Квадратный мост
Принцип действия такой же, как и у квадратного моста в волноводном исполнении.
Мост на связанных линиях
Представляет собой прямоугольный или круглый металлический экран, в котором на некотором расстоянии друг от друга находятся два параллельных проводника с круглой либо другой формой поперечного сечения.
К обоим концам каждого из проводников подсоединены внутренние проводники коаксиальных линий. Пусть энергия подводится к плечу 1, а в остальные плечи включены согласованные нагрузки.
При анализе используется метод синфазно-противофазного возбуждения, т. е. возбуждение плеча 1 волной единичной амплитуды будет рассматриваться как результат одновременного синфазного и противофазного возбуждения плеч 1 и 4 волнами половинной амплитуды.
При возбуждении плеча 1 возбуждаются плечи 3 и 4, а плечо 2 развязано.
Отношение мощностей в плечах 3 и 4 отличается от единицы не более чем на 0,05 в полосе частот ±20%, т. е. мост на связанных линиях весьма широкополосен.
Поля в плечах 3 и 4 всегда сдвинуты по фазе на 90°.
Полосковое исполнение Кольцевой мост
Квадратный мост
Применение мостов ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ
Блок-схема измерителя полных сопротивлений на двойном согласованном вол наводном тройнике представлена на рис. 21.7.1.
Методика измерения основана на сравнении неизвестного сопротивления, подключаемого к плечу 3, с градуированным эталонным сопротивлением в плече 2. Градуированное эталонное сопротивление обычно представляет собой практически идеально согласованную нагрузку, параллельно (или последовательно) которой подключается отрезок волновода с подвижным короткозамыкателем либо какая-нибудь другая неоднородность. Реактивное сопротивление этой неоднородности должно легко регулироваться в широких пределах и быть известно заранее с высокой степенью точности.
Так как неизвестная и эталонная нагрузки находятся на равном расстоянии от входа (плечо 1) моста, то на вход обеих нагрузок волны поступают в фазе. Если полные сопротивления эталонной и измеряемой нагрузок отличаются друг от друга, то амплитуды и фазы волн, отраженных от этих нагрузок, различны. При этом часть энергии отраженных волн поступает в плечо 4, что и фиксируется с помощью измерителя мощности, подключенного к плечу 4. Энергия в плече 4 будет отсутствовать только в том случае, когда полные сопротивления эталонной и измеряемой нагрузок равны.
Путем регулировки величины полного сопротивления эталонной нагрузки добиваются нулевых показаний индикатора мощности в плече 4. Величина эталонного сопротивления в этот момент, очевидно, равна величине измеряемого. Если вместо эталонного сопротивления в плечо 2 моста включена согласованная нагрузка, то половина энергии волны, отраженной от нагрузки в плече 3, поступит в плечо 4. В этом случае по показаниям индикатора мощности в плече 4 можно определить коэффициент отражения от нагрузки в плече 3,
Аналогичные схемы могут быть (выполнены на основе любого другого моста. Однако предпочтение обычно отдают «магическому Т», обладающему наибольшим переходным затуханием между изолированными плечами (>50 дБ) по сравнению с другими мостами.
Применение мостов при измерениях полных сопротивлений и коэффициента отражений позволяет получить значительно более точные результаты, чем измерения, основанные на применении измерительной линии.
1
СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕДАТЧИКОВ В ОБЩЕЙ НАГРУЗКЕ
Часто по тем или иным соображениям приходится осуществлять сложение мощностей двух или нескольких передатчиков, работающих на одной или различных частотах, в общей нагрузке. При этом возникают трудности, связанные с тем, что изменение режима работы одного из передатчиков влечет за собой нарушение нормального режима работы остальных передатчиков. Применение мостов в схемах сложения позволяет устранить взаимное влияние передатчиков.
