Трійники. Трійниками називають триплечові пристрої, в яких зчленовуються три лінії передачі. В залежності від того, в якій площині знаходяться розгалуження – в площині
вектора E чи в площині вектора H , вони поділяються на відповідні трійники.
На рис. 12.10, а зображено Y-трійник, якому властива центральна симетрія. Отже, кожне плече такого трійника має однакові електричні властивості. Оскільки з'єднання ліній передач виконане в площині Н, то еквівалентна схема (рис.12.10, б) — це паралельне з'єднання трьох ліній з хвилями типу Т. Але на відміну від хвилеводного трійника кути між плечима із симетричних двопровідних ліній майже не впливають на властивості зчленування.
Рисунок 12.10 Н-трійники
Однією з важливих характеристик будь-яких багатополюсників є матриця розсіювання. Матриця розсіювання багатополюсника пов’язує між собою нормовані напруги відбитих і падаючих хвиль та має наступний вигляд:
S |
S |
... |
S |
|
|
|
11 |
12 |
|
1N |
|
|
|
S = S21 |
S22 |
... |
S2 N |
, |
(12.4-4) |
|
... |
... |
... |
|
|
|
... |
|
|
|
SN1 |
SN 2 |
... |
SNN |
|
|
де N – кількість плечей багатополюсника. Елемент матриці Sii є коефіцієнтом відбиття від і-
го плеча при падінні на нього хвилі за умови узгодження навантажень всіх інших плечей. Елементи матриці Sij (i ≠ j) - це коефіцієнти передачі хвилі нормованої напруги з плеча j в
плече і. Матриця розсіювання використовується при розв’язанні задач з узгодження пристроїв НВЧ, розрахунку похибок, що обумовлені відбиттям, тощо.
Стрілками на рис. 12.10, а і 12.10, б позначено напрямки вектора напруженості електричного поля. Із симетрії пристрою випливає рівність всіх коефіцієнтів відбиття
Γ = S11 = S22 = S33
і всіх коефіцієнтів передачі
201
s = S12 = S13 = S21 = ... = S32 .
Матриця розсіювання пристрою набуває вигляду
Навантаженням будь-якого плеча є паралельне з'єднання двох інших плечей, тобто опір навантаження дорівнює ZW / 2 , де ZW - хвильовий опір ліній. Можна показати, що для даного
пристрою Г = -1/3, s = 2 / 3 . Отже, матриця розсіювання хвилеводного Y-трійника в площині Н, а також паралельного з'єднання ліній з хвилею типу Т має вигляд:
|
1 |
−1 |
2 |
2 |
|
|
S = |
|
2 |
−1 |
2 |
|
(12.4-5) |
3 |
|
. |
|
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
−1 |
|
Якщо підвести хвилю до плеча 1, то
S11S11* = 19 ; S21S21* = 94 ; S31S31* = 94 ,
де знаком «*» позначені спряжені елементи, розміщені у тому самому рядку з іншого стовпця. Отже, частина хвилі з потужністю, що дорівнює 1/9 потужності падаючої хвилі, відбиватиметься, а в плечах 2 і 3 потужності хвиль будуть однаковими і такими, що дорівнюють 4/9 потужності падаючої хвилі.
На рис. 12.10, в зображено Н-трійник з узгодженим плечем 1. Для узгодження цього плеча передбачено узгоджувальну діафрагму шириною біля чверті довжини хвилі у хвилеводі, що розташована в площині симетрії з'єднання. Хвиля, яка відбивається від передньої кромки діафрагми, знаходиться у протифазі до хвилі, що відбивається від плеча 1, завдяки чому можна досягти компенсації відбитих хвиль у плечі 1.
Матриця розсіювання Н-трійника з узгодженим плечем має наступний вигляд:
|
|
|
0 |
2 |
2 |
|
|
S = |
1 |
|
2 |
−1 |
1 |
|
(12.4-6) |
|
. |
|
2 |
|
2 |
1 |
−1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
З цієї матриці видно, що потужність, |
яка надходить в плече 1 (при u2 = 0 |
і u3 = 0 ), |
ділиться на дві рівні частини в плечах 2 і 3. Крім того, напруженості електричного поля знаходяться у фазі (рис. 12.10, г). Якщо в плечі 2 і 3 подати синфазні хвилі однакових амплітуд u2 = u3 , то вся потужність зосередиться в плечі 1, а в плечах 2 і 3 відбитих хвиль не
буде.
