4.2. Щілинний хвилеводний міст
Конструктивно міст виконують з двох відрізків хвилеводу, розрахованих на поширення хвилі Н10 і з'єднаних по вузькій стінці, в якій прорізається щілина (рис. 4.2).
Нехай до плечей 2, 3, 4 підключено узгоджені навантаження
Вважаємо, що в плечі 1 збуджена хвиля Н10 з амплітудою 2U, а в плече 2 енергія не надходить. Роботу моста можна про аналізувати, вважаючи, що в
Рис. 4.2. Конструкція щілинного моста
плечі 1 існують дві синфазні Е'1, Е"1, а в плечі 2 – дві протифазні E'і, Е"іі хвилі Н10 з амплітудою U (рис. 4.3).
Пара протифазних хвиль E"i, E"ii каналів 1 і 2 складає одну хвилю Н20, яка має вузол електричного поля на середній лінії щілини (х = а) і поширюється в широкому хвилеводі (0 < Z < ℓ).
Рис. 4.3. Розподіл хвиль у каналах щілинного моста
Синфазні хвилі E'1, Е'11 можуть збуджувати лише хвилі типу Н10, Н30, Н50 з пучністю електричного поля в площині X = а.
Для нормальної роботи моста в хвилеводі подвоєної ширини 2а мусять збуджуватись лише хвилі Н10 і Н20, а вищі типи хвиль, починаючи з Н30, не повинні в ньому поширюватись. І вимога задовольняються в діапазоні хвиль, визначеному з умови:
. (4.7)
При виконанні даної умови та узгодженні у вихідних плечах енергія синфазних хвиль E'1, Е"11 трансформується в енергію хвилі Н10, а енергія протифазних хвиль E'1, E'11 – в енергію хвилі Н20.
Поширюючись у широкому хвилеводі (0 ≤ Ζ ≤ ℓ), хвиля Н10 одержує фазовий набіг:
, (4.8)
а хвиля Н20 – набіг:
, (4.9)
де β1 , βг – коефіцієнти фази;
λ, λz – довжини хвиль Н10 і Н20 в хвилеводі з широкою стінкою, що дорівнює 2a, знаходяться за такими виразами:
, (4.10)
Хвиля Н10 збуджує в плечах 3 і 4 сикфазні поля Е'ш і Е'iv, які мають фазу φ1, а хвиля Н20 – протифазні поля E"III E"IV з фазою φ2.
Визначають сумарні поля ЕIII і ЕIV у перерізі z = l у каналах 3 і 4, враховуючи фазування збуджених хвиль, показане на векторній діаграмі (рис. 4.4):
Рис. 4.4. Векторна діаграма щілинного моста
Після додавання одержимо:
, (4.11)
, (4.12)
де
Отже, у вихідних плечах моста збуджуються хвилі, зсунуті за фазою на 90°, причому хвиля в каналі 4 має відстаючу фазу.
Коефіцієнт поділу щілинного моста знаходять, враховуючи рівняння (4.4) і (4.11):
. (4.13)
Для того щобпотужність поділялася між каналами 3 і 4 порівну, необхідно, щоб кут Q = π/2. Звідси визначають довжину щілини:
, (4.14,
а)
та коефіцієнт передачі з плеча 1 в плече 4:
. (4.14,
б)
Тому перехідна характеристика моста, визначена за формулою (4.3), має вигляд:
. (4.15)
Оскільки фазові швидкості хвилі Н10 в області щілини 1 плечей моста різні, то в місцях переходу від вузького хвилеводу до широкого і навпаки виникають відбиті хвилі. Для їх усунення в області щілини розміщують узгоджувальні елементи.
Щілинний хвилеводний міст має просту конструкцію і добрі електричні параметри в широкому діапазоні частот.
4.3. Подвійний хвилеводний трійник
У техніці НВЧ широко застосовується подвійний хвилевода трійник, або Т-міст (рис. 4.5). Міст утворюється суміщення в єдиний симетричний простір Η- і Ε-трійників. У Т-мості Е-трійник утворений плечима IІ, ІІІ, IV а Н-трійник – плечима І, ІІІ, IV.
