1.5.4. Нвч мости

На високих і надвисоких частотах, як і на низьких частотах, широке розповсюдження мають різні мостові схеми. По виконуваних функціях високочастотні мости мають багато спільного з низькочастотними мостами. Згадаємо принцип роботи низькочастотної мостової схеми, представленої на рис. 1.138.

О сновною особливістю такої схеми є можливість балансування її шляхом підбора опорів. Міст виявляється збалансованим при виконанні умови Z₁∙Z₃ = Z₂∙Z_1.

У

Рис. 1.138

збалансованому мосту протилежні діагоналі виявляються, електрично розв'язаними. Це означає, що якщо, наприклад, до точок 1—1 підключити генератор, то різниця потенціалів між точками 2—2 буде дорівнює нулю й індикатор, підключений до цих точок, не буде давати показань. Якщо порушити баланс, включивши замість одного з опорів інше, не рівне йому, то індикатор буде давати показання тим більші, чим більше відрізняються величини цих опорів. Отже, при відповідному градуюванні індикатора міст може бути використаний як вимірювач опорів. Якщо в діагоналі збалансованого моста включити незалежні джерела, то вони працюють на загальне навантаження (міст), не впливаючи один на одного (будуть розв'язані).

Аналогічні функції можуть виконувати й хвилевідні мости НВЧ діапазону. Найбільше широко в техніці НВЧ застосовуються наступні 3-децибельні мости: шлейфні,

подвійні хвилевідні трійники (ПХТ), кільцеві, щілинні хвилевідні мости (ЩМ), багатозв’язні та ін. Мости називають синфазними, якщо коливання на їх виходах синфазні (тобто зсув фаз між ними  = 0), протифазними, якщо   , і квадратурними, якщо   /2. Той самий міст залежно від того, до якого плеча подається потужність коливань, може бути, наприклад, синфазним чи протифазним. Щоб усі входи моста були узгоджені, хвильові опори його відрізків і ліній, що підводять енергію, мають бути в певному співвідношенні між собою.

1.5.4.1. Шлейфний міст

Він являє собою дві ЛП та шлейфи, що їх з’єднують, включені через /4. Зі збільшенням їх кількості діапазонні властивості моста поліпшуються, але зростають габарити та втрати.

Я к приклад на рис. 1.139 оказано дво- та тришлейфні мости; там також позначено нормовані значення хвильових опорів ліній у смужковому виконанні.

Рис. 1.139

Зовнішній огляд двошлейфного мосту у микросмужковому виконанні показано на рис. 1.140

Рис. 1.140

1.5.4.2. Подвійний хвилевідний трійник

Зовнішній вигляд ПХТ показаний на рис. 1.141.Як видно з рисунка, цей трійник являє собою комбінацію двох хвилевідних трійників: H-трійника (плечі 1—3—4} й E-трійники (плечі 2—3—4). Відповідно до цього плече 1 часто називається Н-плечем, а плече 2 — Е -плечем. Міст виконується так, щоб всі його плечі були симетричні.

Рис. 1.141 в)

С хема заміщення як сукупність схем заміщення Е- та Н-трійників наведена на рис.1.142.

Розглянемо розподіл потужності в мосту при різних варіантах його збудження.

Н

Рис. 1.142

ехай міст живиться з боку плеча 1, а в плече 2 включений індикатор. При цьому можливі два випадки:

— у бічні плечі 3 й 4 включені однакові ( в окремому випадку погоджені) навантаження;

• у бічні плечі 3 й 4 включені різні

• навантаження.

Рис. 1.143

У першому випадку потужність, що надходить із плеча 1, розподіляється нарівно між бічними плечима 3 й 4 (рис. 1.143.а). У плече 2 енергія не піде, тому що при симетричному розподілі поля в ньому можуть збудитися тільки Е хвилі, починаючи з Е₁₁. При звичайному виборі розмірів хвилеводу для цих хвиль не виконується умова поширення, тому вони загасають поблизу розгалуження. Отже, плечі 1 й 2 виявляються електрично розв'язаними.

