СВЧ 7 семестр Вьюгинов / Рефераты / Направленные ответвители

Рисунок 5. Сонаправленный волноводный ответвитель (направленность 1

типа) в разрезе

НО имеет два отверстия связи в узкой стенке волновода, расположенных

на расстоянии в друг от друга. При распространении прямой волны из плеча

4

1 в плечо 2 часть энергии из основного волновода через отверстия связи попадает во вспомогательный волновод. Притом поле E в точке С, будет определяться как суперпозиция полей: AC и ABDC. Эти поля складываются в противофазе, и энергия в плечо 3 не поступает. Поля ACD и ABD

складываются в фазе – электромагнитная энергия поступает в плечо 4.

При распространении обратной волны из плеча 2 в плечо 1,

аналогичными рассуждениями можно убедиться, что ответвленная энергия отраженной волны поступит в плечо 3 вспомогательного волновода и не поступит в плечо 4.

Описанный ответвитель имеет сравнительно узкий рабочий диапазон частот, так как при отклонении частоты от центральной, соответствующей расстоянию между центрами отверстий l = λg/4, полной компенсации волн в плече 4 не происходит. Направленность ответвителя ухудшается также при уменьшении переходного ослабления, так как амплитуды волн, прошедших через первое плечо и второе отверстия, становятся неравными. Можно

11

пожертвовать длиной ответвителя и увеличить число отверстий, соединяющих линии передачи, одновременно меняя размеры этих отверстий по определенному закону.

Рисунок 6. Направленный ответвитель в виде прямоугольного волновода-

четырехполюсника. Неподписанное плечо – согласованная нагрузка

Направленный ответвитель крестообразной формы.

НО крестообразной формы имеет два крестообразных отверстия связи

(рис.7), прорезанные в общей части широкой стенки двух взаимно перпендикулярных волноводов.

Рисунок 7. Направленный ответвитель крестообразной формы.

Рассмотрим, как ведет себя вектор H напряженности магнитного поля основной волны в поперечном сечении волновода.

12

Магнитное поле основной волны H10 имеет две составляющие Hx и Hz.

Эти составляющие можно рассматривать как два линейно поляризованных колебания, плоскости поляризации который перпендикулярны, амплитуда произвольна, фазы отличаются на π/2 и частоты равны. Очевидно, что магнитное поле имеет вращающуюся поляризацию во всех точках, кроме средней плоскости волновода x = 0,5*a. Круговая поляризация имеет место при таких значениях x, когда амплитуды Hx и Hz равны.

Из математических выкладок следует, что магнитное поле имеет круговую поляризацию в точках плоскостей, отстоящих от узких стенок волновода (рис. 8) на расстоянии d ≈ a/4.

При этом, результирующий вектор магнитного поля H вращается в сторону отстающей по фазу компоненты. То есть, по рисунку 7, справа от середины волновода вектор H вращается по часовой стрелке, а слева – против часовой.

Пусть ЭМВ распространяется в основном волноводе из плеча 1 в плечо 2. Через отверстия A

и B часть энергии поступает во вспомогательный

Рисунок 8. Поляризация волн в крестообразном волноводе

волновод с той же поляризацией, что и в основном волноводе. Таким образом, в отверстии A вспомогательного волновода вектор H будет вращаться против часовой стрелки, а в отверстии B- наоборот.

Следовательно, волна, ответвленная из основного волновода, будет во вспомогательном волноводе распространиться в сторону плеча 4 и не поступать в плечо 3.

Вместо крестообразного отверстия может применяться отверстие другой формы (например эллипс). Иногда применяют одно отверстие связи.

Принцип работы такого НО аналогичен НО с двумя отверстиями связи.

13

Характеристики направленных ответвителей.

Для характеристики НО вводятся следующие параметры.

Коэффициентом передачи S направленного ответвителя называется отношение комплексной амплитуды колебаний на выходе ответвителя к комплексной амплитуде колебаний на входе. Например, если НО возбуждается со стороны плеча 1, то

S12 = 2 ; S1n = 1

1

Переходное ослабление C показывает, какая доля мощности ответвляется из основного волновода во вспомогательный.

Направленностью ответвителя D называется отношение мощности P4,

распространяющейся в прямом направлении, к мощности P3,

распространяющейся в обратном направлении вспомогательного волновода.

Направленность ответвителя и переходное ослабление измеряется в децибелах:

МОСТОВЫЕ УСТРОЙСТВА СВЧ.

СВЧ-мостами или гибридными устройствами называются направленные ответвители, осуществляющие деление мощности из одно плеча в два других

поровну.

Волноводно-щелевой мост

Одним из примеров гибридных устройств может служить волноводно-

щелевой мост. Он состоит из двух прямоугольных волноводов, связанных щелью в общей боковой стенке. В области щели размеры широких стенок волноводов несколько уменьшены.

14

Рисунок 9. Волноводно-щелевой мост.

