Изучение элементов волноводных трактов

Лабораторная работа  № 3

Изучение элементов волноводных трактов

1. Цель работы : изучить конструкции некоторых простых элементов и узлов волноводных трактов и измерить элементы их  матриц рассеяния.

2. Измеряемые параметры

Волноводные тракты радиотехнических систем различной сложности выполняются в виде отдельных относительно простых самостоятельных узлов и элементов.

Значительная часть узлов и элементов связана с функциональным назначением волноводного тракта и предназначена для разделения энергии, ослабления и усиления уровня мощности, коммутация каналов, управления амплитудой или фазой сигнала, детектирования, модуляции, перехода на другой тип линии, преобразования поляризации и т.п. Другая часть элементов связана с конструктивными особенностями волноводной системы: повороты и изгибы, изменения сечения, соединительные элементы, гибкие волноводы и  др.

Набор различных элементов и узлов позволяет создавать волноводные системы различного назначения и сложности. Элементы и узлы соединяются друг с другом посредством фланцев, скрепляемых гайками, болтами или струбцинами. Последний способ распространён в практике лабораторных исследований.

Различные узлы могут иметь неодинаковое число входов и, в общем случае, устройство является многополюсником ( каждому входу соответствует пара полюсов).

     Многополюсником СВЧ называется любая комбинация проводников, диэлектриков,    магнитодиэлектриков и других линейных пассивных  элементов СВЧ, имеющих несколько входов в виде поперечных сечений линий передачи с заданными типами волн в каждой линии[1]. Наиболее простыми многополюсниками являются двух- и четырёхполюсники.

Напряжения и токи на входах многополюсника СВЧ связаны линейной системой уравнений, которой соответствует определённая матрица. На сверхвысоких частотах удобное описание свойств многополюсника даёт его волновая матрица рассеяния  [S] , которая связывает нормированные напряжения отраженных [U^o] и падающих [U^п] волн на его входах ( Рис. 1)

 , для четырехполосника .                         (1)

Нормированные напряжения образуются делением напряжений волн на входах на  , где Z_вк -                    волновое сопротивление линии передачи k-го входа. Таким образом, [U^п] и [U^o] имеют размерность корня квадратного из мощности. Падающими на устройство волнами считаются волны, идущие во внутрь его, а отраженными - выходящие из устройства.

Первое достоинство матрицы рассеяния заключается в том, что она связывает величины, которые на СВЧ имеют ясный физический смысл и могут быть измерены ( мощности и фазовые соотношения ).

Второе достоинство матрицы рассеяния состоит в том, что при изменении плоскостей отсчета значения модулей элементов матрицы не изменяются, а изменяются только фазы.

 Рис.1. Обозначения на входах четырехполюсника

Элементы, стоящие на главной диагонали матрицы рассеяния ( S₁₁ ,S₂₂ , S_kk ), являются коэффициентами отражения со стороны соответствующих входов при остальных, нагруженных согласованными нагрузками. Элементы, стоящие вне главной диагонали (S₁₂, S₂₁, S_ik ), являются коэффициентами передачи на вход ( i ) с другого входа ( k ).

Недостатком матрицы рассеяния является то, что, полностью описывая внешнее поведение элементов, она не содержит сведений о его внутреннем устройстве.

Следует указать, что порядок матрицы рассеяния (т.е. число строк и столбцов) определяется не только числом физических входов, но и числом типов волн, которые могут существовать независимо на каждом входе. Например, отрезок прямоугольного волновода, в котором существует только основная волна H₁₀ , является четырехполюсником. В то же время отрезок круглого волновода, работающий только на основной волне H₁₁ , является восьмиполюсником, так как на каждом его физическом входе могут существовать две независимые волны со взаимно перпендикулярными поляризациями.

Наличие у устройства физических свойств взаимности, реактивности или симметрии значительно упрощает его матрицу рассеяния.

Взаимность (обратимость) проявляется в том, что передача между парой входов многополюсника происходит одинаково при прямом и обратном включениях. Для матрицы рассеяния это означает равенство

S_ik = S_ki     или    [S] = [S]_t ,                                               ( 2 )

которое свидетельствует о симметрии матрицы относительно главной диагонали. Здесь  [S]_t есть транспонированная  матрица, т.е. полученная из исходной путем замены строк столбцами. При условии (2) число независимых элементов матрицы  рассеяния 2N-полюсника уменьшается с N² до (N² + N)/2 комплексных чисел. Взаимность или невзаимность устройства, как правило, легко распознается по вешним признакам. Если устройство не имеет анизотронного заполнения (подмагниченных ферритов или плазмы, например ), то оно является взаимным.

Реактивность устройства означает отсутствие потерь внутри него. Отсутствие поглотителей в конструкции элемента приводит к унитарности его матрицы рассеяния