Розглянемо роботу трійників за умови, що всі плечі узгоджені і розраховані на пропускання лише основної хвилі.
Розріз Ε-трійника показано на рис. 4.6. Він являє собою розгалуження в площині Ε основного хвилеводу ІІІ, VI.
Трійник конструктивно симетричний відносно площини Ε. Тому при подачі потужності в Е-плече розподіл магнітного поля в плечах ІІІ, IV однаковий, а електричного – однаковий за амплітудою і протилежний за фазою. Отже, в бокових плечах трійника збуджуються хвилі, в яких амплітуди векторів Е і Η однакові магнітні поля синфазні, а електричні – протифазні. Тому в узгод женому трійнику потужність, подана в плече Ε, в бокових плечах ІІІ і ІV ділиться навпіл.
Рис. 4.5. Конструкція подвійного хвилеводного трійника
Н-трійник являє собою розгалуження в Н-плошині основного хвилеводу ІІІ, ΙV. Оскільки трійник симетричний відносно площини Q, то при збудженні Η-плеча в площинах зв’язку 1-1 і 2-2 розподіл електричного поля однаковий за амплітудою і фазою, а магнітного – однаковий за амплітудою, але протифазний.
Тому в бокових плечах збуджуються однакові хвилі з синфазними електричними і протифазними магнітними полями.
Якщо в трійнику відсутні втрати, то потужність, подана в Н-плече, поділяється в бокових плечах навпіл. Для взаємного Η-трійника – навпаки: при подачі в плечі ІІІ і IV однакових хвиль з синфазними електричними полями вся потужність підсумовується в Н-плечі.
Розглянемо роботу Т-моста. Його основною властивістю є взаємна розв'язка між плечима І, II, Ш, IV.
Рис. 4.6. Спрощена конструкція Е-трійника
За аналогічним принципом працює й узгоджений Н-трійник
Рис. 4.7. Спрощена конструкція Н-трійника
Розв'язка між плечима І і II пояснюється так. При збудженні в плечі i хвилі Н10 вектор E буде паралельним поздовжній осі плеча II. При такій орієнтації в Е-плечі можуть збуджуватись хвилі Е або Η вищих типів, які в плечі i не можуть поширюватись, тому що воно розраховано на пропускання хвилі H10
При збудженні хвилі Н10 в плечі II вектор Ε паралельний широким стінкам хвилеводу плеча 1, і тому збудження хвилі Н10 у цьому плечі неможливе. Плечі ІІІ і IV також розв'язані за умови ввімкнення узгоджених навантажень в Е- і Η-плечах моста. Cправедливість даного твердження можна пояснити таким чином. Припустимо, що живиться плече ІІІ, а в плечі IV потужність відсутня. Нехай в плечі ІІІ амплітуда електричного поля дорівнює 2А. Тоді можна вважати, що в плечі ІІІ існують дві синфазні хвилі з амплітудами А, а відсутність потужності в плечі IV еквівалентна наявності в ньому двох однакових за амплітудою і протилежних зa фазою хвиль, тобто хвиль з амплітудами ±А. Відповідно до викладеного вище napа хвиль з однаковими фазами з плечей ІІІ і IV надходить в Η-плече, а пара хвиль з протилежними фазами – в Е-плече.
Таким чином, подвійний трійник працює як міст: при подачі потужності в Н(Е)-плече потужність надходить у бокові плечі і не проходить в Е(Н) – плече.
Для забезпечення нормальної роботи Τ-моста необхідно його узгоджувати. З цією метою в Н- і Е-плечі вводять різноманітні узгоджувальні елементи – штирі, діафрагми і т.ін. Такий узгоджений міст часто застосовується в різних пристроях НВЧ. Його характеристики при повній конструктивній симетрії зберігаються в широкому діапазоні частот, точніше – у смузі узгодження Н- і Ε-плечей.