Матриця розсіювання дає можливість розглянути інші випадки. Схеми трійників, з'єднання хвилеводів в яких проводиться в площині Е, зображено на рис.12.11. Основні властивості Е-трійника (рис.12.11, а) полягають в тому, що потужність, яка подається в плече 1, розподіляється при рівних навантаженнях плечей 2 і 3 на дві однакові частини. При цьому на однакових відстанях від площини симетрії напруженості електричних полів у плечах 2 і З знаходяться у протифазі, а магнітних полів — у фазі. Еквівалентною схемою такого пристрою є послідовне з'єднання двопровідних ліній передачі (рис.12.11, б). Повної електричної симетрії трійник набуває при виконанні його в Y-подібній формі (рис.12.11, в).
Для Y-трійника навантаження кожного плеча дорівнює 2Zw , а матриця розсіювання Y- трійника в Е-площині має такий вигляд:
|
1 |
1 |
2 |
−2 |
|
S = |
|
2 |
1 |
2 |
|
(12.4-7) |
3 |
|
. |
|
|
|
|
2 |
1 |
|
|
|
|
− 2 |
|
|
Рисунок 12.11 Е-трійники
Як видно з матриці розсіювання, потужність хвилі, підведеної до плеча 1, частково відбивається назад у лінію передачі на рівні 1/9 від усієї потужності. У плечах 2 і 3 потужності хвиль, що пройшли через з'єднання, будуть однаковими тадорівнюватимуть4/9 від потужності хвилі в плечі 1. Напруженості електричного поля в плечах 2 і 3 в площинах відліку фаз знаходитимуться у протифазі.
На рис.12.11, г зображено Е-трійник з внутрішньо узгодженим плечем 1. Для узгодження плеча на широкій стінці хвилеводного з'єднання в площині симетрії встановлено клин. Матрицярозсіювання складається таксамо, якідляН-трійника, і має вигляд:
|
|
|
0 |
2 |
− |
2 |
|
|
S = |
1 |
|
2 |
1 |
1 |
|
|
(12.4-8) |
|
|
. |
|
2 |
− |
2 |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Трійники виконують також на лініях передачі з хвилею типу Т. Конструктивно — це паралельні Т-подібні або Y-подібні з'єднання однакових ліній передачі. На частотах, нижчих від 4 ГГц, розміри таких пристроїв менші від довжини хвилі. Геометрична симетрія в цьому випадку мало впливає на симетрію електричну.
Мостові схеми. Мостом називаються восьмиполюсники, які мають такі характеристики:
1.при збудженні одного з чотирьох плечей енергія в одне плече не надходить;
2.енергія, яка надходить в кожне з двох інших плечей, однакова і дорівнює половині енергії, яка подається на вхід моста.
В техніці НВЧ мостові з’єднання використовуються як елементи фільтрів, детекторів та модуляторів, антенних перемикачів, а також у якості дільників потужності та ін.
Існує багато пристроїв на мостових схемах, наприклад, Т–подібні, кільцеві, квадратні мости, мости на зв’язаних лініях тощо. Як приклад більш докладно розглянемо кільцевий міст.
