Щілинний хвилевідний міст

Конструктивно (рис. 1.155) щілинний міст (ЩМ) являє собою два хвилеводи, що мають спільну вузьку стінку. Частина спільної стінки вирізана й на цій ділянці утвориться розширений хвилевід.

Підключений до узгоджених навантажень ЩМ має такі властивості:

· потужність, що надходить до кожного з входів моста, поділяється нарівно між протилежними плечима;

· коливання в цих плечах зсунуті між собою за фазою на p/2.

Розглянемо принцип його роботи. На схемі моста (рис.1.156) можна виділити три ділянки. Ділянки I і III складаються зі стандартних прямокутних хвилеводів. Ділянка II являє собою розширений прямокутний хвилевід, у якого розмір а' широкої стінки збільшений удвічі в порівнянні зі стандартним хвилеводом, тобто а' = 2а

Припустимо, що ЩМ живиться через плече 1, а плечі 2,3 і

4 навантажені на погоджені навантаження. Основна хвиля, що поширюється в плечі 1, буде збуджувати розширений хвилевід. Так як хвилевід збуджується несиметрично, то виконуються умови збудження не тільки основної хвилі Н10, але й хвиль Н20, Н30 і т.д. Однак з діаграм типів хвиль, побудованих для стандартного (рис. 1.157.а.) і розширеного (рис. 1.157.6 ) хвилеводів, видно, що на середній довжині хвилі умова поширення виконується тільки для коливань Н10 і Н20, тому що для них:

,

де = 1,4а — середня довжина хвилі робочого діапазону для стандартного хвилеводу.

Таким чином, енергія в розширеному хвилеводі переноситься двома типами хвиль. Теоретично й експериментально доведено, що хвилі Н10 і Н20 у цьому випадку переносять однакову потужність.

На початку спільного хвилеводу (перетин а-а) обидві хвилі збуджуються одночасно, тому, як видно з рис. 1.156, в перетині а-а, що прилягає до хвилеводу 1, хвилі Н10 і Н20 будуть у фазі, а в перетині а-а, що прилягає до хвилеводу 2, — у противофазі. Вони збуджують у плече 2 коливання основної хвилі однакової амплітуди, але у противофазі і компенсують друг друга. Отже, у плече 2 енергія не надходить й воно виявляється електрично ізольованим від плеча 1. Тому вся енергія, що надходить із плеча 1, буде передаватися в напрямку перетину б-б.

Критична довжина хвилі для Н20 менше, ніж для Н10, тому, як видно з виразу:

хвиля Н20 буде поширюватися з більшою фазовою швидкістю. До перетину б-б хвилі прийдуть із різними фазами. Різниця фаз хвиль Н10 і Н20 в перетині б-б залежить від довжини спільного хвилеводу (довжини щілини) і визначається по формулі:

У перетині б-б кожна із хвиль збуджує в плечах 3 і 4 хвилю основного типу з рівними амплітудами коливань, але з різними фазами. На рис. 1.158 зображені векторні діаграми, що пояснюють збудження плечей 3 й 4. Хвиля Н10 збуджує в плечах 3 й 4 синфазні коливання з амплітудою електричного поля ЕН10 . Хвиля Н20 збуджує плечі 3 й 4 у противофазі, що обумовлено законом розподілу її поля уздовж широкої стінки хвилеводу. Амплітуда Е Н20 цих коливань дорівнює амплітуді Ен10, а фаза в плечі 3 випереджає на деякий кут фазу коливанні, збуджених хвилею Н10. Порівнюючи амплітуди Е3 й Е4 сумарних полів, можна бачити, що енергія, що надходить у плече1, ділиться між плечами 3 й 4 у деякому співвідношенні, що залежить від величини фазового набігу між коливаннями хвиль Н10 і Н20, . тобто від довжини щілини.

Якщо довжина щілини обрана так, що = 90°, то в плечі 3 й 4 надходить однакова енергія (рис. 1.159). Коливання Е3 і Е4 в цих плечах в обох випадків (рис. 158, 159) зсунуті між собою за фазою на p/2 (отже, ЩМ – квадратурний пристрій).

