Щелевой волноводный мост

Конструктивно щелевой мост представляет собой два волновода, имеющих общую узкую стенку. Часть общей стенки вырезана и на этом участке образуется расширенный волновод. Общий вид щелевого моста показан на рис. 1.14.

Рис. 1.14. Щелевой волноводный мост

Рассмотрим принцип его работы. На схеме моста (рис. 1.15) можно выделить три участка. Участки I и III состоят из стандартных прямоугольных волноводов. Участок II представляет собой расширенный прямоугольный волновод, у которого размер, а¢ широкой стенки увеличен вдвое по сравнению со стандартным волноводом, т.е.

Рис. 1.15. Схема щелевого волноводного моста

а¢=2а. Предположим, что щелевой мост питается через плечо 1, а плечи 2, 3 и 4 нагружены на согласованные нагрузки. Основная волна, распространяющаяся в плече 1, будет возбуждать расширенный волновод. Так как волновод возбуждается несимметрично, то выполняются условия возбуждения не только основной волны Н₁₀, но и волн Н₂₀, Н₃₀ и т.д. Однако из диаграмм типов волн, построенных для стандартного (рис. 1.16, а) и расширенного (рис. 1.16, б) волноводов, видно, что на средней длине волны условие распространения выполняется только для колебаний Н₁₀ и Н₂₀, так как для них

где l₀=1,4а – средняя длина волны рабочего диапазона для стандартного волновода.

Таким образом, энергия в расширенном волноводе переносится двумя типами волн. Теоретически и экспериментально доказано, что волны Н₁₀ и Н₂₀ в данном случае переносят одинаковую мощность.

Рис. 1.16. Диаграммы типов волн: а) стандартного волновода; б) расширенного волновода

В начале общего волновода (сечение а–а) обе волны возбуждаются одновременно, поэтому, как видно из рисунка 1.15, в сечении а–а, прилегающем к волноводу 1, волны Н₁₀ и Н₂₀ будут в фазе, а в сечении а–а, прилегающем к волноводу 2, – в противофазе. Следовательно, плечо 2 не возбуждается и оказывается электрически изолированным от плеча 1. Поэтому вся энергия, поступающая из плеча 1, будет передаваться в направлении сечения б–б.

Критическая длина волны Н₂₀ меньше, чем для Н₁₀, поэтому, как видно из выражения

, (1.7)

волна Н₂₀ будет распространяться с большей фазовой скоростью. К сечению б–б волны придут с различными фазами. Разность фаз волн Н₁₀ и Н₂₀ в сечении б–б зависит от длины общего волновода (длины щели) и определяется по формуле:

, (1.8)

В сечении б–б каждая из волн возбуждает в плечах 3 и 4 волну основного типа с равными амплитудами колебаний, но с различными фазами. На рис. 1.17 изображены векторные диаграммы, поясняющие возбуждение плеч 3 и 4. Волна Н₁₀ возбуждает в плечах 3 и 4 синфазные колебания с амплитудой электрического поля . Волна Н₂₀ возбуждает плечи 3 и 4 в противофазе, что обусловлено законом распределения ее поля вдоль широкой стенки волновода. Амплитуда

Рис. 1.17. Векторные диаграммы для щелевого волноводного моста при Δφ<90º

этих колебаний равна амплитуде , а фаза в плече 3 опережает на некоторый угол Dj фазу колебаний, возбужденных волной Н₁₀. Сравнивая амплитуды Е₃ и Е₄ суммарных полей, можно видеть, что энергия, поступающая в плечо1, делится между плечами 3 и 4 в некотором соотношении, зависящем от величины фазового набега Dj между колебаниями волн Н₁₀ и Н₂₀, т.е. от длины щели. Если длина щели выбрана так, что Dj =90°, то в плечи 3 и 4 поступает одинаковая энергия (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Векторные диаграммы для щелевого волноводного моста приΔφ=90º

Данный щелевой мост имеет большое сходство с двойным тройником, однако есть и некоторые отличия. Рассмотрим их, полагая, что нумерация плеч на рис. 1.15 соответствует по смыслу нумерации плеч двойного тройника (рис. 1.13).

Сравнивая диаграммы рис. 1.17 и рис. 1.18, можно видеть, что суммарные колебания в плечах 3 и 4 всегда сдвинуты по фазе на 90°, причем отставание фазы происходит в плече, расположенном по диагонали по отношению к возбуждающему плечу. В двойном тройнике при возбуждении его со стороны плеча 1 (Н) колебания в боковых плечах всегда находятся в фазе, а при возбуждении со стороны плеча 2 (Е) – в противофазе.

Кроме того, плечи 1 и 2 двойного тройника оказываются электрически развязанными при согласованных и несогласованных, но равных нагрузках в боковых плечах (3 и 4). Плечи 1 и 2 щелевого моста электрически развязаны только при согласованных нагрузках в плечах 3 и 4. При наличии отражений в плечах 3 и 4 часть энергии ответвляется в плечо 2 (при питании моста через плечо 1), так как отраженные волны в это плечо приходят в фазе. В плечо 1 колебания приходят в противофазе. Предлагаем показать это самостоятельно с помощью векторной диаграммы.

Стандартные щелевые мосты рассчитывают так, чтобы мощность, поступающая в одно плечо, делилась поровну между противоположными плечами. Длина расширенного волновода (длина щели) в этом случае

должна обеспечить набег фазы между колебаниями волн Н₁₀ и Н₂₀ Dj =90°. Следовательно,

Так как

После простых преобразований получим

где

В реальном случае на величину фазового набега влияют неоднородности, обусловленные концами щели, а также реактивные поля волн высших типов (Н₃₀, Н₄₀ и т.д.), которые могут возбуждаться в общем волноводе. В этом случае часть энергии ответвляется в плечо 2, поэтому Р₃¹Р₄.

Для ослабления этого эффекта в центре общего волновода помещают емкостной согласующий штырь. Размеры штыря подбираются экспериментально.