13.4.2. Тройники

Тройником называется трехплечное устройство (шестиполюсник), образованное сочленением трех отрезков линии переда­чи. Такое устройство описывается матрицей || S || (12.43) при N= 3. Тройники обычно используют либо для деления мощности вход­ного сигнала на две «(в общем случае неравные части), которые передаются по отдельным линиям передачи, либо для сложения и передачи по одной линии сигналов, создаваемых двумя источни­ками. В зависимости от типа сочленяемых линий тройники назы­вают волноводными, коаксиальными, полосковыми, коаксиально-волноводными, коаксиально-полосковыми и т.д. Наиболее часто применяют Т-образные тройники (рис.13.24) (продольные оси двух отрезков линии совпадают, а ось третьего перпендикулярна к ним) и Y-сочленения (угол между продольными осями соседних от­резков линии равен 120°) (рис. 13.25). Для волноводных тройников используют, кроме того, дополнительную классификацию. Если

разветвление волноводов происходит в плоскости, параллельной продольным осям линий и вектору Е в каждой из них, тройник называют Е-плоскостным, а если в плоскости, параллельной продольным осям и вектору Н в каждой из них-то Н-плоскостным. Волноводные Е-плоскостной и W-плоскостной Т-тройники, а также Н-плоскостное У-сочленение прямоугольных вол­новодов показаны на рис. 13.26 и 13.27 и 13.25 соответственно. На рис. 13.24 изображен микрополосковый Т-тройник.

Рассмотрим принцип действия волноводного Н-плоскостного Т-тройника (рис. 13.27). Все волноводы имеют одинаковые попе­речные размеры и рассчитаны на одноволновый режим. Пусть в плече 1 распространяется волна Н₁₀, переносящая мощность Р, Эта волна возбуждает поле в области разветвления волноводов и частично отражается обратно в плечо 1. Примерная структура силовых линий возбуждаемого магнитного поля в области раз­ветвления показана на рис. 13.28. При этом, поскольку плечи 2 и 3 расположены симметрично относительно плеча 1, в них возбуж­даются волны Н₁₀, векторы Е которых имеют одинаковые амп­литуды и фазы на одинаковом расстоянии от плоскости симметрии тройника (см. возбуждение прямоугольного волновода рис. 13.12 или 13.13). Для устранения отраженной волны в плече 1 в тройник параллельно вектору Е вводят индуктивный штырь, как показано на рис. 13.27. Штырь создает в плече 1 дополнительную отра­женную волну, компенсирующую первую. Полную компенсацию обеспечивают, подбирая величины d и t (см. рис. 13.27).

В согласованном таким образом трой­нике мощность Р₁ поровну де­лится между выходными плеча­ми 2 и 3, т.е. Р₂=Рз=Р₁/2. Имеет место и обратное явление: если в плечах 2 и 3 одновременно возбудить волны H₁₀ с одина­ковыми амплитудами и фазами векторов Е, то мощности, пере­носимые волнами, сложатся и поступят в плечо 1. При подаче мощности в плечо 2 тройника мощности на выходах плеч 1 и 3 уже не будут равны друг другу из-за их несимметричного относительно плеча 2 расположения. Кроме того, в плече 2 появится отраженная волна, т.е. тройник, согласованный со стороны плеча 1, будет рассогласован со стороны второго и третьего плеч [46]. Очевидно, что из всех возможны конструкций H-тройников только Y-сочленение (см. рис.13.25) обеспечивает равное деление мощности между вы­ходными плечами при возбуждении любого из трех плеч.

Если в плече 1 волноводного Е-плоскостного Т-тройника (см. рис. 13.26) возбудить волну Н₁₀, переносящую мощность Р₁ то эта волна, частично отражаясь, будет возбуждать поле в области разветвления. Примерная структура силовых линий вектора Е, возникающего в области разветвления, показана на рис. 13.29. При этом в плечах 2 и 3 возбуждаются волны Н₁₀, векторы Е которых имеют одинаковые амплитуды, а их фазы отличаются на п на одинаковом расстоянии от плоскости симметрии тройника. Для компенсации отраженной волны в плече 1 создают дополни­тельную отраженную волну, помещая в это плечо индуктивную диафрагму (см. рис. 13.26) и подбирая ширину щели в диафрагме и расстояние от диафрагмы до разветвления. В согласованном таким образом тройнике входная мощность Р₁ делится пополам и поступает на выходы плеч 2 и 3. Имеет место и обратное явление. Если в плечах 2 и 3 одновременно возбудить волны Н₁₀, векторы Е которых на одинаковом расстоянии от плоскости симметрии тройника будут иметь одинаковые амплитуды, а их фазы будут отличаться на я, то в области разветвления образуется электромагнитное поле, примерная структура силовых линий векто­ра Е которого показана на рис. 13.29. При этом в плече 1 будет возбуждаться волна Н₁₀, переносящая мощность, равную суммарной мощности, посту­пающей в плечи 2 и 3.

