Восьмиполюсники

Серед восьмиполюсників найбільш поширені подвійні хвилеводні трійники, напрямлені відгалужувачі, мости та циркулятори.

Подвійний хвилеводний трійник утворюється з відрізку хвилеводу, до якого в одному і тому ж перерізі приєднується Н-плече і Е-плече (рис. 3.7). Для узгодження виконується діафрагма в Е-плечі і стержень напроти Н-плеча.

Матриця розсіювання подвійного хвилеводного трійника має вигляд

.

Властивості подвійного хвилеводного трійни-ка такі:

падаюча на Н-плече хвиля поділяється на дві однакові за амплітудою та фазою хвилі у бокових плечах 3, 4 і не надходить до плеча Е;

падаюча на Е-плече хвиля поділяється на дві однакові за амплітудою протифазні хвилі у двох бокових плечах 3, 4 і не надходить до плеча Н;

хвилі, які потрапляють у бокові плечі 3 та 4, додаються в Н-плечі, і віднімаються в Е-плечі.

Використовуються для сумарно-різницевої обробки сигналів на виходах антен моноімпульсних пеленгаторів.

Спрямований відгалужувач − це восьмиполюсник, який призначений для спрямованої передачі частини енергії з однієї лінії передачі в іншу. Він складається з відрізків двох ліній передач і елементів зв’язку між ними.

Виконується в різних лініях передачі: дротяних; коаксіальних; хвилеводних; мікросміжкових.

Схематично спрямований відгалужувач наведений на рис. 3.8.

Принцип дії полягає у наступному. Падаюча на вхід 1 хвиля в основному проходить по входу 3, частково відгалужується в плече 4 і в ідеальному відгалужувачі не розповсюджується в плече 2. У реальних пристроях частина енергії все-таки потрапляє у плече 2.

Властивості ідеального спрямованого відгалужувача без втрат описується матрицею розсіювання [2]

.

Реальні відгалужувачі характеризуються також такими параметрами:

перехідне послаблення − коефіцієнт, який показує у скільки разів потужність радіохвилі, що переходить в іншу лінію передачі менша за потужність хвилі, яка потрапляє до входу

спрямованість − коефіцієнт, що показує відношення потужностей хвиль, які переходять в іншу лінію передачі та розповсюджуються в протилежних напрямках

.

Конструкція спрямованого відгалужувача з двома отворами зв’язку у вузькій стінці хвилеводу наведена на рис. 3.9.

Отвори зв’язку на вузький стінці хвилеводу розміщені на відстані λ_х/4. До плеча 2 приєднується поглинальне навантаження.

Принцип дії спрямованого відгалужувача полягає у наступному. При прямому вмиканні відгалужувача (пряма хвиля розповсюджується з плеча 1 до плеча 3) частина енергії із основного хвилеводу через отвори зв’язку потрапляє у допоміжний хвилевід. Оскільки шлях АСД дорівнює шляху АВД, то хвилі, що проходять через отвори зв’язку в точці Д додаються синфазно, а хвилі в точці С додаються у протифазі, оскільки різниця ходу , таким чином, енергія яка відгалужується із основного хвилеводу потрапить у плече 4 допоміжного хвилеводу і не потрапить у плече 2.

При наявності відбитої хвилі, що розповсюджується із плеча 3 у плече 1, частка її енергії через отвори зв’язку потрапляє у допоміжний хвилевід. Аналогічно можна впевнитись, що відгалужена енергія відбитої хвилі потрапляє у плече 2 допоміжного хвилеводу і не потрапить у плече 4. Отже, при прямому вмиканні відгалужувача у плече 4 потрапить тільки енергія падаючої хвилі.

Неважко переконатись, що при зворотному вмиканні відгалужувача (пряма хвиля розповсюджується із плеча 3 у плече 1) до плеча 4 потрапить тільки енергія відбитої хвилі.

Таким чином, вмикаючи відповідним чином до хвилеводного тракту спрямований відгалужувач можна окремо досліджувати падаючу та відбиту хвилю.

Перехідне послаблення залежить від діаметра отворів: чим більший діаметр, тим менше перехідне послаблення. Для двоотворних спрямованих відгалужувачів послаблення дорівнює С=20…30 дБ.

У техніці НВЧ також широко застосовуються спрямовані відгалужувачі на прямокутних хвилеводах, що розміщені під прямим кутом (рис. 3.10, а).

На загальній широкій стінці прорізають отвори зв’язку
(рис. 3.10, б), які можуть бути круглими або хрестоподібними
(рис. 3.10, в). Проходження сигналів на рис. 3.10, б наведене стрілками. При збудженні плеча 1 відгалуження відбувається у плече 4.

Перехідне послаблення таких спрямованих відгалужувачів має величину 20…30 дБ.

