Волноводные направленные ответвители и мостовые устройства

Данная глава посвящена изучению принципов действия волноводных направленных ответвителей и мостовых устройств, методов расчета и измерения их параметров. Направленным ответвителем (НО) называется устройство, предназначенное для направленного ответвления части мощности волны из одной линии передачи в другую. Основные области их применения — отбор мощности для контроля, измерение параметров волн, распространяющихся по линии передачи, разветвление тракта СВЧ. НО являются реактивными балансными восьмиполюсниками хотя бы с одной плоскостью симметрии. По условию развязки мощность волны с любого из входов делится между двумя выходами, а на третий выход (развязанный) не поступает. Если мощность делится между возбуждаемыми выходами поровну, то такой, НО называют мостом.

Многополюсники СВЧ

При анализе разветвленных трактов фундаментальное значение имеет понятие «многополюсник». Многополюсник представляет собой устройство, состоящее из любой комбинация проводников, диэлектриков и других элементов и имеющее один или несколько входов в виде поперечных сечений линий передачи с заданными типами (или наборами типов) волн в каждой линии. Сечения входов многополюсника называют плоскостями отсчета фаз. 2Л^г-полюсником является устройство с N входами, на каждом из которых имеется по два полюса.

Основные свойства. К основным свойствам многополюсников относят следующие:

• • свойство пассивности означает отсутствие усиления или генерации мощности внутри многополюсника;
• • свойство линейности означает независимость характеристик многополюсника от уровня подаваемой на него мощности (в определенном диапазоне);
• • свойство взаимности (симметрии) означает, что коэффициенты передачи в прямом и обратном направлении между входами устройства равны;
• • свойство реактивности означает наличие свойства пассивности и отсутствие потерь в многополюснике.

Балансными многополюсниками называется отдельный класс многополюсников, обладающих двумя важными свойствами: согласования и развязки. Первое свойство означает, что каждый из входов многополюсника согласован, если к оставшимся входам подключены неотражающие (согласованные) нагрузки. Второе свойство означает, что мощность генератора, подключенного к одному из входов, не поступает на один из оставшихся. При этом считается, что эти входы развязаны.

Для описания многополюсников вместо реальных объемных электромагнитных полей направляемых волн на их входах используют так называемые волны напряжения, которые определяются своими обобщенными амплитудами й[>/Вт] = у[Ре-*'^г, где Р — переносимая направляемой волной мощность, (3. — продольное волновое число, z — продольная координата. Несмотря на обозначение, нельзя путать эту величину с напряжением. Волны вблизи N входов многополюсника можно сгруппировать в вектор [w] = [w, и₂ … m_v].

Волны напряжения, распространяющиеся к многополюснику [й_пад],.

называются падающими; от многополюсника [м_отр] — отраженными

или рассеянными. При этом можно рассматривать каждую отраженную волну как линейную комбинацию всех падающих волн на входах и,_отр = Х^Лпац? Матричная запись волн на входах восьмиполюсника,.

J

связывающая отраженные [м_07р] и падающие [и_пад] волны, в общем случае имеет следующий вид:

где.

— матрица рассеяния'.

Ее диагональные коэффициенты S_u являются комплексными коэффициентами отражения по напряжению от /-го входа, а недиаго нальные S_ik kxi — комплексными коэффициентами передачи по напряжению с к-го на /-й вход (при определении коэффициентов предполагается, что к одному из входов присоединяется генератор, а незадействованные входы нагружены на согласованные нагрузки).

Зачастую элементы матрицы рассеяния определяются в децибелах:

При этом теряется информация о фазах коэффициентов передачи и отражения, однако такая форма позволяет проще оперировать величинами |*5'_Л|, близкими к нулю или единице.

Из условия симметрии устройства относительно двух плоскостей, проходящих между входами, следует, что.

Тогда матрица рассеяния запишется следующим образом:

При подключении нагрузки (двухполюсника) с комплексным коэффициентом отражения к одному из входов 2Л'-полюсника этот вход становится недоступным. Соответственно, число полюсов уменьшается на два, а свойства образующегося 2 (N— 1)-полюсника изменяются. Так, если нагрузить один из входов восьмиполюсника, он превращается в шестиполюсник.

Рассмотрим преобразование матрицы рассеяния многополюсника при нагрузке одного из входов на примере восьмиполюсника. Пусть вход к = 2 нагружен на нагрузку с Г_к = Г₂ = |Z₂ -1 j j|z₂ +1 j, где Z₂ —.

нормированное к волновому сопротивлению линии комплексное сопротивление нагрузки. Матрица рассеяния восьмиполюсника преобразуется по следующему правилу: из матрицы рассеяния [.S'] балансного восьмиполюсника вычеркивается строка и столбец с номерами нагруженного входа (число полюсов уменьшается на два):

Оставшиеся элементы матрицы рассеяния Гб" ] по следующей формуле:

определяются.