impedancjach zespolonych) ze strony „”, (rys. 2.12a) wszystkie współczynniki odbicia dla generatorów są zerowe (wielowrotnik – idealne dopasowany), a także wszystkie normowane współczynniki transmitancji napięcia pomiędzy tymi wro-tami są też zerowe (wejścia wielowrotnika – idealne odsprzęgane). To samo mamy przy warunku S = 0 dla współczynników odbicia i transmitancji napięcia przy zasilaniu z prawej strony („”) i podłączeniu obciążeń normalizacji do wrót „”
(rys. 2.12a). Taki wielowrotnik zapewnia tylko transmitancję pomiędzy idealne dopasowanymi wrotami od wejść „” do „” i w odwrotnym kierunku.
Ten wielowrotnik obustronny z zerowymi diagonalnymi blokami macierzy rozproszenia nazywa się odsprzęganym-dopasowanym (ang.: uncoupled-matched network [73]). Pokażemy dalej, że idealne układy odsprzęgające i komutatory fa-zowe są wielowrotnikami odsprzęganymi-dopasowanymi. Taką samą macierz roz-proszenia wielowrotnika odsprzęganego-dopasowanego mają idealne modele
urzą-dzeń sumowania mocy generatorów, układy fazowania generatorów, urządzenia wzbudzające układy antenowe itp. [61], [63].
Wielowrotnik odsprzęgany-dopasowany (rys. 2.12a) nazywa się komutato-rem fazowym (rys. 1.4a, p.1.1), jeśli moduły wszystkich elementów bloków poza-diagonalnych S i S są równe miedzy sobą, zatem układ zapewnia tylko różny rozkład faz sygnałów wyjściowych po przełączeniu jednego generatora do różnych wejść wielowrotnika. Przy czym ten układ może być zasilamy tak z „lewej”, jak i z „prawej” strony przy podłączeniu obciążeń dopasowanych. Dla obciążeń niedo-pasowanych rozkład faz na wyjściach komutatora może ulec zmianie.
Przy kaskadowym połączeniu wielowrotnika odsprzęganego-dopasowanego z dowolnym obciążeniem wielowrotnikowym (rys. 2.12b) wzór (2.82) dla suma-rycznej macierzy rozproszenia przy warunku (2.97) znacznie się upraszcza:
α β A β α
Σ S S S
S . (2.98)
Znaczy to, że sumaryczna macierz rozproszenia kaskadowego połączenia wie-lowrotników jest po prostu iloczynem niezerowych pozadiagonalnych bloków ma-cierzy rozproszenia wielowrotnika odsprzęganego-dopasowanego i mama-cierzy roz-proszenia obciążenia wielowrotnikowego bez dość skomplikowanej operacji od-wrócenia macierzy (2.82).
Dalej, jeśli w ogólnym przypadku wielowrotnika obustronnego bloki pozadia-gonalne jego macierzy rozproszenia równe są sprzężeniom hermitowskim macierzy wektorów własnych macierzy rozproszenia obciążenia wielowrotnikowego (2.91), (2.93):
A βα A
β
α V , S W
S , (2.99)
wtedy sumaryczna macierz kaskadowego połączenia wielowrotników staje się diagonalna:
A A A A
Σ { } V S W
S s i . (2.100)
Z tego wzoru wynika, że wszystkie wejścia kaskadowego połączenia wie-lowrotników (rys. 2.12b) są nawzajem izolowane (odsprzęgane). Taki odsprzęga-ny-dopasowany wielowrotnik nazywa się odsprzęgającym dla danego dowolnego obciążenia wielowrotnikowego. Znaczy to, że taki wielowrotnik odsprzęgany-dopasowany podłączony do pełnego układu obciążenia (z pewnymi sprzężeniami pomiędzy wrotami) izoluje wrota wspólnego układu wielowrotnikowego i na wej-ściach kaskadowego połączenia otrzymamy wartości własne macierzy rozproszenia danego układu obciążenia wielowrotnikowego. W taki sposób n-wrotnikowe za-gadnienie analizy i opracowania układów sprowadza się do n zagadnień jedno-wrotnikowych. Innymi słowy, struktura (rys. 2.12b) przy warunku (2.100) jest fizyczną realizacją matematycznego pojęcia przekształcenia podobieństwa i jego szczególnych przypadków (patrz wzory (2.14)-(2.19) w p. 2.1). Ta struktura
po-52
zwala obliczać i mierzyć charakterystyki częstotliwościowe wartości własnych macierzy danego układu wielowrotnikowego, np. antenowego [61].