На рис. 21.7.2 приведена одна из возможных схем сложения, основанная на применении квадратного моста. Волны, поступающие от передатчиков, работающих на одной частоте, должны быть равны по амплитуде и сдвинуты по фазе на 90°. При этом в соответствии с принципом действия моста вся энергия поступает на выход моста. Если амплитуды волн от передатчиков абсолютно равны, а сдвиг по фазе составляет точно 90°, то мощность в поглощающую нагрузку не поступает. Это может служить удобным критерием правильной настройки схемы сложения.
Изменение амплитуды или фазы волны, поступающей от одного, из передатчиков, приводит к тому, что часть общей энергии поступает в поглощающую нагрузку. Однако при этом режим работы второго передатчика не изменится, так как переход энергии из плеча 3 в 2 или из плеча 2 в 3 исключается благодаря свойствам моста.
При выходе из строя одного из передатчиков в соответствии с принципом действия моста половина мощности другого передатчика поступает в антенну, а вторая половина рассеивается в поглощающей нагрузке, т. е. мощность на выходе системы уменьшается в четыре раза (от 2Р0 до Р0/2). Чтобы избежать этого, схему сложения обычно дополняют системой обхода моста сложения, позволяющей выход работающего передатчика подключить непосредственно к фидеру.
Аналогично строятся схемы сложения на кольцевых, щелевых и других мостах.
2
Одна из возможных мостовых схем сложения мощности двух передатчиков (схемы сложения передатчиков с разнесенными частотами часто называют разделительными фильтрами), разнесенных по частоте, представлена на рис. 21.7.3.
Пусть передатчик с частотой f1 подключен ко входу I, а передатчик с частотой f2 – ко входу II. Как видно из рисунка, в точке В и точке С моста параллельно друг другу подключены по два разомкнутых на конце отрезка коаксиальной линии.
Полагая, что f1>f2 (λ 1<λ 2), определим суммарное входное сопротивление этих отрезков на частотах f1 и f2.
Так как на частоте f1 входное сопротивление разомкнутого на конце отрезка MB длиной λ1/4 равно нулю, то в точках В и С на этой частоте независимо от величины входного сопротивления отрезка NB имеет место режим короткого замыкания. При этом входное сопротивление четвертьволновых отрезков ВА и CP окажется бесконечно большим, и вся энергия передатчика I по линии АР поступит в плечо IV.
Практически из-за потерь и несовершенства изготовления входное сопротивление четвертьволновых отрезков линии имеет конечное, но весьма малое значение. Поэтому небольшая часть энергии передатчика I просачивается и поступает в поглощающую нагрузку, минуя плечо II.
На частоте f2 отрезок MB имеет емкостное сопротивление, ибо на этой частоте его длина меньше четверти длины волны. Если так подобрать длину отрезка NB, чтобы NB+BM=λ2/2, то в точках В и С образуются параллельные контуры, резонирующие на частоте f2, причем роль параллельной емкости выполняет отрезок MB, а параллельной индуктивности – отрезок NB. Входное сопротивление параллельного контура на резонансной частоте весьма велико, благодаря чему на частоте f2 разомкнутые отрезки линии не влияют на прохождение энергии через мосты.
Вся энергия передатчика II поступает в плечо IV. Небольшая часть, энергии передатчика II из-за конечной величины входного сопротивления параллельных контуров отражается в точках В и С и поступает в поглощающую.нагрузку в плече III, а не обратно на выход передатчика II. Следовательно, передатчик II оказывается нагруженным на чисто активное сопротивление, равное волновому сопротивлению коаксиальной линии плеча II моста.
В несколько модифицированном виде данный разделительный фильтр применяют в телевизионных радиостанциях. Несущие частоты телевизионных передатчиков изображения и звука разнесены всего лишь на 6,5 МГц, что позволяет использовать узкополосные квадратные мосты.
3
Мосты иногда используют в мощных передатчиках для устранения вредного влияния отраженных волн (так называемая система эхо-поглощения) (рис. 21.7.4) на режим их работы. Оба оконечных каскада передатчика на рис. 21.7.4 отдают одну и ту же мощность и работают на одной частоте» т.е. данная схема, по существу, является схемой сложения мощности двух передатчиков с равными несущими, уже рассмотренной выше.
