11.2 Некоторые типы балансных восьмиполюсников

Рассмотрим конструктивное выполнение и характеристики наиболее распространенных балансных восьмиполюсников.

Двойной Т-образный мост (рисунок 11.2) представляет комбинацию Е и Н волноводных тройников. Устройство имеет одну плоскость симметрии (вертикальную). Размеры волноводов всех плеч выбираются такими, чтобы в них распространялась волна основного типа –

Рисунок 11.2 – Двойной волноводный (T-образный) мост

Волна из входа 1 поступает в боковые плечи 3 и 4 синфазно, а из плеча Е (вход 2) – противофазно (рисунок 11.3). Плечи 1 и 2 развязаны, так как поля этих волноводов ортогональны по поляризации.

По основному типу поляризации Н-тройник эквивалентен параллельному разветвлению линии передачи, а Е-тройник – последовательному. Если все линии имеют одинаковое волновое сопротивление Z_B, то тройники рассогласованы, так как для плеча Н нагрузка составляет Z_B/2, а для плеча Е – 2Z_B. Обычно согласование плеча Е производится с помощью диафрагмы, а плеча Н – с помощью штыря. Эти две настройки являются независимыми, так как плечи взаимно развязаны.

Рисунок 11.3 – Структуры и эквивалентные схемы H и E-тройников

Матрица рассеяния двойного Т-образного моста имеет вид:

. (11.4)

Щелевой волноводный мост образован двумя прямоугольными волноводами с широкой щелью в общей узкой стенке (рисунок 11.4). Этот мост представляет собой балансный восьмиполюсник с двумя плоскостями симметрии, и его матрица рассеяния определяется выражением (11.5):

. (11.5)

При возбуждении, например, плеча 1 волны на входах 3 и 4 равны по амплитуде, а по фазе сдвинуты на 90°.

Рисунок 11.4 – Щелевой волноводный мост

Для нормальной работы моста необходимо, чтобы на общем участке длиной l могли распространяться две волны – синфазная H₁₀ и противофазная H₂₀, а волна H₃₀ должна быть запредельной . Тогда размер h (рисунок 11.4) должен удовлетворять условию:

. (11.6)

Волны Н₁₀ и Н₂₀ имеют различные фазовые скорости, и длина щели l выбирается из условия, что разность набега фаз составляет 90⁰:

(11.7)

Из (11.7) при заданных размерах моста можно определить резонансную длину волны.

Пусть входы 1 и 2 возбуждены синфазно, тогда на участке связи возбуждается волна Н₁₀ и волны на входах 3 и 4 также синфазны (рисунок 11.5).

Рисунок 11.5 – Четная и нечетная волны в щелевом мосте

При противофазном возбуждении входов 1 и 2 на участке связи распространяется волна Н₂₀ и волны на входах 3 и 4 противофазны и имеют сдвиг фаз на 90⁰ по отношению к первому режиму. Сумма синфазного и противофазного возбуждения эквивалентна возбуждению только одного плеча 1 и дает на входах 3 и 4 равные по амплитуде и сдвинутые по фазе на 90⁰. Плечо 2 при этом не возбуждено, т.е. оно полностью развязано с плечом 1. Полное согласование, баланс плеч и развязка были бы возможны, если бы устройство было идеально согласовано для синфазного и противофазного режимов. Однако, так как при синфазном режиме структура поля волны Н₁₀ в плечах 1 и 2 заметно отличается от структуры этой же волны в участке связи, что вызывает отражение волны.

Для согласования используется настроечный винт, установленный в центре участка связи, т.е. в максимуме поля волны Н₁₀. Этот элемент не влияет на противофазную волну, поле которой в плоскости щели равно нулю. Согласование противофазных волн можно достичь, меняя размер h, но это отражается на синфазном режиме. В практических конструкциях согласование не достигается ни для синфазного, ни для противофазного режимов.

Волноводный направленный ответвитель со связью по узкой стенке. Направленным ответвителем (НО) называется устройство для направленного ответвления части мощности из основного волновода во вспомогательный. Простейшим вариантом такого НО является двухдырочный НО (рисунок 11.6).

Рисунок 11.6 – Двухдырочный волноводный направленный ответвитель

Если отверстия связи невелики, то через каждое из них в волноводе 2 – 4 возбуждаются две равные по амплитуде волны, распространяющиеся в противоположных направлениях. При расстоянии l = λ_в / 4 в плече 4 волны от двух отверстий синфазны, так как проходят равные пути от входа 1, а в плече 2 – противофазны, так как их пути отличаются на λ_в/2. Таким образом, на частоте, соответствующей λ_в, на входе 2 волны полностью компенсируются и НО является идеальным. Однако при изменении частоты, разность путей волн будет отличаться от λ_в/2, и полной компенсации не произойдет.

Основными параметрами НО являются переходное ослабление С (отношение мощностей волны, поступившей в НО и ответвленной) и направленность N (отношение мощностей волн, ответвленных в заданном направлении и в противоположном). Обычно эти величины определяются в децибелах:

, .

Для идеального НО N = ∞.

Контрольные вопросы:

1 Назвать основные свойства балансного восьмиполюсника.

2 Какое количество элементов матрицы [S] описывает балансный восьмиполюсник с двумя плоскостями симметрии?

3 Пояснить причину развязки плеч 1 и 2 в двойном волноводном тройнике.

4 Пояснить причину развязки плеч 1 и 2 в щелевом мосте.

5 Назвать тип и положение согласующих элементов двойного волноводного тройника.

6 Почему в щелевом мосте для согласования четырех плеч используется один согласующий элемент?

7 Записать матрицу [S] двойного T моста.

8 Записать матрицу [S] щелевого моста.

9 Пояснить принцип работы двухдырочного направленного ответвителя.

10 Электрические характеристики направленного ответвителя и их экспериментальное определение.