Кільцевий міст можна побудувати на хвилеводах, двопровідних лініях передачі, коаксіальних, смужкових лініях і т. ін. Конструкція кільцевого моста — це замкнена на себе лінія передачі довжиною 1,5Λ0, в якій через три інтервали в 0,25Λ0 приєднуються чотири плеча. На рис.12.12 зображено схему кільцевого моста, виконаного на коаксіальній лінії передачі. Приєднаємо до плеча 1 генератор, який збуджуєелектромагнітну хвилюздовжиноюΛ0. Відплеча 1 поширюються дві хвилі: за годинниковою стрілкою і проти руху годинникової стрілки. Оскільки довжина шляху до плеча 3 однієї хвилі буде більшою від довжини шляху іншої до того самогоплеча на Λ0/2, то в перерізі с плеча 3 ці хвилі будуть у протифазі, тобто тут утворюється вузол напруги. Отже, хвиля в плече 3 не проходить, і плечі 1 та 3 будуть розв'язаними (S13 =S31 =0). Це дає змогу в перерізі с закоротити лінію передачі, в результаті чого виникають дві короткозамкнені лінії: від плечей 2 і 4 до плеча 3. Вхідний опір цих ліній у перерізах b і d наближається до нескінченності, тому лінії між точками dc і bc не впливатимуть на процеси в мості.
Рисунок 12.12 Кільцевий міст
Що стосується плечей 2 і 4, то їх навантаження за допомогою відрізків bа і da кільцевого моста довжиною 3/4Λ0 та Λ0/4 приєднуються до плеча 1 у перерізі а. Якщо плечі 2 і 4 узгоджені, то навантаження плечей дорівнює хвильовому опору ZW. У перерізі а вхідні опори лінії bа і da визначаються як
де ZWК — хвильовий опір кільцевої лінії. Оскільки вони з'єднуються паралельно, то навантаження плеча 1 дорівнює
Для повного узгодження плеча 1 потрібно, щоб задовольнялась умова Z=ZW, де ZW — хвильовий опір ліній, що приєднуються до плечей кільцевого моста. Звідси випливає вимога до хвильового опору кільцевої лінії:
ZWK = 
2ZW
При цьому матриця розсіювання кільцевого моста має наступний вигляд:
|
|
0 |
−1 |
0 |
1 |
|
S = − |
i |
−1 |
0 |
1 |
0 |
(12.4-9) |
2 |
|
0 |
1 |
0 |
. |
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
0 |
1 |
|
|
|
|
|
0 |
|
При виконанні кільцевих мостів на хвилеводах принципова схема залишається незмінною, отже, кожне плече являє собою трійник. При паралельному з'єднанні еквівалентних ліній передачі це буде Н-трійник, при послідовному — Е-трійник.
Основними недоліками кільцевого моста є його вузькосмуговість і значні габарити. Узгодження, розв'язка плечей, поділ потужності погіршуються при зміщенні робочої довжини хвилівідрозрахункового значення.
Відгалужувачі. Направленні відгалужувачі створюються на основі взаємних восьмиполюсників таким чином, що здійснюють передачу потужності з одного плеча пристрою в два інших. Четверте плече при цьому залишається незбудженим. Розглянемо восьмиполюсник, що має горизонтальну і вертикальну площини симетрії.
Оскільки його плечі фізично ідентичні, а сам пристрій взаємний, справедливі наступні співвідношення:
|
S11 |
= S22 |
= S33 |
= S44 |
= a, |
|
|
S12 |
= S21 |
= S34 |
= S43 |
= b, |
(12.4-10) |
|
S13 |
= S31 |
= S24 |
= S42 |
= c, |
|
|
|
S14 |
= S41 |
= S23 |
= S32 |
= d. |
|
Таким чином, матриця розсіювання симетричного взаємного восьмиполюсника містить чотири незалежні елементи:
b |
c |
d |
|
a |
d |
c |
|
|
|
(12.4-11) |
|
|
|
. |
d |
a |
b |
|
|
|
|
c |
b |
a |
|
Якщо багатополюсник узгоджувати з боку одного з плечей, тобто за рахунок введення в конструкцію додаткових елементів, що не порушують симетрію пристрою, добитися рівності нулю коефіцієнта відбиття в одному з плечей (при під’єднанні до інших узгоджених навантажень), то він виявиться узгодженим з боку решти плечей. В цьому випадку а = 0. Вважатимемо, що при збудженні з боку плеча 1 частина енергії надходити в плече 2. Тоді для того, щоб прилад слугував направленим відгалужувачем, енергія не повинна надходити в плече 3 або в плече 4. У першому випадку с = 0 (співнаправлений відгалужувач, рис. 12.13, а), в другому випадку d=0 (протинаправлений відгалужувач, рис. 12.13, б). Матриці розсіювання цих пристроїв мають наступний вигляд:
|
|
0 |
b |
0 |
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
спів |
= b |
0 |
d |
0 |
, S |
прот |
|
|
d |
|
b |
|
|
|
0 |
0 |
|
|
|
|
d |
0 |
b |
0 |
|
|
0 |
b |
c |
0 |
|
|
|
|
|
|
= b |
0 |
0 |
c . |
(12.4-12) |
|
0 |
0 |
|
|
c |
b |
|
0 |
c |
b |
0 |
|
Рисунок 12.13 Схеми співнаправленого (а) і протинаправленного (б) відгалужувачів
Направлене відгалужування потужності у хвилеводних пристроях дуже часто здійснюється за допомогою отворів зв’язку, які знаходяться у спільній стінці двох хвилеводів.