Особенностью схемы на рис. 21.7.4 является то, что входы и выходы оконечных каскадов смещены друг относительно друга на четверть длины волны. Поэтому волны, отраженные от входа каждого оконечного каскада, сдвинуты по фазе на 180° и не возвращаются обратно к выходу предоконечного каскада, а рассеиваются в поглощающей нагрузке. Это позволяет существенно повысить равномерность частотной характеристики передатчика.
Аналогичное влияние оказывает мост II, так как отраженные волны, появившиеся из-за неполного согласования антенны с фидером, после отражения от выходов оконечных каскадов поступают в поглощающую нагрузку, а не обратно в антенну, как это имело бы место при отсутствии моста.
На рис. 21.7.5 изображена принципиальная схема разделительного фильтра, часто применяемого в радиорелейных линиях. Он состоит из четырех последовательно включенных ячеек. Каждая ячейка состоит из двух «магических Т», двух полосовых фильтров и поглощающей нагрузки.
Оба полосовых фильтра «первой ячейки настроены на частоту f1, второй – на частоту f2 и т. д.
Пусть на вход фильтра (плечо 1 первого двойного волноводного тройника) поступают одновременно четыре широкополосных сигнала с центральными частотами f1, f2, f3 и f4.
Пройдя первый двойной волноводный тройник, эти сигналы поступают на вход верхнего и нижнего полосовых фильтров первой ячейки. Так как пути, пробегаемые волнами до входа верхнего и нижнего фильтров, отличаются на Λ/4, то на входе верхнего и нижнего фильтров эти сигналы оказываются сдви-
4
нутыми по фазе на 90°. Сигнал с центральной частотой f1 свободно проходит через полосовые фильтры и, получив дополнительный фазовый сдвиг 90° на выходе нижнего полосового фильтра (ем. рис. 21.7.5), поступает в плечи 2 и 3 выходного тройника со сдвигом по фазе 180°. Поэтому анергия колебания с частотой f1 и близких к ней проходит в плечо 4.
Сигналы с частотами f2, f3 и f4 отражаются от входа полосовых фильтров, настроенных на частоту f1.
Распространяясь в обратном направлении, эти сигналы поступают в плечи 2 и 3 входного двойного волноводного тройника со сдвигом по фазе на 180°. Поэтому энергия сигналов с частотами f1, f2 и f3 проходит в плечо 4 входного тройника и передается на вход следующей ячейки.
Bo второй ячейке аналогично выделяется сигнал со .средней частотой f2, в третьей – со средней частотой f3 и т. д.
Разделительный фильтр на рис. 21.7.5 можно использовать для сложения мощностей передатчиков с частотами f1, f2, f3 и f4. При этом передатчики подключаются вместо приемников на схеме рис. 21.7.5.
5
БАЛАНСНЫЕ АНТЕННЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
Антенные переключатели применяются в импульсных радиолокационных станциях, в которых приемник и передатчик работают на общую антенну. Так как импульсная мощность радиолокационных передатчиков велика, а приемник обладает весьма высокой чувствительностью, то антенный переклю-
чатель должен выполнять следующие функции:
-в режиме передачи подключать выход передатчика к антенне и предохранять входные цепи от сгорания;
-в режиме приема соединять вход приемника с антенной и блокировать выход передатчика, чтобы избежать потерь энергии поступившего из антенны сигнала в выходных цепях передатчика.
Частота переключения зависит от длительности излучаемых передатчиком импульсов, назначения радиолокационной станции, а также некоторых других факторов и может достигать нескольких тысяч раз в секунду.
Основным элементом антенного переключателя мощных радиолокационных станций является искровой разрядник, простейшая конструкция которого изображена на рис. 21.7.7. В зазоре между электродами разрядника под влиянием электрического поля колебаний, создаваемых передатчиком, возникает и поддерживается электрический разряд. В результате входное сопротивление разрядника меняется от очень большой величины при отсутствии разряда до весьма малой величины после установления разряда.
Ограничимся рассмотрением одной из возможных схем антенного переключателя на щелевых мостах (рис. 21.7.8).
