Відгалужувачі зі спрямованими елементами зв’язку

Спрямованого відгалуження енергії можна досягти й за допомогою тільки одного елемента зв’язку внаслідок особливого характеру електромагнітної взаємодії між ЛП.

Одним із спрямованих відгалужувачів такого типу (відгалужувач Бете) показаний на рис. 1.120. Він складається із основного (1-2) та допоміжного (3-4) хвилеводів, посередині

а) Рис. 1.120 б) Рис.1.121

спільної широкої стінки котрих зроблений круглий отвір. Вісі хвилеводів розвернуті на деякий кут . В плече 4 допоміжного хвилеводу включається індикаторний пристрій, а в плече 3 – узгоджене навантаження.

Якщо по основному хвилеводу енергія розповсюджується в напрямку 1-2 (падаюча хвиля), то частина цієї енергії відгалузиться в плече 4. Якщо по основному хвилеводу енергія розповсюджується в напрямку 2-1 (відбита хвиля), то частина цієї енергії відгалузиться в плече 3, де вона поглинеться навантаженням. Таким чином, покази індикатору в цьому випадку будуть пропорційні рівню потужності падаючої хвилі. При зворотному ввімкненні спрямованого відгалужувача (падаюча хвиля йде в напрямку 2-1) індикатор буде давати покази, пропорційні рівню потужності відбитої хвилі, а енергія, відгалужена за рахунок падаючої хвилі, буде поглинатися в узгодженому навантаженні. Спрямованість в даному відгалужувачі досягається за рахунок елементу із змішаним зв’язком. Але, як буде показано нижче, отвір сам по собі дає погану спрямованість. Добра спрямованість забезпечується підбором кута повороту вісей хвилеводів.

Розглянемо принцип роботи відгалужувача із одним отвором зв’язку. Отвір, що з’єднує основний і допоміжний хвилеводи, можна розглядати як відрізок круглого хвилеводу. Діаметр отвору робиться малим по відношенню до довжини хвилі, тому такий хвилевід є граничним для всіх типів хвиль.

Вище вказувалося, що отвір, прорізаний в широкій стінці, збуджується електричним і магнітним полем, тобто він забезпечує електромагнітний зв’язок.

Зручно окремо розглянути „електричне” (рис. 1.121, 1.122) і „магнітне” (рис. 1.123, 1.124) збудження. Крім того, спочатку покладемо, що хвилеводи співвісні, тобто кут рівний нулю. Як видно з рис. 1.121, електричне поле хвилі , що розповсюджується в основному хвилеводі, збуджує в круглому хвилеводі (в отворі) хвилю типу . Хвиля збуджує у допоміжному хвилеводі хвилю (зрозуміло, збуджуються і хвилі вищих типів, але вони швидко затухають поблизу отвору), що розповсюджується в плече 3 і в плече 4. Завдяки вісевій симетрії поля хвилі амплітуда хвилі , що збуджується в допоміжному хвилеводі, не залежить від кута розвороту вісей хвилеводів (рис. 1.122), а коливання в плечах 3 та 4 синфазні.

При „магнітному” збудженні отвір, прорізаний в широкій стінці, перериває поверхневий струм (рис.1.123), що наводиться магнітним полем в основному хвилеводі. Різнойменні заряди, що з’являються при цьому на стінках отвору, створюють змінне у часі електричне поле, котре в свою чергу створює змінне магнітне поле.

Таким чином, в отворі збуджується електромагнітна хвиля. За структурою електричного поля видно, що за рахунок „магнітного” збудження в отворі з’являється хвиля . Хвиля збуджує у допоміжному хвилеводі хвилю , що розповсюджується в напрямі пліч 3 та 4. Амплітуди коливань в плечах 3 та 4 однакові, а фази відрізняються на 180º. Причина різних фаз збуджених хвиль полягає тим, що поле несиметрично відносно вісі отвору. Крім того, завдяки асиметрії поля хвилі амплітуда збуджуємих у допоміжному хвилеводі коливань залежить від кута розвороту вісей хвилеводів. Максимальна амплітуда буде спостерігатись при співвісних хвилеводах (рис. 1.124). Якщо = 90º, то енергія із основного хвилеводу за рахунок „магнітного” зв’язку не відгалужується, так що у допоміжному хвилеводі збуджуються хвилі вищих типів, наприклад , для котрих хвилевід є граничним.

