1.5.2. Класифікація спрямованих відгалужувачів

У хвилевідних трактах застосовуються спрямовані відгалужувачі різних конструкцій, яки визначаються типом елемента зв’язку (рис.1.117).

Найчастіше в якості елемента зв’язку в хвилевідних спрямованих відгалужувачах використовуються отвори різних конструкцій і щілини в спільній стінці основного і допоміжного хвилеводів. Характер зв’язку залежить від місця розміщення отвору. Якщо отвір прорізано у вузький стінці, то він являється елементом магнітного зв’язку (так як для Н10 електричне полу на вузькій стінці дорівнює 0) . Якщо ж отвір розміщено у широкій стінці, то він являється елементом електромагнітного зв’язку.

Рис.1.117

Те ж саме можна сказати і про щілини. Якщо для зв’язку застосовується отвір з малими розмірами (поперечні розміри отвору значно менші, ніж довжини хвилі в хвилеводі), то вони являються елементами зосередженого зв’язку. Довжина щілини сумірна з довжиною хвилі у хвилеводі, тому повздовжня щілина є елементом поширення (вздовж хвилеводу) зв’язку. За принципом дії і конструктивному виконанні елементів зв’язку всі спрямовані відгалужувачі діляться на три основні групи:

• відгалужувачі з четверть хвильовим розносом елементів зв’язку (рис. 1.117.а);

• відгалужувачі з зосередженим електромагнітним зв’язком (рис. 1.117.б);

• відгалужувачі з поширеним вздовж хвилеводу зв’язком (рис. 1.117.в).

Розглянемо найбільш характерні конструкції спрямованих відгалужувачів.

1.5.3. Спрямовані відгалужувачі

1.5.3.1. Спрямований відгалужувач з двома отворами зв’язку

Відгалужувач складається з двох відрізків хвилеводу які мають спільну вузьку стінку, в якій прорізано два однакових отворів зв’язку (рис. 1.118). Відстань між центрами отворів

дорівнює .

Один хвилевод ( 1-2 ) являється основним, другий (3-4) – допоміжний. До плеча 4

д

Рис. 1.118

опоміжний хвилевод приєднується поглинаючи узгоджуючи навантаження, а до плеча 3 – індикаторний пристрій, наприклад, вимірювач потужності.

Нехай основний хвилевод 1-2 спрямованого розгалжувача вмонтовано у контролюючий хвилевідний тракт. Частинна енергії падаючої хвилі ( на рисунку показана суцільною лінією) через отвір зв’язку розгалужується у допоміжній хвилевод. В ідеальному випадку розгалужена енергія може передаватися тільки в сторону плеча 3, так як в будь-якому

перерізі праворуч (2) збуджені обома отворами зв’язку хвилі мають однакові фази ( різниця ходу рівна нулю) і тому додаються. У протилежному напрямку, лівше перерізу (1), хвилі стають у протифазі, так як різниця їх ходу рівна . Тому результуюче поле дорівнює різниці полів відгалужених хвиль. Оскільки амплітуди хвиль однакові напруженість поля лівіше перерізу рівна нулю і енергії там немає.

При наявності відбиваючої хвилі енергія відгалужується тільки в плече 4, де повністю поглинається навантаження. Відповідно познаки індикатора потужності, включеного в плече 3, пропорціональні потужності падаючої хвилі. Якщо до генератора підключить плече 2 відгалужувача, то показники того ж індикатора будуть пропорціональності потужності відбитої хвилі. Відповідно відгалужувач, в залежності від способу включення, може бути індикатором або падаючої, або відбитої хвилі. Двох дірковий спрямований відгалужувач простий за конструкцією. Основні недоліки його – мала спрямованість (15 -20 дБ) і погана діапазоність. Крім того, двох дірковий відгалужувач не дозволяє одержати мале перехідне послаблення.

В

Рис. 1.119

елику широкосмуговість мають багатоелементні спрямовані відгалужувачі. Їх можна розглядати як каскадне з’єднання (рис. 1.119) декількох двоелементних відгалужувачів, відстань між якими дорівнює (2k + 1)₀/4. У разі такого розміщення отворів поле, що просочується у зворотному напрямку через одну пару отворів, почасти компенсується полем, що проходить через другу пару і для   ₀. Щоб зменшити габарити відгалужувача, відстань між парами отворів роблять мінімально можливою. Зокрема, для l = ₀/4 (k = 0) два середні отвори зливаються в один, і чотириелементний відгалужувач стає тридірковим (рис. 1.119. а).

У цьому випадку амплітуда поля, що проникає через середній отвір, має бути вдвічі більшою, ніж амплітуда поля, що прoходить через крайні отвори. Це досягається збільшенням діаметра середнього отвору (на рис. 1.119. а праворуч відносні значення амплітуд показані цифрами 1, 2, 1).

Міркуючи аналогічно, доходимо висновку, що можливо об’єднати два чотириелементні (тридіркові, рис. 1.119.б ліворуч) відгалужувачі в один чoтиридірковий (на рис. 1.119.б праворуч) і т. д. Із наведених міркувань випливає, що амплітуди хвиль, які проходять через п + 1 отвір зв’язку багатоелементного СВ (коефіцієнти передачі цих отворів), мають бути пропорційні коефіцієнтам бінома Ньютона

1, n, n(n – 1)/2!, ... , n(n – 1 )(n – 2)/3!, …. (1.75)

З урахуванням того, що сума коефіцієнтів бінома дорівнює 2ⁿ, вираз для перехідного ослаблення можна подати у вигляді

Тут уведено такі позначення напруженостей електричного поля:

Е₁  в основному хвилеводі; е₃  у побічному хвилеводі, створювана найменшим отвором; Е₃  сумарна в побічному хвилеводі; s₁ = Е₁/ е₃  коефіцієнт перехідного ослаблення найменшого отвору.

Діаметр d отвору в суміжній вузькій стінці хвилеводу та його коефіцієнт ослаблення пов’язані співвідношенням

(1.76)

Для визначення спрямованості СВ подамо E₄ у вигляді

і запишемо залежність електричної відстані  між отворами від відносної розстройки за частотою

У цьому випадку |cos|ⁿ = |sin|ⁿ, і спрямованість

(1.77)

або . (1.77.а)

Багатоелементні СВ дозволяє також одержати мале (теоретично нульове) перехідне послаблення. Якщо знехтувати втратами і допустити, що відгалужувачі ідеально спрямовані, то загальний коефіцієнт передачі із основного хвилеводу в допоміжний (рис. 1.118) для каскаду (рис. 1.119) розраховується за формулою[3]:

,

де ;

m – число відгалужень.

Тоді перехідне послаблення каскаду дорівнює

.

Із приведених співвідношень випливає, що при достатньо великій кількості відгалужувачів можна одержати . В цьому випадку сумарний коефіцієнт передачі дорівнює одиниці _, тобто відгалужувач забезпечує повну передачу енергії із основного хвилеводу в допоміжний.

Послідовність розрахунку багатоелементного СВ:

 за заданим значенням D для розстройки  за співвідношенням (1.77) обчислюють n;

 за потрібним перехідним ослабленням С визначають коефіцієнт перехідного ослаблення s₁ найменшого отвору з виразу

;

 знаючи s₁, обчислюють з виразу (1.76) діаметр d найменшого отвору в суміжній стінці хвилеводу

; (1.78)

 за допомогою коефіцієнтів (1.75) визначають амплітуди хвиль, що проходять через інші отвори, і діаметри цих отворів, підставляючи у формулу (1.78) відповідні значення s.