Рассмотрим принцип работы устройства. Пусть щелевой мост возбуждается со стороны плеча 1(рис. 9). Из-за размеров поперечного сечения в 1 плече электрические поля распространяемых волн находятся в фазе, а в 3

– в противофазе. Распространяясь в области связи с различными фазовыми скоростями, эти волны получают разные сдвиги фаз и складываются в плечах

2 и 4. Подобрав соответствующую длину области связи, можно сделать так,

что волны в плечах 2 и 4 будут иметь равные амплитуды. При этом их фазы будут сдвинуты на 90 градусов. Уменьшение ширины стенки в области связи позволяет уменьшить разность фазовых скоростей и позволяет уменьшить ширину щели. Согласование плеч моста достигается с помощью штыря регулируемой высоты A, расположенного в центре устройства.

Двойной волноводный тройник.

Рассмотрим другие примеры СВЧ-мостов. Двойной волноводный тройник (рис. 10 а), в отличие от уже рассмотренных устройств, имеет одну плоскость симметрии. При возбуждении со стороны плеча E, волна в H плече не возбуждается (рис. 10 б). Аналогично, при возбуждении со стороны со стороны H-плеча E-плечо не возбуждается (рис. 10 в). Это свойство позволяет согласовывать плечи независимо друг от друга. Если согласование выполнено,

то при возбуждении со стороны E или H плеч мощность делится поровну между плечами 2 и 3 вследствие симметрии. Причем в первом случае фазы будут сдвинуты на 180 градусов, а во втором будут одинаковы.

15

Если же установить в не возбуждаемое плечо индикатор (реактивную нагрузку) при равных нагрузках в выходных плечах, то и поступающая в индикатор мощность будет равна нулю. Таким образом, можно сравнивать между собой две нагрузки. Это свойство аналогично свойствам низкочастотных мостовых схем, что и объясняет название «СВЧ-мосты).

Разновидность двойного тройника. У которого второе и третье плечо имеют общую стенку и расположены параллельно друг к другу, называется

модифицированным двойным тройником (рис. 10).

Такая конструкция занимает меньше места, однако обладает несколько худшими электрическими характеристиками и сложнее в изготовлении.

Модифицированный двойной тройник по своим характеристикам и принципам работы аналогичен гибридному кольцу.

Рисунок 10. Модифицированный двойной тройник.

Кольцевые направленные ответвители.

Аналогом волноводного НО в микрополосковом исполнении служит двухшлейфный ответвитель. (Рис. 6)

Рисунок 11. Схематичное изображение шлейфного микрополоскового направленного ответвителя

16

Функции отверстий, соединяющих волноводы, выполняют шлейфы – отрезки микрополосковых линий длиной λg/4, отстоящие друг от друга также на четверть длины волны. Подбирая волновые сопротивления шлейфов и отрезков линий передачи между ними, можно получить требуемое переходное ослабление. Улучшение параметров ответвителя улучшается увеличением числа шлейфов.

Рисунок 12. Двунаправленный микрополосковый ответвитель. В зависимости от подключения к одному из нижних плеч согласованной нагрузки выбирается направление ответвителя.

Шлейфный ответвитель относится к классу кольцевых направленных ответвителей, куда входит гибридное кольцо. Схематичное изображение шлейфного (а) и гибридного (б) ответвителя показаны на рис.8

Рисунок 8. Кольцевые направленные ответвители

17

Гибридное кольцо отличается от шлейфного ответвителя тем, что длина отрезка линии передачи между входами 3 и 4 увеличена до 3λg/4. Такое решение называют полуволновым трансформатором. Но есть как и в случае со сменой положения согласованной нагрузки у волноводного ответвителя, мы получаем ответвитель с выходным сигналом, запаздывающим на π по фазе.

Зная определения характеристик, про гибридное кольцо можно сказать, что это ответвитель синфазно-противофазного типа с направленностью II типа.

Регулировать деление мощности на выходах кольцевых ответвителей можно через волновые сопротивления отрезков кольца zв1 и zв2.

18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Направленные ответвители включат в себе не очень большой класс устройств, что вызвано простотой их основной задачи – разветвление трактов.

Простота не означает ограниченность применения, направленные ответвители нужны и незаменимы.

Направленные ответвители широко применяются в разных отраслях радиоэлектроники, как в качестве самостоятельных устройств в кабельных и волноводных линиях, так и в качестве элементов радиоэлектронной аппаратуры. Как самостоятельные устройства НО могут использоваться для,

например разветвления сигнала с линии передачи, контроля параметров сигнала в лини, согласования сигнала в линии. В качестве компонентов электронной аппаратуры НО можно использовать в ваттметрах сверхвысоких частот, приборах измерения коэффициента стоячей волны,

коэффициента передачи, установках для проверки аттенюаторов, измерения ослаблений и так далее.

19

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1.Григорьев А. Д. Электродинамика и техника СВЧ: Учеб. Для вузов по спец. «Электронные приборы и устройства». – М.: Высш. Шк., -1990

2.Антенны и устройства СВЧ: Учеб. Для радиотехнич. Спец. Вузов. – М.:

Высш. Шк., 1988

3.И. В. Савельев. Курс общей физики. Том 2 – 3-у изд., испр. – М.: Наука Гл. ред. Физ.-мат. Лит., 1988.

4.Основы построения направляющих систем и объемных резонаторов:

учебное пособие / В.Т. Ерёменко [и др.]. – Орёл: ОГУ имени И.С.

Тургенева, 2017. – 229 с.

5.Иллюстрации и фотографии СВЧ-устройств имеются в свободном доступе в сети интернет

20