Zatem żeby wielowrotnik obustronny był układem odsprzęgającym dla danego obciążenia wielowrotnikowego, jego macierz musi spełnić dwa warunki:
a) wielowrotnik musi być odsprzęganym-dopasowanym (mieć zerowe diagonalne bloki) przy obciążeniach dopasowanych;
b) bloki pozadiagonalne muszą być równe macierzom wektorów własnych macie-rzy rozproszenia danego obciążenia wielowrotnikowego.
Warto wyznaczyć, że w ogólnym przypadku ten wielowrotnik odsprzęgający jest układem nieodwracalnym, ponieważ pozadiagonalne bloki jego macierzy roz-proszenia: S S t .
W szczególnym przypadku normalnej macierzy rozproszenia SA obciążenia wielowrotnikowego macierze SASA i SASA mają te same wektory własne (2.94), (2.95), zatem wzory (2.99) sprowadzą się do warunków:
A α β A β
α V , S V
S . (2.101)
Znaczy to, że aby odsprzęgany-dopasowany wielowrotnik był układem od-sprzęgającym dla obciążenia wielowrotnikowego z normalną macierzą rozprosze-nia, bloki pozadiagonalne macierzy rozproszenia tego wielowrotnika muszą być równe macierzom wektorów własnych dla obciążenia wielowrotnikowego:
A A A A
Σ { } V S V
S s i . (2.102)
Zauważmy, że ten wielowrotnik odsprzęgający jest też układem nieodwracal-nym, ponieważ: S S t (2.101).
Układ odwracalny otrzymamy tylko w tym przypadku, kiedy wektory własne dla obciążenia wielowrotnikowego (znaczy i bloki pozadiagonalne układu od-sprzęgającego), są rzeczywiste ortogonalne:
1 T T T T
SA {sAi} t, t . (2.103)
Wtedy przy warunku:
T S
Sβα αβt (2.104)
mamy diagonalną macierz rozproszenia kaskadowego połączenia wielowrotników z rzeczywistą ortogonalną macierzą wektorów własnych macierzy rozproszenia obciążenia wielowrotnikowego:
T S T
SΣ{sAi} t A . (2.105)
Jak pokazano w rozdziałach 3 i 7, rzeczywiste ortogonalne macierze wektorów własnych mają, w tym, obciążenia wielowrotnikowe (układy antenowe) z kołową symetrią elementów w ilości n = 2, 4, 8 itd. [73].
Szczegóły i właściwości macierzy rozproszenia układu odsprzęgającego dla obciążenia wielowrotnikowego z normalną macierzą rozproszenia są zebrane w tablicy 2.2.
Tablica 2.2. Macierze rozproszenia układu odsprzęgającego
Normalna macierz rozproszenia układu obciążenia SA
Rzeczywiste ortogonalne wektory własne T macierzy SA Nieodwracalny układ
odsprzęgający
Odwracalny układ odsprzęgający
V0 V0 SN
1 V V V
Sαβ ,
T 0 T SN 0 t
1 T T T T V
Sβα *, t
Metody i wyniki syntezy komutatorów fazowych i układów odsprzęgających na podstawie transformatorów hybrydowych oraz ich zastosowanie przy opraco-waniu różnych struktur wzmacniaczy wielokanałowych i kompleksów radio-nadawczych przedstawiono w rozdziałach 3, 6, 7 niniejszej monografii [61], [63], [72], [73].
Przy tym przeważnie rozpatrzono układy odsprzęgane-dopasowane, macierze rozproszenia których w idealnym przypadku zawierają rzeczywiste ortogonalne bloki pozadiagonalne.