154

Контрольные вопросы

1.Какое устройство называют направленным ответвителем?

2.Какие основные типы НО различают?

3.Какой вид имеет матрица рассеяния идеального НО?

4.С помощью каких основных характеристик описывают свойства НО?

5.Какие основные параметры используются для описания свойств НО?

6.Как связаны направленность, переходное ослабление и развязка НО?

7.Что является критерием при отнесении ответвителей к ответвителям с сильной и слабой связью?

8.Какой направленный ответвитель называют гибридом?

9.Каково назначение НО и какие основные схемы их использования?

10.Каков принцип работы ответвителя Бете?

11.Каков принцип работы крестообразных НО?

12.Каков принцип работы НО с двумя элементами связи?

13.Каков принцип работы многоэлементных НО?

14.Каковы особенности конструкции и свойства шлейфного ответвителя?

15.Каковы особенности полоскового НО на связанных линиях? Он является сонаправленным или противонаправленным?

16.Каковы особенности коаксиального НО? Он является сонаправленным или противонаправленным?

9.2. Мостовые устройства

СВЧ мостами, или гибридами (англ. – hybrid), называют устройства, которые делят поступающую в одно из плеч мощность поровну между двумя другими плечами. Взаимный фазовый сдвиг между колебаниями в плечах, куда выходит мощность, может быть разным и зависит от конструкции гибрида. При фазовом сдвиге в 90° и 180° устройство имеет соответственно название 90°-

155

торов, фазовых и частотных дискриминаторов, циркуляторов.

Одним из примеров гибридов является щелевой мост. Щелевой мост (Щ-

мост; англ. – quadrature waveguide hybrid, Riblet short-slot coupler) состоит из двух волноводов, которые имеют общую узкую стенку с прорезанной в ней щелью. В средине над щелью может быть емкостной винт для настройки. Принцип действия щелевого моста поясняет рис.9.3.

В плече 1 распространяется основная волна типа H10 . Эта падающая

волна возбуждает в области щели, ширина которой равна 2a + d , волны типа H10 и H20 с одинаковыми амплитудами. Распределение полей таково, что на

выходе плеча 1 обе волны находятся в фазе, а на выходе плеча 4 – в противофазе, потому в плечо 4 мощность не поступает. Уровень возбуждения плеч 2 и 3 определяется соотношением фаз волн на входах этих плеч, то есть он зависит от длины щели и фазовых скоростей волн H10 и H20 . При определенной длине

щели

волны, которые возбуждаются в плечах 2 и 3, имеют одинаковые амплитуды. При этом их фазы сдвинуты на 90° (рис.9.3).

Таким образом, идеальная матрица рассеяния щелевого моста имеет вид

Следует иметь в виду, что наличие в области связи волны Н30 (которая также может распространяться) приводит к нарушению работы моста. Однако при определенной толщине d общей стенки связанных волноводов благодаря волне Н30 параметры щелевого моста могут быть

Другим примером СВЧ-моста является двойной волноводный тройник (Т- мост; англ. – hybrid-T, magic T). Двойной волноводный тройник (рис.9.4) имеет только одну плоскость симметрии.

156

Плечо 3, расположенное в плоскости электрического поля основной волны H10 прямоугольного волновода 1–2, называют плечом Е. Плечо 4, которое

лежит в плоскости магнитного поля волны H10 прямоугольного волновода 1–2,

называют плечом Н.

Свойства двойного волноводного тройника в значительной мере определяются свойствами его составляющих: Е- и Н- тройников. Так, электромагнитная волна, которая поступает в Е-плечо 3, распространяется в плечах 1 и 2 в противофазе, а волна, которая поступает в Н-плечо 4, возбуждает в плечах 1 и 2 волны в фазе.

Плечи 3 и 4 взаимно развязаны, поскольку в случае возбуждения устройства со стороны плеча Е электрическое поле в волноводе 1–2 оказывается антисимметричным относительно плоскости симметрии устройства и не может возбудить волну в плече Н, электрическое поле которой должно быть симметричным относительно этой плоскости. Развязка плеч Н и Е позволяет внутренне согласовать эти плечи независимо друг от друга. Согласование плеча Е достигается введением в него односторонней индуктивной диафрагмы, с помощью которой удается компенсировать отраженную волну в это плечо. Согласование плеча Н достигается введением реактивного штыря. Если такое согласование выполнено, то в случае возбуждения плеча Е или Н благодаря геометрической симметрии двойного тройника мощность делится поровну между плечами 1 и 2. Причем фазы волн в первом случае сдвинуты на 180°, а во втором – одинаковы. Учитывая взаимность и недиссипативность устройства, его идеальную матрицу рассеяния можно записать в виде

Из (9.18) видно, что развязанными являются не только плечи 3 и 4, но также плечи 1 и 2. Последнее объясняет происхождение еще одного названия рассматриваемого устройства – «магическое Т». А именно, невзирая на то, что плечи 1 и 2 образуют прямой волновод 1–2, в случае возбуждения плеча 1 или 2 энергия в другое плечо не поступает.

Рассмотрим для наглядности работу двойного волноводного тройника, когда к плечу 3 подключен генератор, к плечам 1 и 2 – нагрузки с коэффициентами отражения Γ1 и Γ2 , а к плечу 4 – индикатор мощности. Определим мощ-

ность, которая поступает в плечо 4.

Запишем систему уравнений для падающих ai и отраженных bi волн в

виде

158

рабочая полоса частот – ее определяют зависимостью параметров от частоты, а граничные частоты при этом – заданными отклонениями параметров от номинальных.