При в кінці отвору зв’язку на вході хвилеводу 3 (рис. 1.160) поля H10 і H20 збуджують коливання основної хвилі однакової амплітуди у фазі, а на вході хвилеводу 2 - у протифазі, і вся енергія надходить із плеча 1 тільки в плече 3.

Якщо розглянути випадок збудження щілинного моста одночасно через два плеча, то виявиться, що й щодо цього він поводиться інакше, чим подвійний трійник.

На рис. 1.161 представлені векторні діаграми для випадку збудження моста з боку плечей 1 й 2 коливаннями з рівною амплітудою, але з довільною фазою.

Скориставшись теоремою косинусів, можна показати [3], що

; .

На рис. 1.162 зображені графіки, що показують залежність Р3 і Р4 від різниці фаз між сигналами, що живлять. Порівнюючи ці графіки з аналогічними графіками (рис. 1.146), отриманими для подвійного трійника, можна бачити, що умови передачі енергії в плечі 3 й 4 різні. Наприклад, при φ = 0 у подвійному трійнику вся потужність надходить у плече 4, а в щілинному мосту потужність ділиться нарівно між плечима 3 й 4. Щоб вся потужність передавалася в плече 3 або в плече 4 щілинного моста, потрібно живити плечі 1 і 2 коливаннями зі зсувом фаз ±90°. Необхідно також відзначити, що закономірність розподілу потужності між плечима 3 й 4 щілинного моста залежить від того, у якому з плечей, що живлять є відставання фази. Вирази (1.79) отримані в припущенні, що фаза коливань у плечі 2 випереджає фазу коливань у плечі 1. При зворотному співвідношенні фаз вирази Р3 і Р4 потрібно поміняти місцями (відповідно поміняються й графіки на рис. 1.162).

Розглянемо питання конструювання ЩМ. З діаграми типів хвиль (рис. 1.157) видно, що в короткохвильовій частині робочого діапазону стандартного хвилеводу ( ) в

розширеному хвилеводі ЩМ буде виконуватися умову для поширення хвилі Нзо. Якщо врахувати, що фактична ширина розширеного хвилеводу дорівнює a/=2a+ 2δ, де δ —

товщина стінок хвилеводу, то нормальна робота ЩМ неможлива навіть на середній хвилі робочого діапазону.

Для розширення робочого діапазону моста широку стінку спільного хвилеводу зменшують. Практично розмір широкої стінки спільного хвилеводу вибирають рівним а0≈ 1,94a (рис. 1.163).

Стандартні ЩМ розраховують так, щоб потужність, що надходить в одне плече, ділилася нарівно між протилежними плечима. Довжина розширеного хвилеводу (довжина щілини) у цьому випадку повинна забезпечити набіг фази між коливаннями хвиль Н10 і Н20 ∆φ = 90°. Отже,

. Тому що ,то після простих перетворень одержимо

(1.80)

де,

У реальному випадку на величину фазового набігу впливають неоднорідності, обумовлені кінцями щілини, а також реактивні поля хвиль вищих типів (Н30, Н40 і т.д.), які можуть збуджуватися в спільному хвилеводі. У цьому випадку частина енергії відгалужується в плече 2, тому Рз ≠ Р4. Для ослаблення цього ефекту в центрі спільного хвилеводу розміщують ємнісний узгоджувальний штир 1 (рис. 1.163). Розміри штиря підбираються експериментально.

Конструкція стандартного ЩМ з фланцем показана на рис.1.164. Правильно сконструйований міст має смугу частот близько 15% при Кс ≤ 1.1. Якщо збуджувати міст із боку плеча 1, то нерівномірність розподілу потужності між плечима 3 й 4 становить не більше 0,3 дБ, а розв'язка плечей 1 й 2 не менш 30 дБ.

Області застосування ЩМ такі ж, що й подвійного трійника, але найбільше застосування він знайшов у ферітових циркуляторах фазового типу.

ЩМ, у порівнянні з іншими хвилевідними мостами, більш широкосмуговий, має більшу електричну міцність, його конструкція найбільш компактна.