Исследование волноводных четырехплечих (гибридных) соединений

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВОДНЫХ ЧЕТЫРЕХПЛЕЧИХ (ГИБРИДНЫХ) СОЕДИНЕНИЙ

Задачи, решаемые в работе:

- изучение конструкций четырехплечих соединений (восьмиполюсников);

- изучение основных параметров восьмиполюсников и их экспериментальное определение;

- изучение описания свойств восьмиполюсников с помощью матриц рассеяния;

- экспериментальное определение элементов матриц рассеяния восьмиполюсников.

1. Устройство, принцип действия и основные характеристики четырехплечих волноводных соединений

К четырехплечим волноводным соединениям относятся: направленные ответвители, двойной волноводный тройник и щелевой мост. Эти волноводные соединения очень широко применяются в технике сверхвысоких частот. Поэтому необходимо познакомится с их устройством, изучить принцип действия, измерить некоторые из основных параметров и характеристик и рассмотреть примеры их применения.

1.1. Направленные ответвители.

Направленный ответвитель показан схематически на рис. 1. Он состоит из двух отрезков прямоугольного волновода, одна из боковых стенок этих отрезков является общей. Волновод, в который поступает мощность из основного тракта, называется основным или главным. Другой волновод, в который ответвляется часть мощности из основного волновода, называется вспомогательным или дополнительным. С одного конца вспомогательный волновод заканчивается фланцем с другого – согласованной нагрузкой. В самом простом случае в общей стенке волновода делаются два отверстия связи, расположенные на расстоянии четверти длины волны в волноводе друг от друга.

Волна, поступающая в плечо 1, возбуждает при своем движении по основному волноводу через отверстия связи «d» и «b» за счет продольной составляющей магнитного поля волны во вспомогательном волноводе, движущиеся во вспомогательном волноводе в обоих направлениях от отверстий «d» и «b», как показано на рисунке 1. Мощность, переносимая этими волнами, зависит от размеров отверстий. Если размеры отверстий одинаковы, то и амплитуды волн  равны, т. е. равны ; . Положим в сечении «d» фазу волны равной нулю. Фазы, возбуждаемых в сечении «d» волн  и  также равны нулю.

Рис. 1. Направленный ответвитель с двумя отверстиями связи.

Рассмотрим как согласовываются в сечении «b» волны  и  движущиеся в направлении плеча 3.

Пройдя путь от сечения «d» до сечения «b», волна  изменит фазу на величину , так как расстояние пройденной волной равно . Волна в основном волноводе проходит путь от сечения «d» до сечения «b» равный  и изменит фазу на величину . В сечении «b» она возбудит волну , имеющую фазу . Следовательно, в сечении «b» волны  и  складываются в фазе и поступают в плечо 3 вспомогательного волновода, образуя далее одну волну.

Волна  возбуждаемая волной из основного волновода, имеющий сдвиг по фазе относительно сечения «d», равный . Затем распространяясь по вспомогательному волноводу от сечения «b» до сечения «d» она проходит путь  и поэтому в сечении «d» сдвиг по фазе между волнами и составит величину p. Так как обе эти волны одинаковы по амплитуде, то в направлении плеча 4 передачи мощности не будет (волны компенсируют друг друга).

При подаче мощности в плечо 2 волна во вспомогательном волноводе будет распространяться в направлении плеча 4 и не пройдет в плечо 3.

Мощность поступающая во вспомогательный волновод зависит от величины отверстий связи.

Работа ответвителя с двумя отверстиями существенно зависит от частоты. При частоте, отличной от расчетной, волны  и  не будут в противофазе, и, следовательно, некоторая доля мощности будет проходить в плечо 4, развязка плеч 1 и 4 нарушается.

На рис.2 показаны векторные диаграммы для  и , из которых легко получить величину суммарного вектора полей напряженностей полей

.                                      (1)

Рис. 2. Векторные диаграммы, поясняющие нарушение развязки плеч 1 и 4

в ответвителе с двумя отверстиями связи.

Для работы в более широком диапазоне частот используют направленные ответвители с тремя отверстиями (рис. 3).

Рис. 3. Направленный ответвитель с тремя отверстиями связи.

Расстояния между осями отверстий для некоторой (расчетной) частоты делаются равными четверти длины волны в волноводе. Все возбужденные во вспомогательном волноводе волны, распространяющиеся от каждого отверстия в направлении плеча 3 складываются в фазе на любой частоте. Отверстия связи имеют разные размеры. Отверстия «а» и «с» одинаковые, отверстие «b» имеет больший размер такой, чтобы амплитуды волн  и  в два раза превышали амплитуды волн ,  (, ). Сложение волн на расчетной частоте и на частоте, отличной от расчетной, показаны на рис. 4.

Рис. 4. Векторные диаграммы, поясняющие нарушение развязки плеч 1 и 4

в ответвителе с тремя отверстиями связи.

Из векторной диаграммы видно, что в случае  составляющие  и  волн, идущих от каждого из отверстий в плечо 4, у отверстия «а» будут складываться так как показано на векторной диаграмме, то есть волна от отверстия «b», представляемая вектором , отстает по фазе от волны  на 180°, а волна от отверстия «с», представляемая вектором , отстает от волны на 360°. Для выполнения хорошей развязки необходимо выполнение условия

.                                               (2)

При частоте, отличной от расчетной, составляющие волны (,) будут отличаться по фазе от составляющих волны 1 на 180°±d, волны 3 на 360°±2d.

Угол между векторами  и  в любом случае будет равен 2d, а величина вектора , определяющего волну, проходящую в плечо 4