Волноводные тройники могут строиться из волноводов разных типов. На рис. 13.30 показан волноводный Т-тройник, образо­ванный отрезками прямоугольного и круглого волноводов, рабо­тающих на низшем типе волны. Такой тройник обладает рядом интересных свойств. При возбуждении волны Н₁₀ в плече 1 в области разветвления возникает структура электрического поля, показанная на рис.13.31,а. Поскольку плечи 2 и 3 расположены симметрично относительно плеча 1, в круглом волноводе воз­буждаются две волны H_11, бегущие в разные стороны от развет­вления и имеющие одинаковые амплитуды и фазы векторов Е₂ на одинаковом расстоянии от плоскости симметрии. При этом плос­кость поляризации векторов Е₂ волн Н₁₁ в центре круглого волновода перпендикулярна продольной оси волновода плеча 1. Подобный тройник можно использовать в качестве трансфор­матора волны Н₁₀ прямоугольного волновода в волну Н₁₁ круглого, если в плече 3 установить коротко замыкающую пластину на рас­стоянии Λ/4 от центра разветвления (см. коаксиально-волноводный переход рис.13.5), где Λ-длина волны Н₁₁ в круглом волноводе. Если, в тройнике (см. рис.13.30) возбудить в плече 2 волну Н₁₁, для которой вектор Е₁ в центре волновода параллелен продольной оси прямоугольного волновода, то мощность, пере­носимая этой волной, в плечо 1 ответвляться не будет. Примерная картина силовых линий вектора электрического поля, возни­кающего при этом в области разветвления волноводов, показана на рис. 13.31, б. В этом случае волна Н₁₀ в плече 1 не возбуждается. Поэтому мощность со входа 2 проходит в плечо 3 и частично отражается от области разветвления в плечо 2. Для устранения отражений в щели в месте сочленения волноводов располагают тонкие металлические провода (см. рис.13.30). Этим уменьшается влияние щели на распространение волны Н₁₁ с поляризацией Е₁ .В то же время провода практически не влияют на передачу мощности из прямоугольного волновода в круглый, поскольку вектор Е как в прямоугольном волноводе, так и в круглом (для поляризации Е₂) перпендикулярен им.

Рассмотрим полосковые и коаксиальные тройники. На рис. 13.32 показана прибли­женная эквивалентная схема такого трой­ника. Пусть волновые сопротивления линий, образующих плечи 1, 2 и 3, равны Z_B1, Z_B2 и Z_B3 соответственно. Предположим, что в плече 1 распространяется низшая волна, пе­реносящая мощность P_1, а плечи 2 и 3 нагру­жены на согласованные нагрузки. Поскольку линия, образующая плечо 1, в точках раз­ветвления (рис. 13.32) нагружена на параллельное

соединение входных сопротивлений линий, образующих плечи 2 и 3, и равных их волновым сопротивлениям, то условие отсутствия отраженной волны от места соединения линий можно записать в виде 1/Z_b1 = 1/Z_b2 ⁺ 1/Z_b3. Мощность, переносимая по линии TEM-волной, обратно пропорциональна волновому сопро­тивлению линии (12.2), поэтому, поскольку линии в плечах 2 и 3 подключены параллельно, отношение мощностей, поступающих на выходы 2 и 3 плеч, будет равно P₂/P₃=Z_B3/Z _{B3 .}Если обозначить Р₂/Рз=т, то записанные выше соотношения позволяют найти Z_B2 и Z_b3, при которых для заданных Z_B1 и т входная мощность полностью поступает в выходные плечи: Z_B2=Z_B1(m + 1)/m и Z_B3 = =Z_B1(m + 1). При равном делении входной мощности (m = 1) имеем Z_B2=Z_b3 = 2Z_b1. На рис.13.24 показана конструкция микрополоскового тройника. Отметим, что для рассматриваемой конструкции эквивалентная схема (см. рис. 13.32) не учитывает влияние не­однородности, возникающей в месте разветвления микрополосковых линий, на распространение волн. Обычно влияние не­однородности незначительно, если геометрические размеры об­ласти разветвления много меньше длины волны. Для построения уточненной эквивалентной схемы тройника (рис. 13.24) следует в схему (рис. 13.32) включить эквивалентную схему неоднородности, приведенную в [36]. Если требуется, чтобы волновые сопро­тивления всех линий, подключаемых к плечам тройника, были оди­наковы и равны Z_B, то между местом разветвления и выходами плеч 2 и 3 включают трансформирующие отрезки линии передачи с волновыми сопротивлениями Z_Tp1 и Z_Tp2 соответственно (рис.13.33), причем длина каждого отрезка равна Λ ₀/4, где Λ _о-длина волны в линии, образующей трансформатор, на расчетной частоте f₀. Для обеспечения требуемого коэффициента деления мощности т и отсутствия отраженной волны в плече 1 на частоте