На рис. 12.14, а та б наведені направлені відгалужувачі з одним круглим отвором на спільній широкій стінці хвилеводів, а на рис. 12.14, в – направлений відгалужувач, в якому два відрізки хвилеводу об’єднані спільною вузькою стінкою. Зв’язок між цими відрізками створюється за допомогою двох отворів, які вирізано посередині вузької стінки на деякій відстані один від одного.
Рисунок 12.14 Відгалужувачі з круглим отвором на спільній широкій стінці |
хвилеводів |
(а), на схрещених хвилеводах (б), з спільною вузькою стінкою (в) |
|
12.4.2 Феритові пристрої НВЧ
Феритові пристрої НВЧ – це пристрої, в яких використовуються феритові елементи у порожнині хвилеводу.
Вентилі. Вентилем називають двоплечові пристрої, які пропускають електромагнітні хвилі в одному напрямку без поглинання, а в зворотному напрямку потужність хвилі поглинається практично повністю, тобто вентиль пропускає хвилю в один бік і повністю виключає можливість її проходження в інший. Матриця розсіювання ідеального вентиля має наступний вигляд:
S = e−iϕ |
0 |
0 |
(12.4-13) |
|
. |
|
1 |
0 |
|
Реальний вентиль характеризується:
206
-вношуваними втратами A = −20lg S21 ;
-загасанням L = −20lg S12 ;
-коефіцієнтом стоячої хвилі в плечах 1 і 2;
-робочою смугою частот, в якій зміни параметрів знаходяться в межах допусків. Існують вентилі двох типів: резонансні та зі зміщенням поля.
У резонансних вентилях використовується явище феромагнітного резонансу.
Правополяризована хвиля при напруженості постійного магнітного поля Н0, що дорівнює резонансному значенню (Н0=Нр), інтенсивно поглинається у феритовому середовищі. Обираючи довжину фериту у хвилеводі та напруженість магнітного поля, можна досягти повного поглинання потужності у фериті. Вентилі, в яких використовується поздовжнє
відносно вектора H0 поширення хвилі, створюються на хвилеводах круглого перерізу
(рис.12.15).
Рисунок 12.15 Резонансний вентиль
Лінійно-поляризована хвиля надходить в плече 1 з прямокутного хвилеводу. За допомогою поляризатора 1 лінійно-поляризована хвиля, що поширюється в прямому напрямку від плеча 1 до плеча 2, перетворюється на хвилю з лівою коловою поляризацією. Вона проходить через відрізок хвилеводу з феритовим стержнем, не зазнаючи поглинання. Поляризатор 2 відновлює лінійну поляризацію, і хвиля через плече 2 переходить у прямокутний хвилевід. Хвиля, що поширюється у зворотному напрямку від плеча 2 до плеча 1, також після поляризатора 2 набуває колової поляризації, але з правим обертанням. Тому вона поглинається феритом і не проходить в плече 1.
Недоліками резонансних вентилів є порівняно вузька смуга робочих частот (15 — 20%) при загасаннях L = 15...20 дБ і вношуваних втратах A = 0,5...1 дБ. Крім того, такі вентилі вимагають сильних полів підмагнічування.
