2. Тройники

Тройником называется трехплечное устройство (шестиполюсник), образованное сочленением трех отрезков линии передачи. Такое устройство описывается матрицей || S || 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. 83) (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.84). 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 Н-плоскостной Т-тройники, а также Н-плоскостное Y-сочленение прямоугольных волноводов показаны на рис. 85 и 86 и 84 соответственно. На рис.83 изображен микрополосковый Т-тройник.

Рис.83

Рис.84

Рассмотрим принцип действия волноводного Н-плоскостного Т-тройника (рис.86). Все волноводы имеют одинаковые поперечные размеры и рассчитаны на одноволновый режим. Пусть в плече1 распространяется волна H₁₀, переносящая мощность Р Эта волна возбуждает поле в области разветвления волноводов и частично отражается обратно в плечо1. Примерная структура силовых линий возбуждаемого магнитного поля в области разветвления показана на рис.87. 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. Для устранения отраженной волны в плече 1 в тройник параллельно вектору Е вводят индуктивный штырь.. Штырь создает в плече 1 дополнительную отраженную волну, компенсирующую первую. Полную компенсацию обеспечивают, подбирая величины d и t (см. рис.86).

Рис.85

Рис.86

Рис.87

В согласованном таким образом тройнике мощность P поровну делится между выходными плечами 2 и 3, т.е. Р₂=Р₃ = 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 возможных конструкций H-тройников только Y-сочленение обеспечивает равное деление мощности между выходными плечами при возбуждении любого из трех плеч.

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 на одинаковом расстоянии от плоскости симметрии тройника. Для компенсации отраженной волны в плече 1 создают дополнительную отраженную волну, помещая в это плечо индуктивную диафрагму и подбирая ширину щели в диафрагме и расстояние от диафрагмы до разветвления. В согласованном таким образом тройнике входная мощность Р 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 , то в области разветвления образуется электромагнитное поле, примерная структура силовых линий вектора Е которого показана на рис.88. При этом в плече 1 будет возбуждаться волна Н₁₀, переносящая мощность, равную суммарной мощности, поступающей в плечи 2 и 3.

Рис.88

Рис.89

Рис.90

Волноводные тройники могут строиться из волноводов разных типов. На рис.89 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.90,а. Поскольку плечи 2 и 3 расположены симметрично относительно плеча 1, в круглом волноводе возбуждаются две волны Н₁₁, 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 короткозамыкающую пластину на расстоянии /4от центра разветвления, где -длина волны Н₁₁ в круглом волноводе. Если в тройнике возбудить в плече 2 волну Н₁₁, для которой вектор Е 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. 90, 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.89). Этим уменьшается влияние щели на распространение волны Н₁₁ с поляризацией E_1. 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.

Рис.91

На рис. 91показана 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 Р₁ а плечи 2 и 3 нагружены на согласованные нагрузки. Поскольку линия, образующая плечо 1, в точках разветвления 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 ТЕМ-волной, обратно пропорциональна волновому сопротивлению линии, 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_B2. Если обозначить P₂ /Рз=m, то записанные выше соотношения позволяют найти Z_B2 и Z_B3, при которых для заданных Z_Bl и m входная мощность полностью поступает в выходные плечи: Z_B2=Z_Bl(m+1)/m и Z_B3=Z_Bl(m + 1).

Рис.92

Рис.93

Реактивные шестиполюсники, к которым относятся рассматриваемые конструкции не могут быть одновременно согласованными со стороны всех плеч, т.е. если обеспечить S₁₁=0, то S₂₂0и S₃₃0. Кроме того, для таких устройств S₂₃0, 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 вводят поглощающие элементы, чаще всего сосредоточенные резисторы, называемые балластными сопротивлениями.

Рис.94

В рассмотренных схемах идеальное согласование плеча 1 и идеальная развязка между выходными плечами будут лишь на расчетной частоте, для которой длины всех трансформаторов равны /4.Кроме того, рассмотренные тройники обеспечивают деление входного сигнала в заданном отношении m и синфазные выходные сигналы на любой частоте рабочего диапазона. Аналогично конструируются тройники из отрезков коаксиальной линии.