нении рабочей частоты f от f₀ во входном плече 1 появляется отраженная волна, т.е. появляется рассогласование. Полоса со­гласования тройника со стороны плеча 1 при т = 1 будет такая же, как и у четвертьволнового трансформатора, согласующего актив­ные сопротивления, отличающиеся в 2 раза (см. гл.12).

Для расширения полосы согласования со стороны плеча 1 используют несколько трансформирующих ступеней (см. ступенчатый переход гл.12) [33]. При этом можно обеспечить или максимально плоскую или чебышевскую АЧХ согласования. При подаче сигнала в плечо 1 (рис.13.33) фазы сигналов, поступающие на выход плеч 2 и 3, будут одинаковыми независимо от коэффициента деления т и рабочей частоты f.

Как показано в [46], реактивные шестиполюсники, к которым относятся рассматриваемые конструкции (рис.13.24 и 13.33), не могут быть одновременно согласованными со стороны всех плеч, т.е. если обеспечить S₁₁ = 0, то S₂₂≠0 и S₃₃≠0. Кроме того, для таких устройств S₂₃≠0, т.е. между плечами 2 и 3 существует связь. Однако в некоторых применениях к тройникам предъявляют ряд дополнительных требований: обеспечение согласования со сто­роны всех плеч (S₁₁ = S₂₂=S₃₃=0) и обеспечение развязки (от­сутствие связи) между выходными плечами 2 и 3 (S₂₃=S₃₂=0). Например, если тройник используется для сложения мощностей от двух генераторов, работающих на одной частоте. В этом случае стабильная работа генераторов наблюдается при отсутствии отраженных волн от входов тройника и отсутствии взаимной связи между ними. Кроме того, в случае если тройник используется для деления входной мощности, то развязка между плечами 2 и 3 устраняет взаимную связь между несогласованными нагрузками, подключенными к ним.

Для обеспечения согласования со стороны всех плеч и развязки между плечами 2 и 3 в схему тройника (см. рис.13.33) вводят поглощающие элементы, чаще всего сосредоточенные резисторы (см. рис.13.34), называемые балластными сопротив­лениями. Поскольку электрические расстояния от плеча 1 до точек А и В, к которым подключен резистор, равны, при возбуждении плеча 1 в точках А и B ус­танавливаются одинаковые по­тенциалы и ток через резистор отсутствует, т.е. резистор не влияет на передачу мощности из плеча 1 в плечи 2 и 3. При возбуждении плеча 2 мощность в плечо 3 поступает двумя пу­тями: через резистор и через два четвертьволновых транс­форматора, т.е. в плече 3 воз­буждается две волны. Одинаковые амплитуды

этих волн обеспечиваются выбором величины резистора R_6aл. Если расстояние между точками А и В сделать достаточно малым по сравнению с длиной волны (обычно трансформаторы изгибаются для сближения их концов), то сдвиг по фазе волн в плече 3 будет близок к π из-за разных путей, проходимых волнами. Поэтому волны в плече 3 компенсируют друг друга и мощность из плеча 2 не поступает в плечо 3, она частично проходит в плечо 1 и частично рассеивается в резисторе. Для полного согласования тройника и получения идеальной развязки между плечами 2 и 3 его параметры следует выбирать по

требуется обеспечить одинаковые волновые сопротивления подводящих линий Z_b1=Z_b2=2_b3⁼Z_b при неравном делении (m≠1), применяют дополнительные четвертьволновые трансформаторы (рис.13.35). Формулы для расчета подобной схемы можно найти в [30]. Отметим, что в рассмотренных схемах идеальное согла­сование плеча 1 и идеальная развязка между выходными плечами будут лишь на расчетной частоте, для которой длины всех транс­форматоров равны Λ о/4. Кроме того, рассмотренные тройники обеспечивают деление входного сигнала в заданном отношении т и синфазные выходные сигналы на любой частоте рабочего диапазона. Более подробные сведения о частотных характери­стиках полосковых тройников можно найти в [40]. Аналогично конструируются тройники из отрезков коаксиальной линии.