Умовне позначення при паралельних та перпендикулярних лініях передачі наведене на рис. 3.11, а, б відповідно. Зверху пишуть перехідне послаблення, знизу − спрямованість.

Хвилеводно-щілинний міст являє собою два прямокутних хвилеводи, що мають загальну вузьку стінку. Частина вузької стінки вирізається, і на цій ділянці утворюється розширений хвилевід. Схематично щілинний міст наведений на рис. 3.12.

Розглянемо принцип роботи щілинного хвилеводного мосту.

Нехай щілинний міст живиться з плеча 1, а плечі 2, 3, 4 навантажені на узгоджені навантаження. Всі плечі щілинного мосту допускають розповсюдження на обраній довжині хвилі (λ_о) тільки основного типу

хвиль . На ділянці щілини ℓ_щ розмір широкої стінки , тому тут можуть розповсюджуватись два типи хвиль − та .

Теоретично та експериментально доведено, що хвилі Н₁₀ та Н₂₀ у даному випадку переносять однакову потужність. При вході у хвилевід 2 хвилі Н₁₀ та Н₂₀ є протифазними (рис. 3.12), тому вони компенсують одна одну і плече 2 не збуджується. Отже вся енергія, що надходить з плеча 1, буде передаватися хвилями Н₁₀ та Н₂₀ у напрямку плечей 3 та 4.

Оскільки у місці щілини [3]

,

то

.

Внаслідок цього хвилі Н₁₀ та Н₂₀ до входів плечей 3 та 4 потраплять з різними фазами. Різниця фаз (Δφ) визначається довжиною щілини (ℓ_щ), тобто

.

У плечах 3 та 4 кожна із хвиль збуджує хвилю основного типу з рівними амплітудами але з різними фазами. Як випливає з рис. 3.12, хвиля Н₁₀ збуджує у плечах 3 та 4 синфазні коливання з амплітудою електричного поля , а хвиля Н₂₀ − протифазні коливання з амплітудою електричного поля .

На рис. 3.13 наведені векторні діаграми, що пояснюють збуд-ження плечей 3 та 4.

Із векторних діаграм випливає, що співвідношення між амплітудами Е₃ та Е₄ залежить від величини Δφ, тобто довжини щілини.

Зазвичай на практиці розмір щілини обирають таким, щоб виконувалась умова Δφ=90^о, тоді векторні діаграми будуть мати вигляд, наведений на рис. 3.13.

У даному випадку в плечах 3 та 4 енергія, що надходить з плеча 1, ділиться порівну, оскільки Е₃ =Е₄, а коливання в плечах 3 та 4 завжди зсунуті за фазою на 90^о тому, що вектор перпендикулярний вектору . Тридецибельний хвилеводно-щілинний міст відповідає випадку рівного енергорозподілу між плечами 3 та 4, що відповідає величині перехідного послаблення С=3 дБ.

Кільцевий хвилеводний міст являє собою прямокутний хвилевід, згорнутий у кільце в площині Е. Довжина хвилеводу по осьовій лінії складає . До широкої стінки хвилеводного кільця приєднані чотири відгалуження, які є відрізками прямокутних хвилеводів. Отже, такий міст можна представити у вигляді послідовного з’єднання чотирьох хвилеводних Е-трійників.

Схематично кільцевий міст наведений на рис. 3.15.

Відстані між плечами підібрані так, щоб енергія, яка надходить з будь-якого плеча, ділилася порівну між сусідніми плечами і не потрапляла у протилежне плече.

Так, наприклад, якщо до плеча 2 приєднати джерело коливань, то в плече 4 енергія не потрапляє, оскільки різниця фаз для хвиль, що розповсюджуються за ходом годинникової стрілки та у протилежному напрямку дорівнює π, тобто через різницю шляхів λ_х/2. У плечі 1 та 3 хвилі потрапляють синфазно та енергія ділиться порівну між даними плечами.

Таким чином, кільцевий міст має властивості, аналогічні властивостям подвійного хвилеводного трійника та спрямованого тридецибельного відгалужувача.

Кільцеві мости можуть виконуватися також на коаксіальних та смужкових лініях. Недоліком кільцевих мостів є їх більш вузька смуга робочих частот порівняно із спрямованими відгалужувачами.

Квадратний (шлейфний) містскладається із двох паралельних відрізків ліній, що пов’язані між собою двома відрізками допоміжних ліній − шлейфами. Довжина шлейфів та відстань між ними дорівнює одній чверті довжини хвилі (або їх непарній кількості) в лінії на середній частоті. Шлейфів може бути два та більше. При збільшенні кількості шлейфів покращаються діапазонні властивості мосту але збільшуються втрати потужності та габарити мосту.

Конструкція двошлейфних мостів на хвилеводних, коаксіальних, смужкових лініях передач наведені на рис. 3.16, а, б, в відповідно.