З рис. 1.141.а і 1.143.а видно, що плечі 3 й 4 збуджуються синфазно. ПХТ задовольняє теоремі взаємності. Тому можна стверджувати, що при живленні його одночасно з боку плечей 3 й 4 синфазними коливаннями рівної амплітуди вся енергія піде в плече 1.

Якщо в плечі 3 й 4 включені різні навантаження, то картина електричного поля буде несиметричної щодо плеча 2 (рис. 1.141.а). Тому, крім Е хвиль, у плечі 2 збуджується основна хвиля Н₁₀ (рис. 1.143.б), тобто в це плече відбувається відгалуження енергії. Чим більше різняться навантаження в плечах 3 й 4, тим більше енергії попадає в індикатор, включений у плече 2. Тому подвійний трійник можна використати для контролю рівності навантажень, а якщо одне навантаження узгоджене, то й для контролю узгодження. При цьому в плече Е потрібно включити відповідний вимірювальний прилад.

Розподіл електричного поля при живленні трійника з боку плеча Е і при однакових навантаженнях у бічних плечах показане на рис. 1.141.б і 1.143.в. Пунктиром показаний поперечний переріз хвилеводу плеча Н. По розподілі поля видно, що потужність ділиться нарівно між бічними плечима, причому на відміну від наведеного вище випадку (рис. 1.141.а і 1.143.а) коливання в бічних плечах 3 й 4 перебувають у противофазі. У плече Н енергія не надходить, тому що в ньому збуджується хвиля Н₂₀, що не може поширюватися в стандартному хвилеводі. Якщо збуджувати подвійний трійник одночасно з боку плечей 3 й 4 протифазними коливаннями рівної амплітуди, то відповідно до принципу взаємності вся енергія надійде в Е-плече.

При різних навантаженнях бічних плечей частина потужності відгалузиться в плече Н, тому що за рахунок асиметрії поля в ньому буде збуджуватися не тільки хвиля Н₂₀, але й основна хвиля. Отже, і при даному варіанті живлення подвійний трійник можна використати для контролю узгодження навантажень.

Використовуючи рис. 1.143.а і 1.143.в, розглянемо випадок живлення трійника одночасно з боку плечей Е и Н^*. Будемо думати, що зображені на рисунках силові лінії відповідають синфазному живленню плечей. Легко переконатися (наклавши один рисунок на іншій), що при одночасному живленні коливання в плечі 4 сумуються, а в плечі 3 — віднімаються. Отже, у цьому випадку вся енергія передається в плече 4.

На підставі теореми взаємності можна стверджувати, що при живленні трійника з боку плеча 4 енергія ділиться нарівно між плечима Е и Н, а в плече 3 не надходить. Якщо плечі Е і Н живити в противофазі, то вся енергія надходить у плече 3, і, навпаки, якщо живити трійник з боку плеча 3, то енергія поділиться нарівно між плечима Е і Н.

Отже, подвійний хвилевідний трійник, плечі якого навантажені однаковими опорами, має наступні основні властивості.

1. При живленні трійника з боку плеча Н у бічних плечах 3 й 4 збуджуються синфазні хвилі з однаковими амплітудами. Плече Е не збуджується ( ).

2. При живленні трійника одночасно з боку бічних плечей 3 й 4 синфазними хвилями рівної амплітуди збуджується плече Н. Плече Е не збуджується ( ).

3. При живленні трійника з боку плеча Е в бічних плечах 3 й 4 збуджуються протифазні хвилі з однаковими амплітудами. Плече Н не збуджується.

4. При живленні .трійника одночасно з боку бічних плечей 3 й 4 протифазними хвилями рівної амплітуди збуджується плече Е. Плече Н не збуджується.