Двойной Т-мост имеет сравнительно широкий диапазон рабочих частот, обусловленный полосой, в пределах которой сохраняется удовлетворительное согласование со стороны плеч Н и Е и которое при КСВ 1,1 достигает 10–15% от средней частоты. Развязка между плечами 3 и 4 достигает 50 дБ, между боковыми плечами 20–25 дБ в относительной полосе частот 6–8%.

Подобные двойному тройнику характеристики имеет гибридное кольцо

одинаковыми амплитудами и сдвинутыми на 180° фазами, плечо 2 не возбуждается. Возбуждая кольцо со стороны плеча 2, таким же образом определим, что в плечах 3 и 4 возникают волны с одинаковыми амплитудами и фазами, плечо 1 при этом не возбуждается. Таким образом, если подбором волновых сопротивлений плеч и кольца внутренне согласовать плечи 3 и 4, то свойства гибридного кольца окажутся аналогичными свойствам двойного тройника.

Сравнительно большая электрическая длина кольца приводит к тому, что по ширине рабочего диапазона частот гибридное кольцо значительно уступает двойному волноводному тройнику.

На основе полосковых линий передачи можно также реализовать кольцевые направленные ответвители с неравномерным делением мощности в выходных плечах.

Условия идеального согласования кольцевого ответвителя имеют вид

где y1 =Y1Y и y2 =Y2 Y – нормированные волновые проводимости отрезков

линий, Y – волновая проводимость входов ответвителя.

При условии идеального согласования матрица рассеяния принимает вид

159

Таким образом, для обеспечения заданного распределения мощности необходимо чтобы

получил также квадратный мост (англ. – branch-line hybrid), он представляет собой «квадрат» из четырех четвертьволновых отрезков линий передачи, к которому в точках соединения этих отрезков подключены четыре плеча (рис.9.6,а). Эквивалентная схема квадратного моста в виде параллельного соединения длинных линий, изображена на рис.9.6,б. Можно подобрать волновые сопротивления отрезков длиной Λ / 4 так, чтобы в случае возбуждения плеча 1 и подключения к остальным плечам согласованных нагрузок, во-первых, плечо 2 оказалось развязанным, во-вторых, отсутствовала отраженная волна в плече 1 и, в третьих, поступающая мощность делилась поровну между плечами 3 и 4.

Если плечи 1 и 2 действительно развязаны, то при возбуждении плеча 1 в точках гг будет узел напряжения и их можно виртуально замкнуть накоротко (рис.9.6,б), не нарушая режим работы устройства. Входное сопротивление короткозамкнутых четвертьволновых шлейфов аг и вг равно бесконечности, и их можно пока что удалить из схемы. Тогда эквивалентная схема примет вид, изображенный на рис.9.6,в, где плечи 3 и 4 заменены их волновыми сопротивлениями W , подключенными к точкам бб и вв.

Чтобы отрезок бв имел в точках бб входное сопротивление Zвх =W и,

следовательно, мощность делилась поровну между плечами 3 и 4, волновое сопротивление отрезка бв должно быть равно W . Тогда общее сопротивление в точках бб будет равно W / 2. Определим теперь волновое сопротивление W2 от-

резка аб. Для согласования плеча 1 входное сопротивление в точках аа должно быть равно W . С учетом тра нсформирующего действия четвертьволнового от-

резка аб из уравнения 2W2 /W =W /W2 следует W2 =W / 2 .

160

Рассмотрим фазы волн в плечах 3 и 4 с учетом набега фаз в отрезках линий и условия деления входной мощности пополам:

Причем полные напряжения по условию согласования равны напряжениям па-

дающих и отраженных волн: U1 = a1; U3 = b3 ; U4 = b4 .

Теперь рассмотрим участок схемы, который по предположению короткого замыкания точек гг был раньше исключен из рассмотрения (рис.9.6,г). Определим волновые сопротивления отрезков аг и вг. Они должны быть такими, чтобы суммарный ток в короткозамыкателе гг был равен нулю. Компенсация токов возможна при условии, что волновые сопротивления отрезков аг и вг бу-

дут соответственно равны W1 =W и W2 =W / 2 . (Этот результат можно было бы получить исходя из вертикальной и горизонтальной симметрии устройства).

Рис.9.6. Квадратный мост: а – топологическая схема; б – эквивалентная схема;

в– эквивалентная схема согласованного моста;

г– участок схемы, который исключается в случае КЗ

Таким образом, идеальная матрица рассеяния квадратного моста имеет вид

161

Условия идеального согласования двухшлейфного ответвителя в общем случае с неравномерным делением мощности имеют вид

где y1 =Y1 Y и y2 =Y2 Y – нормированные проводимости отрезков, Y =1W –

волновая проводимость входов ответвителя. При условии идеального согласования матрица рассеяния такого НО принимает вид

а коэффициент деления по мощности –

Таким образом, для обеспечения соответствующего коэффициента деления мощности необходимо, чтобы четвертьволновые отрезки шлейфного НО имели проводимости

свойства одинаковы со стороны любого плеча.

Контрольные вопросы

1.Какое устройство называют направленным ответвителем?

2.При каких условиях направленный ответвитель называют гибридом?

3.Какие основные характеристики описывают свойства моста СВЧ?

4.Какие основные параметры используют для описания свойств мостов?

5.Каковы типичные значения основных параметров щелевого моста?

6.Каково назначение мостов СВЧ и их основные схемы применения?

7.Каков принцип действия щелевого моста?

8.Из каких условий выбирается длина щели в щелевом мосте?

9.Какой вид имеет идеальная матрица рассеяния щелевого моста, и каков

еефизический смысл?

10.Какова конструкция Т-моста?

11.Каким образом достигается согласование Е- и Н-плеч в Т-мосте?