Хвильовий опір підведених ліній та шлейфів вибирають однаковим − Z_x, а між шлейфами − зменшують в разів.

Властивості шлейфного мосту аналогічні властивостям хвилеводно-щілинного мосту: при збудженні, наприклад, плеча 1 сигнал в плече 2 не потрапляє, а ділиться порівну між плечами 3 та 4, причому в плечі 4 сигнал відстає за фазою на кут 90^о від сигналу, що знаходиться в плечі 3.

Контрольні питання

1. Що називається матрицею розсіювання, що характеризують її елементи?

2. Що називається матрицею провідностей, що характеризують її елементи?

3. Що називається матрицею опорів, що характеризують її елементи?

4. Які пристрої НВЧ можна використовувати для поділу потужності хвилі на дві рівні частини з однаковою фазою або з різницею фаз Δφ=90^о?

5. Пояснити фізичний зміст основних властивостей подвійного хвилеводного трійника та хвилеводного спрямованого відгалужувача.

6. За допомогою векторних діаграм пояснити роботу хвилеводно-щілинного мосту.

7. Чому в кільцевому хвилеводному мості при збудженні будь-якого плеча енергія не потрапляє у протилежне плече?

4. КЕРУВАЛЬНІ ТА ФЕРИТОВІ ПРИСТРОЇ НВЧ

4.1. Класифікація керувальних пристроїв НВЧ

Керувальні пристрої НВЧ призначені для регулювання амплітуди хвилі, фази хвилі або зміни шляху проходження хвилі в тракті.

Керувальні пристрої НВЧ поділяються за принципом дії на механічні та електричні. У механічних керувальних пристроях зміна параметрів сигналів проходить внаслідок механічного переміщення окремих частин. В електричних пристроях під дією електричних сигналів відбувається зміна електричних властивостей частини лінії передачі з діодом, феритом, сегнетоелектриком, газорозрядником.

Залежно від функцій, які виконуються, пристрої НВЧ поділяють на вимикачі, комутатори, фазообертачі, атенюатори, обмежувачі потужності, циркулятори, вентилі та поляризатори.

4.2. Призначення, конструкція, принцип дії, параметри

механічних вимикачів, комутаторів, фазообертачів та

атенюаторів

4.2.1. Вимикачі

Вимикачі – це чотириполюсники, які забезпечують узгоджену передачу сигналу з входу на вихід або відсутність передачі сигналу.

Конструкція механічного хвилеводного вимикача наведена на рис. 4.1.

До складу механічного вимикача входять: корпус 1, поворотний ротор 2, дросельні канавки 3, лінія передачі 4. У корпусі також є і лінії передачі 5 (рис. 4.1). Вимикач має два положення.

На рис. 4.1 наведене положення “замкнено”. У даному положенні лінії передачі 5 пов’язані між собою через лінії передачі 4 та дросельні з’єднання 3. При повороті ротора на 90^º вимикач буде в положенні “розімкнено”. Сигнал, що розповсюджується в лінії передачі 5 буде відбиватись у зворотному напрямку від ротора.

4.2.2. Обмежувачі потужності

Обмежувачі потужності – це чотириполюсники, які узгоджено пропускають сигнали з потужністю менше за межову і не пропускають сигнали з потужністю більше за межову.

На практиці широке застосування набули газорозрядні обмежувачі. Конструкція газорозрядного хвилеводного обмежувача потужності наведена на рис. 4.2.

Це герметичні секції хвилеводу з парами водню з низьким тиском. На вході та виході секцій стоять резонансні діафрагми 1, отвір в яких закривається радіопрозорим матеріалом. Усередині секції посередині широких стінок хвилеводу на відстані λ_х/4 встановлюються короткозамкнені електроди 2. Для зменшення напруги пробою (порогової напруги) застосовують електрод підпалу 3. Між ним та електродом 2 підтримується тліючий розряд завдяки подачі напруги підпалу. Для малопотужних сигналів газорозрядник є резонансним фільтром. Під час дії потужного сигналу спочатку виникає пробій між електродами 2 з електродом підпалу. Отже значна частина енергії відбивається. Виникає режим змішаних хвиль з максимумом напруженості біля другої пари електродів. Між ними також виникає розряд. Максимум напруги переміщується в переріз діафрагми і в ній виникає розряд.

Таким чином, потужний сигнал буде відбиватись від газорозрядника. На вихід проходить тільки частина енергії, що зумовлено кінцевою швидкістю спрацьовування приладу.

Умовне позначення газового розрядника наведене на рис. 4.3.

На рис. 4.3, а лінія передачі з розрядником розімкнена. Лінія передачі замикається при замиканні розрядника. На рис. 4.3, б лінія передачі з розрядником замк-нена. При спрацюванні розрядника вона розмикається.