5. При живленні трійника одночасно з боку плечей Е и Н синфазними (як прийняте на рис. 1.43.а,в) хвилями з однаковою амплітудою збуджується плече 4. Плече 3 не збуджується.

6. При живленні трійника з боку плеча 4 у плечах Е и Н збуджуються синфазні хвилі рівної амплітуди. Плече 3 не збуджується.

7. При живленні трійника одночасно з боку плечей Е и Н протифазними хвилями з однаковою амплітудою збуджується плече 3. Плече 4 не збуджується.

8. При живленні трійника з боку плеча 3 у плечах Е и Н збуджуються протифазні хвилі з однаковою амплітудою. Плече 4 не збуджується.

Т

Рис. 1.144

а)

б)

аким чином, будь-які протилежні плечі подвійного трійника взаємно розв'язані. Однак це справедливо тільки для випадку ідеального узгодження й ідеальної симетрії плечей. Реально можна домогтися розв'язки плечей порядку 30 - 50 дБ при КСХ не більше 1,2 у смузі частот до 10%. Така розв'язка забезпечується точністю виготовлення трійника й застосуванням узгоджувальних пристроїв. Для узгодження встановлюються два незалежних узгоджувальних пристрої: одне в Н-плече, інше в Е-плече (рис. 1.144.а). При цьому трійник виявляється погодженим з боку будь-якого плеча й часто називається двічі погодженим. Узгоджувальні елементи розташовуються звичайно поблизу розгалуження, що трохи розширює діапазонність.

П

Рис. 1.145

рактичний інтерес також представляє випадок живлення трійника коливаннями однакової амплітуди, але різної фази. Нехай плечі Е и Н збуджуються сигналами з однаковою потужністю Р. Вище за допомогою картин електричних полів було показано, що при синфазних сигналах вся потужність (2Р) надходить у плече 4 (рис. 1.143). Це можна показати й за допомогою векторної діаграми (рис.1.145.а)^**. На рис. 1.145.б показані векторні діаграми для випадку, коли плечі Е и Н збуджуються коливаннями з однаковими амплітудами, але зрушеними по фазі на кут φ( ). На діаграмі позначені. E₁₃ й Е₁₄ — вектори електричних полів, збуджених у плечах 3 й 4 при живленні трійника з боку плеча 1; E₂₃ й E₂₄ — вектори електричних полів, збуджених, у плечах 3 й 4 при живленні трійника з боку плеча 2; E₃ й E₄ — вектори сумарних електричних полів у плечах 3 й 4 відповідно. З діаграми видно, що сигнал

надходить як у плече 4, так й у плече 3.

Скориставшись теоремою косинусів, можна визначити [3] потужність сигналів, що надходять у плечі 3 й 4:

; Залежності Рз і Р₄ від різниці фаз φ коливань у плечах Е і Н графічно представлені на рис. 1.146.

Рис. 1.146

Як видно із графіків, у всіх випадках (крім φ = 0 і φ = 180 ) потужність, що надходить у плечі Е і Н, ділиться між плечима 3 й 4. При φ = 90° потужність ділиться нарівно. Аналогічно розглянемо збудження подвійного трійника одночасно з боку плечей 3 й 4. В самому загальному випадку комплексні амплітуди напруженості електричного поля в плечах 1 й 2 будуть відповідно дорівнювати: Завдяки своїм властивостям подвійний трійник знаходить широке застосування у хвилевідній техніці. У вимірювальних апаратурах подвійний трійник використовується для контролю узгодження, контролю рівності навантажень, виміру вхідних опорів навантажень та ін. На базі подвійного трійника конструюються високочастотні змішувачі й диплексери.

Істотними недоліками подвійного трійника є громіздкість конструкції й знижена електрична міцність. Останнім часом почали застосовуватися модифіковані, так названі згорнуті подвійні трійники (рис. 1.144.б). Така конструкція більш компактна, але викликає труднощі при узгодженні плечей.