Основные элементы и узлы линий передачи. Мостовые соединения

1. Двойной Т-мост показан на рис. 18.45. Его основные свойства заключаются в следующем:

1) Если плечи А и Б (прямые плечи) нагружены на одинаковые сопротивления (не обязательно согласованные с волноводом), находящиеся на одинаковом расстоянии от моста, то при подаче электромагнитной энергии в плечо Г (Н-плечо) она разделяется поровну между нагрузками плеч А и Б и не проходит в плечо В. Энергия из плеча В при тех же условиях не проходит в плечо Г. Таким образом, плечи В и Г моста оказываются развязанными. Величина развязки (коэффициента передачи между плечами В и Г) выражается обычно в децибелах.

2) Электромагнитные волны, поступающие в основной волновод из плеча В, расходятся в плечи А и Б в противофазе.

3) Электромагнитные волны, поступающие в основной волновод из плеча Г, расходятся в плечи А и Б в фазе.

4) Если к мосту из плеч А и Б приходят волны с комплексными амплитудами и , то волны в плече Г пропорциональны сумме комплексных амплитуд, а в плече В - их разности. Благодаря этому двойной Т-мост, как и другие мосты, применяют в качестве суммарно-разностных устройств.

5) При подключении к любым трем плечам согласованных нагрузок четвертое плечо также оказывается согласованным.

Из-за наличия в месте разветвления реактивных полей высших типов волн даже при точном выполнении Т-моста между плечами В и Г имеется емкостная связь. Поэтому, если необходимо добиться большой развязки плеч В и Г, принимают специальные меры по устранению этой связи.

Рис. 18.45. Двойной Т-мост.

2. Волноводно-щелевой мост (рис. 18.46,а) представляет собой два прямоугольных волновода, соединенных по узкой стенке, часть которой на участке l удалена, образуя щель. Основное свойство моста заключается в том, что мощность электромагнитных волн, поступивших в плечо 1, делится поровну между плечами 3 и 4, не ответвляясь в плечо 2; волны на выходе плеч 3 и 4 сдвинуты по фазе на p/2. Принцип его работа состоит в следующем (рис. 18.46,б).

Рис. 18.46. Волноводно-щелевой мост.

Ширина волноводов а выбрана такой, что во всех четырех плечах может распространяться только волна типа Н₁₀. Пространство в области щели образует волновод в котором могут распространяться волны типов Н'₁₀ и И'₂₀ (см. сечение III на рис. 18.46,б)* . При переходе электромагнитной энергии из плеча 1 в расширенный волновод в сечении II возникают волны Н'₁₀, Н₂₀, Н₃₀ и более высоких типов. Первые две волны распространяются вправо по расширенному волноводу, а остальные быстро затухают при удалении от сечения II, образуя вблизи этого сечения реактивные поля.

В поперечном сечении II (рис. 18.46,б), где изображены эпюры амплитуд поперечных составляющих векторов электрического поля, граничные условия выполняются сложением электрических полей волн типов Н'₁₀ и Н₃₀ (волны более высоких типов в первом приближении можно не учитывать). При таком сложении в сечения II плеч 1 и 2 существуют синфазные волны типа Н₁₀, которые обозначим Н₁₀¹⁰, а амплитуду напряженности их электрического поля - Е¹⁰. Волна типа Н₂₀ обусловливает существование в том же сечении двух противофазных волн типа Н₁₀, которые будем обозначать Н₁₀²⁰, а амплитуду напряженности их электрического поля - Е²⁰. У обозначения волн два нижних индекса указывают на тип возбужденной волны, а два верхних - какой волной возбуждена данная волна в плече.

Рассмотрим теперь сложение полей на векторной диаграмме в комплексной плоскости (см. чертеж слева на рис. 18.46,б). В сечении II входного плеча 1 волны типов Н₁₀¹⁰ и Н₁₀²⁰ имеют одинаковую фазу. Их сумма есть поле падающей волны типа Н₁₀ в этом сечении. В сечении II плеча 2 поля волн типов Н₁₀¹⁰ и Н₁₀²⁰ оказываются в противофазе и, имея одинаковую амплитуду, полностью компенсируются. Таким образом, из плеча 1 в плечо 2 электромагнитная энергия не проходит и эти плечи оказываются развязанными.

Распространяясь вправо по расширенному волноводу, волны Н'₁₀ и Н₂₀ достигают сечения IV, где волновод вновь делится на два плеча - 3 и 4. Средняя металлическая стенка не влияет на распространение волны типа Н₂₀; электромагнитная энергия этой волны возбуждает в плечах противофазные волны типа Н₁₀²⁰ одинаковой напряженноти Е²⁰. Колебания волны типа Н'₁₀ в сечении IV существовать не могут. Граничные условия в этом сечении требуют появления волны высших типов. Появляется волна типа Н₃₀ и волны более высоких типов. За счет сложения полей волн Н'₁₀ и Н₃₀ в плечах 3 и 4 возбуждаются синфазные волны Н₁₀¹⁰ одинаковой напряженности Е₁₀. Сложение волн в плечах 3 и 4 иллюстрируется векторной диаграммой в сечении IV на рис. 18.46,б. На этой диаграмме Dy- разность фаз колебаний за счет разных скоростей распространения волн Н₂₀ и Н'₁₀ в расширенном волноводе (у волны Н'₁₀ скорость распространения меньше). Здесь расширенный волновод выступает как секция дифференциального фазового сдвига для волн различных типов.