Поперечний переріз вентиля зі зміщенням поля зображений на рис.12.16.
При обраному напрямку вектора H0 падаюча хвиля матиме правий напрям обертання, а
відбита хвиля — лівий. Якщо встановити таку напруженість поля Н0, щоб магнітна проникність фериту для правополяризованої хвилі μ+ була менше нуля, то падаюча хвиля витіснятиметься з фериту. Для відбитої хвилі ферит буде діелектриком зі значними магнітною та діелектричною проникностями. Тому поле відбитої хвилі концентруватиметься у фериті. Отже, напруженість падаючої хвилі на поверхні фериту буде мала, а напруженість відбитої хвилі — велика.
Рисунок 12.16 Вентиль зі зміщенням поля
Для отримання вентильного ефекту на поверхню фериту, обернену до площини симетрії хвилеводу, наноситься плівка з поглинаючого матеріалу. В цій плівці виникає сильне поглинання потужності відбитої хвилі. Втрати падаючої хвилі в поглиначі будуть малі, оскільки напруженість падаючої хвилі на поверхні фериту наближається до нуля. Вентилі зі зміщенням поля мають ширину робочої смуги близько 20 — 25% при робочому загасанні L = 18...20 дБ і вношуваних втратах А = 0,3...0,8 дБ. Вони вимагають меншої напруженості магнітного поля Н0, ніж резонансні вентилі, тому знижується маса і габарити постійного магніту. Розсіювана потужність в цих вентилях через гірші умови охолодження плівки менша, ніж у резонансних вентилях, тому вони розраховуються на невисокі рівні потужностей.
Циркулятори. Циркулятором називають багатополюсний феритовий пристрій, в якому потік електромагнітної енергії спрямовується в певному напрямку з одного плеча в інше — суміжне. Матриця розсіювання ідеального триполюсного циркулятора має вигляд:
0 |
0 |
1 |
|
|
0 |
|
(12.4-14) |
S = 1 |
0 . |
|
1 |
|
|
0 |
0 |
|
Символічні позначення триплечового і чотиплечового циркуляторів приведені на рис.12.17. Згідно з наведеною матрицею і символічним зображенням триплечового циркулятора при надходженні хвилі до плеча 1 вона проходить в плече 2. З плеча 2 хвиля проходить тільки в плече 3, з плеча 3 — у плече 1. У зворотному напрямку електромагнітна енергія не проходить. Але якщо змінити напрям постійного магнітного поля, то проходження хвиль відбуватиметься за такою схемою: 1 → 3 → 2 →1.
Основними параметрами реального циркулятора є:
-вношуване загасання A = −20lg S21 ;
-розв’язка між каналами L = −20lg S12 ;
-коефіцієнт стоячої хвилі;
- робоча смуга частот f .
208
Рисунок 12.17 Символічні позначення триплечового і чотиплечового циркуляторів
Рисунок 12.18 Триплечовий Y-циркулятор
Розглянемо досить поширений циркулятор, в якому використовується симетричний Y- трійнику площині Н(рис.12.18). Такий пристрій називають Y-циркулятором.
У центрі розгалуження розміщується феритовий диск 4. Для узгодження плечей циркулятора на диск одягається діелектричний циліндр 5. Магнітне поле створюється за допомогою постійних магнітів або електромагнітів і спрямовується вздовж осі диска 4.
Електромагнітну хвилю, що надходить, наприклад, в плече 1, можна показати у вигляді двох хвиль, що обходять ферит з двох боків. Вони мають протилежні напрямки обертання вектора магнітного поля біля диска 4, а тому вплив фериту на них різний. Якщо довжина хвилі, що обходить ферит зліва, буде вдвічі менша, ніж довжина хвилі, що обходить ферит справа, то в плечі 2 ці хвилі підсумовуватимуться у фазі, а в плечі 3 — у протифазі. Отже, в плечі 3 буде вузол напруженості поля, і хвиля в плече 3 не надходитиме, а в плечі 2 буде пучність напруженості поля, і електромагнітна енергія з плеча 1 переходитиме в плече 2. Хвиля, що обходить ферит зліва, завдяки його впливу, має сповільнену швидкість, оскільки
напрям обертання вектора H збігається з напрямком процесії вектора намагніченості. Хвиля, що обходить ферит справа, поширюється в ізотропному середовищі всередині хвилеводу, а тому її фазова швидкість перевищує фазову швидкість з лівого боку. Отже, вибираючи розміри фериту і напруженість постійного магнітного поля можемо забезпечити необхідні співвідношення між фазовими швидкостями і довжинами цих хвиль.
