Глава 2. Направленные ответвители

2.I. Основные определения

Восьмиполюсник в виде двух отрезков определенным обра­зом связанных линий передачи, который ответвляет заданную часть мощности волны, проходящей по одной линии передачи, в другую ли­нию, называется направленным ответвителем, если в зависимости от направления распространения волны в одной линии волна проходит лишь в один из входов отрезка другой линии. Направленные ответ-вители являются взаимными и реактивными (без потерь мощности)уст~ ройствами. В литературе используется еще одно определение направ­ленного ответвителя. Реактивный восьмиполюсник называется направ­ленным ответвителем, если мощность сигнала, поданного на любой из его входов, распределяется между двумя другими входами и не попа­дает на один из входов.

Рассмотрим простейший пример - волноводный направленный от-ветвитель с двумя отверстиями связи (рис.2.1). Он состоит из двух одинаковых волноводов с общей стенкой, в которой на расстоянии, равном четверти длины волны в волноводе , прорезаны оди­наковые отверстия. Волна, поданная на вход 1 волновода _I такого

устройства, через каждое из от­верстий связи ( А и В ) возбужда­ет в волноводе по две волны, распространяющиеся в противопо­ложных направлениях* Полное поле в волноводе является суммой полей, возбуждаемых отверстиями.

Если доля мощности, ответвляемой через одно отверстие, невелика, и отверстия одинаковые, можно считать, что амплитуды волн, воз­буждаемых разными отверстиями, одинаковы. В сечении 4 фазы волн, возбуждаемых через отверстия А и В , одинаковы, так как обе эти волны до сечения 4 проходят одинаковый путь. Следовательно, вол­ны в этом сечении складываются в фазе; амплитуда волны,выходящей из входа Ц равна удвоенной амплитуде волны, прошедшей через од­но отверстие. Коэффициент передачи определяется величиной отвер­стий.

Поле в сечении 2 тоже является суперпозицией волн, возбуж­даемых через отверстия А и В . Однако длина пути у второй волны больше, чем у первой, на , так как расстояние между отвер­стиями равно . Значит, эти волны приходят в сечение 2 в противофазе. По амплитуде они равны. Следовательно, поле в сече­нии 2 равно нулю, т.е. . Таким образом, в рассматриваемом устройстве сигнал, поданный на вход 1 волновода I , ответвляет­ся в волновод II направленно (только в сторону входа Ц )и не по­падает на вход 2 .

Устройство рис.2.1 симметрично относительно плоскости , поэтому аналогично можно показать, что сигнал,поданный на вход 3 , ответвляется лишь на вход 2 (причем ) и не попадает на вход 4 (т.е. . Вследствие симметрии устройства относи­тельно плоскости в-в запишем:

Из симметрии следует также , При правильном

выполнении устройство согласовано со всех входов, поэтому . На основании изложенного легко записать матрицу рассеяния рассматриваемого направленного ответвителя:

Очевидно, что такую матрицу имеют все направленные ответви­тели, симметричные относительно двух плоскостей при принятой на рис.2.1 нумерации входов. Из (2.1) следует, что все параметры таких устройств определяются двумя комплексными коэффициентами  и  . Однако при записи (2.1) не учтено, что в рассматриваемом устройстве практически нет потерь мощности и его можно считать ре­активным многополюсником. Как известно [I, 2], матрица рассеяния реактивных многополюсников унитарна, ее элементы удовлетворяют со-

отношениям:

Применяя (2.2) к (2.1), получим условия

которые позволяют выразить один из коэффициентов через другой.

Таким образом, параметры направленного ответвителя без по­терь, симметричного относительно двух плоскостей, могут быть вы­ражены через один комплексный коэффициент.

Из второго выражения в (2.3) следует одно из важных свойств направленных ответвителей, симметричных относительно двух плоско­стей: фазы коэффициентов в матрице (2.1)от-личаются на , т.е. при подаче сигнала на вход 1 фазы сигна­лов на входах 3 и 4 отличаются на .

Матрица (2.1) описывает идеальный направленный ответвитель. Реальные направленные ответвители имеют отражения от входов, мощ­ность во вторичную линию у них ответвляется не только в нужном направлении. Они характеризуются следующими параметрами в децибе­лах (индексы в формулах даны для устройства,показанного на рис.2,1):

- рабочее затухание - относительное уменьшение мощности в линии после ответвителя

- переходное ослабление - доля ответвленной мощности

- направленность - доля мощности, ответвляемой в развязанный канал по отношению к ответвленной мощности

коэффициенты стоячей волны входов.

Условное обозначение направленного ответвителя на принципи­альных схемах приведено на рис.2.2. Цифрой показано переходное ос­лабление, стрелкой - преимущественное направление ответвления.

Вид матрицы рассеяния зависит от порядка нумерации входов:на­пример, если у устройства рис2.1 изменить номер входа 2 на но­мер 4 , и наоборот, номер 4 на номер 2 , матрица рассеяния уст­ройства будет иметь такой вид:

Существует много конструкций направленных ответвителей. Рас­смотрим следующие из них.

По направленности различают направленные ответвители типа I, П и Ш. В ответвителях типа I передача мощности во вторичную линию происходит в направлении распространения волны в первичной линии* Такие ответвители называют сонаправленными. Сигнал, поданный на вход 1, проходит на вход 3 и ответвляется на вход 4 (рис.2.3,а). В ответвителях типа II передача мощности во вторичную линию осуще­ствляется в направлении, противоположном распространению волны в первичной. Их называют противонаправленными ответвителями.Сигнал, поданный на вход 1 , проходит на вход 3 и ответвляется на вход 2 (рис.2.3, б). В ответвителях типа Ш сигнал, поданный на вход 1 ,про­ходит на входы 2 и 4 (рис.2.3, 6 ).

По величине переходного ослабления различают направленные от­ветвители со слабой связью (переходное ослабление больше 6...8 дБ) и ответвители с сильной связью. Среда последних выделяют трехде-цибельные направленные ответвители (мосты), ответвители с полной связью (переходное ослабление равно 0).

Направленные ответвители различаются также по количеству и расположению плоскостей симметрии. Они могут быть реализованы на линиях передачи различных типов.