Из векторной диаграммы видно, что если Е¹⁰=Е²⁰ (мост настраивается так, чтобы это равенство выполнялось), то в плечах 3 и 4 колебания всегда будут сдвинуты по фазе точно на p/2, независимо от разности фаз Dy, причем поле в прямом плече 3 опережает по фазе поле в боковом плече 4. Из этой же диаграммы нетрудно получить выражение для отношения амплитуд в плечах 3 и 4

p = Е₃ / Е₄ = ctg(Dy/2).(18.14)

Разность фаз полей волн типов Н'₁₀ и Н₂₀, полученная в результате прохождения ими расстояния, равного длине щели, равна

Dy = 2pl(1/L'₁₀- 1/L₂₀),(18.15)

где , - длины волн в расширенном волноводе. При работе рассматриваемого устройства в качестве моста требуется, чтобы амплитуды полей в согласованных плечах 3 и 4 при питании через плечо 1 были одинаковыми. Как видно из выражения (18.14), это будет обеспечено при Dy=p/2. Необходимую для этого длину щели получим из формулы (18.15)

.(18.16)

Развязка между плечами 1 я 2 (отношение мощности в плече 1 к мощности, просочившейся в плечо 2) достигает 30-35 дБ. Для получения высокой развязки, хорошего согласования и выравнивания мощностей в выходных плечах применяется небольшое сужение расширенного волновода и подстройка с помощью емкостного штыря 5 в середине щели. Этим добиваются выравнивания амплитуд Е¹⁰ и Е²⁰ и нужного фазового сдвига синфазного и противофазного полей.

Данное устройство может служить регулируемым или фиксированным делителем мощности в любом отношении. Для этого достаточно любым способом изменить Dy. Если Dy®2np, где n=0, 1, 2, ..., то большая мощность проходит в плечо 3, а если Dy®(2n+1)p-в плечо 4. Если разница мощностей в плечах 3 и 4 составляет 10 дБ и более, то это устройство является направленным ответвителем (см. § 18.9).

3. Кольцевой мост может быть построен с использованием линий передачи любого типа. На рис. 18.47 изображен мост с параллельным подключением плеч к кольцу (применяются также мосты с последовательным подключением плеч и комбинированным: часть последовательно, а часть параллельно). Мост состоит из кольцевой линии длиной 1,5L₀ с волновым сопротивлением W_к и четырех плеч с волновыми сопротивлениями W, расположенных по кольцу на расстоянии L₀/4 друг от друга. Здесь L- длина волны в кольцевой линии на средней частоте диапазона.

Для пояснения принципа действия моста предположим, что генератор подключен к плечу 2 и что входные сопротивления плеч 1 и 3 одинаковы ( ).

Электромагнитные волны от плеча 2 расходятся в обе стороны, имея одинаковые амплитуды и фазы. Разность хода противоположно распространяющихся волн до плеч 1 и 3 одинакова и равна длине волны. Поэтому на входах этих плеч бегущие в обе стороны волны складываются в фазе, образуя пучность напряжения. Разность хода вола от плеча 2 до плеча 4 равна L₀/2. Поэтому на входе плеча 4 образуется узел напряжения и электромагнитные колебания не проходят в плечо 4. Таким образом, плечи 2 и 4 оказываются развязанными.

Рис. 18.47. Кольцевой мост.

Плечи 1 и 3 находятся в одинаковых условиях относительно плеча 2, поэтому поступающая из него мощность делится поровну между плечами 1 и 3.

Входные сопротивления плеч 1 и 3 четвертьволновыми отрезками линии с волновым сопротивлением W_к трансформируются к сечению 2 и, складываясь параллельно, образуют сопротивление нагрузки для генератора, равное

.(18.17)

Если оба плеча нагружены на сопротивления, равные волновому сопротивлению плеч W, то . Для согласования генератора с мостом необходимо выполнить условие . Из приведенной выше формулы следует, что полное согласование достигается при условии

.(18.18)

При выполнении этого соотношения на средней частоте диапазона развязка между плечами 2 и 4 очень велика (до 60 дБ в практических конструкциях), К_бв в питающем плече 2 близок к единице и мощность от генератора поровну делится между плечами 1 и 3.

Пользуясь приведенным выше методом, можно показать, что:

- при подключении генератора к плечу 4 мощность делится поровну между плечами 1 и 3 и не проходит в плечо 2;

- при подключении генератора к плечу 3 мощность делится поровну между плечами 2 и 4 и не проходит в плечо 1;

- при подключении генератора к плечу 1 мощность делится поровну между плачами 2 я 4 и не проходит в плечо 3;

- волны из плеч 1 и 3 суммируются в плече 2 и вычитаются в плече 4, соответственно волны из плеч 2 и 4 суммируются в плече 3 и вычитаются в плече 1.