Конструкція такого циркулятора досить проста, він має малі габарити і масу. Вношуване загасання незначне: А = 0,2...0,5 дБ, розв'язка сягає L = 20...25 дБ, робоча смуга частот становить 20 — 50% при коефіцієнті стоячої хвилі 1,1 — 1,3.
Недоліком циркулятора є складність охолодження фериту, що не дає можливості будувати Y-циркулятори на значні потужності.
Фазообертачі. Принцип дії фазообертачів базується на залежності фазової швидкості хвилі, що поширюється в лінії передач, частково заповненої намагніченим феритом, від напряму поширення і напруженості домагнічуючого поля.
209
Фазообертачі з феритами можуть бути взаємними і невзаємними. Найпростіший взаємний фазообертач з поздовжньо-намагніченим феритом, розміщеним на осі прямокутного хвилеводу, зображений на рис.12.19.
Напруженість постійного магнітного поля обирається так, щоб режим роботи фериту відповідав наступним умовам:
-Н0<<Hp;
-μ± = μ±′ ;
-0 < μ+′ < μ−′ ,
де μ± - комплексна магнітна проникність для правота лівополяризованих хвиль; μ±′ - дійсна частина комплексної магнітної проникності для правота лівополяризованих
хвиль.
При виконанні цих умов хвилі з протилежними напрямками обертання вектора H поширюються практично без втрат, але з різними фазовими швидкостями ( μ−′ > μ+′ ). Для усунення ефекту Фарадея висота вузької стінки береться настільки малою, щоб в робочому
діапазоні частот у хвилеводі не могла поширюватися хвиля з вектором E , паралельним широкій стінці. Коефіцієнт фази хвилі, а також і фазовий зсув залежатимуть від напруженості постійного магнітного поля Н0. Втрати потужності в такому фазообертачі не перевищують 1 дБ.
Рисунок 12.19 Взаємний фазообертач
Робоча смуга частот сягає декількох відсотків від середньої частоти, яка може знаходитися в діапазоні 8 — 70 ГГц. При відносно невеликих рівнях керуючого магнітного поля фазовий зсув можна встановлювати в межах від 0° до 360°.
Ідеальний невзаємний фазообертач є чотириполюсником без втрат, яки пропускає електромагнітні хвилі в обидва боки з різними фазовими зсувами. Його матриця розсіювання має два незалежних елементи
|
|
|
0 |
e |
−iϕ1 |
|
(12.4-15) |
|
|
S = |
|
. |
|
|
e−iϕ2 |
|
0 |
|
|
Основними параметрами фазообертача є: |
|
|
|
|
|
|
- невзаємним фазовий зсув ϕ = |
|
ϕ1 −ϕ2 |
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-вношувані втрати А= 10lg(Pвх/Pвих);
-коефіцієнтом стоячої хвилі вхідного плеча;
-робоча смуга частот f , в якій зміни параметрів не перевищують допустимих меж.
Невзаємні фазообертачі будуються на відрізках порожнистих хвилеводів, коаксіальних ліній та смужкових ліній передачі. При використанні прямокутного хвилеводу поперечно намагнічена феритова пластинка розміщується паралельно вузькій стінці хвилеводу.
Невзаємний фазовий зсув визначається не тільки напруженістю постійного магнітного поля Н0, але й положенням фериту в прямокутному хвилеводі. Схема такого фазообертача зображена на рис.12.20, а. Структура змінного магнітного поля для деякого моменту часу
