Устройства СВЧ и антенны. Техническая электродинамика и устройства СВЧ. Устройства СВЧ: Методические указания к лабораторным работам, страница 8

В настоящей лабораторной работе исследуется направленный ответвитель, в котором связь волноводов осуществляется с помощью двух одинаковых отверстий связи в общей узкой стенке, разнесенных на расстояние  (рис. 17 и 18). Каждое отверстие возбуждает две волны А, A’и B’,B равных амплитуд, распространяющихся в противоположные стороны в направлении плеч 3 и 4 во вспомогательном волноводе II. Две пары волн A’ и B’, распространяющиеся в направлении плеча 3, оказываются в противофазе и взаимно компенсируется. Это обусловлено тем, что волна B’ проходит в волноводе I и II в сторону плеча 3 дополнительный путь, равный , по сравнению с волной А: путь равный  в волноводе I и  – в волноводе II. Волна А и В, распространяющиеся в сторону плеча 4, складываются в фазе, образуя одну волну.

Таким образом, ответвитель отводит часть мощности только в то плечо 4-вспомогательного волновода II, которое расположено по ходу распространения волны в основном волноводе I. Однако, описанная конструкция имеет существенные недостатки: узкополосность, т.е. расстояние между отверстиями связи неизменно, недостаточное ослабление и сравнительно небольшую направленность. Значительно лучшей является конструкция многодырочного направленного ответвителя. Многодырочный направленный ответвитель (рис. 19) со связью волноводов I и II через узкую стенку можно рассматривать как комбинацию нескольких двухдырочных ответвителей. Наибольшую широкополосность

Рис. 19

имеют ответвители с расстоянием между отверстиями связи  равным . При возбуждении электромагнитным полем каждое отверстие связи переизлучает какую-то его часть во вспомогательный волновод I, формируя поток электромагнитной энергии и в прямом и обратном направлениях. Каждое отверстие связи (как и любую другую неоднородность) можно характеризовать коэффициентом отражения , под которым понимается отношение мощности , возбуждающей отверстие , и излученной им. Тогда волна, ответвляемая в направлении плеча 3 вспомогательного волновода, будет характеризоваться суммарной величиной коэффициента :

,                                         (16)

а волна, ответвляемая в прямом направлении, при этом будет характеризоваться коэффициентом переходного ослабления С :

,                                            (17)

где .

Теоретический расчет направленного ответвителя состоит в получении требуемого коэффициента переходного ослабления С при одновременном сохранении  ниже допустимого значения  для заданного отношения  и в улучшении постоянства коэффициента С в полосе частот. При этом сначала выбирают тип характеристики изменения этого коэффициента – биномиальное или чебышевское, а затем по выбранному распределению определяют характер изменения коэффициента отражения . Далее, задавшись некоторым числом отверстий m, по известной величине С находят . После этого проверяют, не превысил ли суммарный коэффициент отражения  заданную величину . И, наконец, находят размеры отверстий по известным эмпирическим формулам и графикам. Много лучшие характеристики многодырочного направленного ответвителя можно физически объяснить тем, что при правильном подборе диаметров отверстий  (т.е. фактически уровня мощности СВЧ поля, излучаемого во вторичный волновод II) в диапазоне частот происходит взаимная (хотя и не полная, но в допустимых пределах) компенсация СВЧ полей, излучаемых каждым отверстием с учетом изменяющегося значения фазы из-за изменения в диапазоне частот относительного расстояния между отверстиями .

3. Описание лабораторной установки

Общая часть структурная схема лабораторной установки для исследования направленных ответвителей приведена в разделе методические указания. Здесь опишем только некоторые особенности структурной схемы измерительной установки (рис. 20), связанные со спецификой исследования ответвителей.

Рис. 20

Детекторная секция 7 с измерительным усилителем 8 может последовательно подключаться к каждому плечу (1, 2, 3, 4, 5, 6) направленного ответвителя. В работе используются также металлическая пластина для создания при необходимости режима короткого замыкания в линии передачи, три согласованные нагрузки для обеспечения режима согласования исследуемого ответвителя со стороны его плеч, остающихся свободными.

4. Порядок выполнения работы

1.  Изучить конструкции исследуемых направленных ответвителей, методику измерения их основных характеристик, ознакомиться с лабораторной установкой.

2.  Подключить к сети генератор СВЧ и усилитель, прогреть их в течении 10–15 минут, после чего установить рабочую частоту генератора по указанию преподавателя и подготовить к работе усилитель (см. соответствующие инструкции по настройке и эксплуатации).

3.  Измерить переходные ослабления двухдырочного и многодырочного направленного ответвителей методом замещения с помощью откалиброванного прецизионного аттенюатора 4 (см. рис. 1). Для этого плечо 1 основного волновода ответвителя подсоединить к выходному фланцу измерительной линии 3, а на плечах III и V  вспомогательного волновода детекторной секцией 7 и измерительным усилителем 8 измерить СВЧ мощность при минимальной величине ослабления, вводимого прецизионным аттенюатором 4. Мощность СВЧ генератора на его выходном волноводе устанавливается встроенным в него аттенюатором на уровне, достаточном для того, чтобы стрелка измерительного прибора заметно отклонилась (т.е. примерно до середины шкалы) при максимальной чувствительности измерительного усилителя. При этом к остальным плечам направленного ответвителя, на которых в данный момент СВЧ мощность не измеряется, необходимо подсоединить согласованные нагрузки. Затем уровень мощности на плече II основного волновода введением дополнительного затухания прецизионным аттенюатором 4 довести до уровня мощности, который был зафиксирован на плече III (V) вспомогательного волновода. Введенное дополнительное затухание будет равно переходному ослаблению ответвителя (коэффициент переходного ослабления).