Розглянемо сумарний результат електромагнітного збудження. З рис. 1.121 та рис. 1.123 видно, що хвилі, які розповсюджуються в сторону плеча 4 допоміжного хвилеводу знаходяться в фазі, а хвилі, які розповсюджуються в сторону плеча 3 – протифазні. Як би амплітуди хвиль, що з’являються за рахунок „магнітного”та „електричного” збуджень, були рівні, то вся відгалужена енергія йшла би у плече 4, так як у зворотному напрямку відбувалася би взаємна компенсація електромагнітних коливань. Однак інтенсивність „магнітного” збудження більша, ніж „електричного”, тому повної компенсації хвиль в плече 3 не відбувається. Ось чому при співвісних хвилеводах спрямованість є поганою.

Для того, щоб отримати добру спрямованість, вісі хвилеводів розвертають, зменшуючи тим самим (рис. 1.124) амплітуду хвилі, котра з’являється в допоміжному хвилеводі за рахунок магнітного збудження. Амплітуда хвилі, що з’являється за рахунок „електричного” збудження при цьому не змінюється (рис. 1.122). Якщо сумістити рис. 1.122 і 1.24, то можна бачити, що при деякому куті розвороту (рис. 1.125) амплітуди хвиль, що з’являються за рахунок „електричного” і „магнітного” збуджень будуть рівні між собою.

Отже, в одному із плечей допоміжного хвилеводу відбувається повна компенсація хвиль і енергія в це

плече не відгалужується.

Величина кута при цьому залежить від діаметру отвору, частоти, а також від товщини стінок хвилеводів.

Правильно сконструйований і точно виконаний спрямований відгалужувач із одним отвором зв’язку має спрямованість порядку 30-40 дБ.

Другий відгалужувач такого типу (рис. 1.126) складається із двох взаємно-перпендикулярних відрізків хвилеводів, з’єднаних широкими стінками. Елементами зв’язку є хрестоподібний отвір, прорізаний у спільній частині широкої стінки хвилеводів. Воно являє собою дві випромінюючі щілини – впроздовжну та поперечну, котрі для допоміжного хвилеводу є збуджуючими джерелами. Можна показати,що кожна щілина збуджує у допоміжному хвилеводі хвилі, котрі в одному плечі

віднімаються, а в іншому –сумуються. Отже, принцип роботи спрямованого відгалужува-ча з хрестоподібним отвором зв’язку такий же, як і у описаних вище відгалужувачів.

Однак принцип роботи відгалужувача з хрестоподібним отвором зв’язку зручно розглянути, уявивши допоміжний хвилевід у вигляді еквівалентної двупровідної лінії із

включеними до неї джерелами. Відомо, що щілина, в залежності від її розташування у стінці хвилеводу, еквівалентна генератору, включеному в лінію послідовно чи паралельно. Відповідно із цим еквівалентна схема допоміжного хвилеводу відгалужувача має вигляд, зображений на рис. 1.127, з якого видно, що струми, котрі збуджуються в еквівалентній лінії генератором напруги і генератором струму додаються в плечі 4 і віднімаються в плечі 3. Отже, відгалужений сигнал надходить в плече 4 допоміжного хвилеводу і виділяється на опорі індикатору (). Що відповідає прямій хвилі, яка розповсюджується в основному хвилеводі із плеча 1 в плече 2 (рис. 1.127.а). Якщо хвиля буде розповсюджуватись в зворотному напрямку (із плеча 2 в плече 1), то струми, що збуджуються в еквівалентній лінії, будуть додаватися в плечі 3 і відніматись в плечі 4. (рис. 1.127.б). Отже, в цьому випадку відгалужена енергія надходить в плече 3 допоміжного хвилеводу, де поглинається в узгодженому навантаженні (). Така зміна напряму струму в еквівалентній лінії зумовлюється тим, що при зміні напряму розповсюдження хвилі в основному хвилеводі змінюється напрям (в даний момент часу) тільки повздовжньої чи тільки поперечної складової поверхневого струму. Відгалужувач має добру спрямованість, якщо струми, що збуджуються повздовжньою і поперечною щілинами будуть однакової амплітуди. Це досягається тим, що щілини мають однакові розміри, а їх центр розташований в точці де повздовжня і поперечна складові магнітного поля рівні.

Визначимо, на якій відстані від вузької стінки хвилеводу (рис. 1.126) треба розташовувати центр отвору зв’язку. Скористаємося виразами для компонент магнітного поля хвилі і прирівняємо амплітудні значення та :

. Звідси отримаємо

або ,

отже . Наближено ця відстань дорівнює , де - розмір широкої стінки хвилеводу.

Крім хрестоподібного можна використовувати круглий, еліптичний і інші отвори. Основними перевагами спрямованого відгалужувача із хрестоподібним отвором зв’язку є мала залежність перехідного послаблення від частоти і мала критичність точності розташування центру щілин.

Для збільшення спрямованості і широкосмуговості іноді застосовуються відгалужувачі з двомя хрестоподібними отворами (рис. 1.128).

Дата добавления: 2014-11-29