Энергия передатчика делится первым щелевым мостом на две равные части, причем волны, поступающие на вход верхнего и нижнего разрядников, сдвинуты по фазе на 90°.
После отражения от разрядников энергия каждой из отраженных волн снова делится пополам.
Но в плече I обе отраженные волны оказываются в противофазе и гасят друг друга, а в плечо II поступают в фазе, т. е. энергия из передатчика, отразившись от разрядников, поступает в антенну.
Благодаря свойствам щелевого моста мощность, просочившаяся через разрядники, рассеивается в поглощающей нагрузке. В режиме приема, когда разрядники погашены, энергия из антенны беспрепятственно поступает на вход приемника.
6
ПОГЛОЩАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ
Имеется задача устранения взаимных помех, возникающих при одновременной работе радиотехнических систем. Одной из причин появления помех является то, что радиопередающие устройства, помимо полезного сигнала, излучают гармоники, частота которых кратна частотам основного спектра. Кроме того, радиопередающие устройства излучают электромагнитные колебания в пределах полосы частот, примыкающей к основной (внеполосяое излучение).
Использование обычных полосовых фильтров для устранения паразитного излучения оказывается нецелесообразным по двум причинам: 1) - избирательные свойства этих фильтров на частотах, достаточно высоких по сравнению с частотами полосы пропускания, существенно ухудшаются. Это объясняется как свойствами самих фильтров, так и тем, что на высоких частотах в линиях передачи становится возможным распространение высших типов волн; 2) - обычные полосовые фильтры в пределах полосы заграждения практически полностью отражают всю энергию, поступившую на их вход, обратно к передатчику. Это может отрицательно повлиять на рабочий режим передатчика. Поэтому на выходе передатчика включают фильтр поглощающего типа, в котором энергия гармоник поглощается в неотражающей нагрузке.
Мостовой фильтр такого типа, обеспечивающий поглощение гармоник, частота которых выше частоты несущей, представлен на рис. 21.7.9.
Плечи 2 и 3 двойного волноводного тройника заканчиваются отрезками прямоугольных волноводов с уменьшенным размером широкой стенки. Переход от волновода с нормальным размером к суженному волноводу осуществляется плавно. Размер широкой стенки суженных волноводов выбирается таким образом, чтобы на частотах, лежащих вблизи несущей, они были предельными. Энергия, поступающая от передатчика в двойной волноводный тройник, делится поровну между боковыми плечами тройника и поступает на вход суженных волноводов.
Все колебания, частота которых выше критической частоты суженных волноводов, свободно проходят через плавные переходы в эти волноводы и рассеиваются в поглощающих нагрузках.
Для колебаний, частота которых соответствует рабочей полосе передатчика, суженные волноводы являются предельными, и поэтому вся энергия этих колебаний отражается обратно к разветвлению волноводов. Так как отрезок волновода с нормальным сечением в плече 3 длиннее соответствующего отрезка волновода в плече 4 на четверть длины волны, то отраженные волны оказываются противофазными и возбуждают плечо 4 двойного волноводного тройника. Следовательно, энергия колебаний, частоты которых ниже критической частоты предельных волноводов, поступает из передатчика (плечо 1) в антенну (плечо 4), а все колебания с более высокой частотой поглощаются.
7
Аналогичный принцип может быть положен в основу мостового фильтра, поглощающего энергию колебаний, лежащих ниже полосы пропускания системы (рис. 21.7.10). При этом размер широкой стенки суженных волноводов выбирается так, чтобы через них свободно проходили все колебания в пределах полосы пропускания и отражались все колебания, частота которых ниже частот основного спектра сигнала. В результате все низкочастотные паразитные колебания после отражения от входов предельных волноводов поступят в поглощающую нагрузку, а полезный сигнал беспрепятственно пройдет к антенне.
Последовательное включение фильтров, изображенных на рис. 21.7.9 и 21.7.10, обеспечивает подавление всего паразитного излучения за пределами основного спектра.
Вместо «магического Т» и щелевого моста в фильтрах может быть использован любой другой мост.
8