Направленный ответвитель на п-волноводе

Скачать 283.92 Kb.

Название	Направленный ответвитель на п-волноводе
страница	1/3
Тип	Лабораторная работа

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Лабораторная работа

1 2 3

Лабораторная работа №33

НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ НА П-ВОЛНОВОДЕ
Цель работы: изучить физический принцип действия, конструкцию,

параметры и характеристики направленного ответвителя

на П-волноводе.

Задание: занести в рабочую тетрадь название и цель лабораторной работы;

основные положения, формулы и рисунки, необходимые при ответе

на контрольные вопросы.
1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Направленный ответвитель – устройство, служащее для ответвления из основного высокочастотного тракта части мощности одной из двух бегущих волн, распространяющихся по линии в противоположных направлениях: падающей или отраженной волны.

Главное назначение ответвителей – направленно ответвлять некоторую часть высокочастотной мощности из основного тракта во вспомогательный. Особенности этого прибора заключаются в том, что он реагирует на волну только одного направления, то есть только на падающую или отраженную в основном тракте. Его работа основана на возбуждении во вторичном тракте двух волн, смещённых по фазе так, что амплитуды волн, распространяющихся в желаемом направлении, интерферируя, суммируются, а в нежелаемом – взаимно компенсируются.

Несмотря на то, что направленные ответвители, по сути дела всегда решают одну и ту же задачу – ответвляют некоторую часть энергии основной линии передачи во вспомогательную линию, — их применение в технике СВЧ весьма многообразно. Направленные ответвители используются для получения развязки между генераторами при включении в основную линию передачи дополнительного источника высокочастотных колебаний; при включении гетеродина в супергетеродинном приёмнике; для получения необходимых амплитудных и фазовых соотношений между сигналом в основной линии и в вспомогательной линии (например, в трёхдецибельных щелевых мостах и для определения величины проходящей мощности и коэффициента стоячей волны; для переменной связи с основной линией передач и т.д.
2 ПАРАМЕТРЫ НАПРАВЛЕННЫХ ОТВЕТВИТЕЛЕЙ

Направленные ответвители любого типа принято характеризовать следующими параметрами: переходным ослаблением, направленностью, развязкой, балансом выходных плеч, согласованием плеч ответвителя с подводящими фидерными линиями, рабочим ослаблением в первичной линии, фазовыми соотношениями для напряжений в выходных плечах, диапазоном частот.

Обобщенная схема НО, который в общем случае представляет собой полностью согласованный элементарный восьмиполюсник, представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Обобщенная схема НО

Если на вход 1 элементарного восьмиполюсника поступает СВЧ мощность P₁, то на выход 3 основного волновода поступит мощность P₃, а на выходы 2 и 4 вспомогательного волновода – соответственно P₂ и P₄ .

На рисунке 2 представлены направленные ответвители с тремя типами направленности.

Рисунок 2 – Три типа НО

Переходное ослабление определяется, как отношение входной мощности основной линии к выходной мощности рабочего плеча вспомогательной линии. Выражается обычно в децибелах. Например, для ответвителя, изображенного на рисунке 2, переходное ослабление вычисляется по формуле:

. (1)

Переходное ослабление зависит от размеров, числа, положения и типов элементов связи, также от частоты. Принципиально можно обеспечить любую величину переходного ослабления от очень малых значений вплоть до бесконечно больших. В зависимости от переходного ослабления C НО делятся на устройства с сильной (С = 0 – 10дБ) и слабой (С > 10дБ) связью. Направленные ответвители, имеющие равные мощности в выходных плечах (С = 3,01дБ), выделены в особый класс соединений, называемый трехдецибельные (3 - дБ) направленные ответвители или мосты.

Направленностью называется отношение мощностей на выходе рабочего и нерабочего плеч вспомогательной линии. Для рисунка 2 первого типа:

. (2)

Направленность идеального направленного ответвителя равна бесконечности. Чем больше направленность ответвителя, тем выше его качество. Существенно также, чтобы ответвитель обладал широкополосными свойствами, т.е. чтобы направленность возможно меньше зависела от рабочей частоты. Направленность элементарного восьмиполюсника может быть положительной, отрицательной или нулевой, когда во вспомогательной линии в разные стороны от волновода связи распространяются волны равной амплитуды.

Развязка определяется как отношение входной мощности основной линии к выходной мощности нерабочего плеча вспомогательной линии. Для рисунка 2 первого типа:

(3)

или

(4)

Балансом входных плеч называется отношение мощностей на выходе основной линии и рабочего плеча вспомогательной линии. Для рисунка 2 первого типа:

. (5)

Рабочее ослабление в первичной линии определяется отношением мощностей на входе и выходе основной линии. Для рисунка 2 первого типа:

. (6)

Для определения диапазонных свойств направленного ответвителя

основные характеристики определяются в функции частоты (длины волны).

Согласование плеча НО с входной подводящей линией характеризуется КСВН, измеряемым со стороны входного плеча направленного ответвителя, когда к остальным плечам подключены согласованные нагрузки. Величина КСВН направленного ответвителя характеризует искажение поля в основном тракте из-за наличия элементов связи. Аналогичным образом определяют и КСВН плеча вспомогательного тракта НО. Полному отражению от нагрузки соответствует бесконечно большой КСВН. Режим идеального согласования с нагрузкой характеризуется величиной КСВН равном единице.
3 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ НАПРАВЛЕННОГО

ОТВЕТВИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ
НО представляет собой восьмиполюсник, образованный двумя линиями передачи (ЛП), связанными между собой N ≥ l элементами связи. Размеры элементов связи могут быть соизмеримы с длиной волны  в ЛП (распределенная связь), так и много меньше  (сосредоточенная или дискретная связь). В волноводных НО элементами связи в большинстве случаев являются отверстия в общей стенке двух волноводов. Эти отверстия можно представить как отрезок волновода. Поперечное сечение этого волновода может быть круглым, прямоугольным, крестообразным, Н – образным, и т.д. В НО с малым значением ответвленной мощности (НО со слабой связью) отверстия связи (ОС) – запредельные волноводы. Если в ОС может распространяться волна, а его длина соизмерима с , то такое ОС называется шлейфом. ОС может иметь собственную направленность, т.е. возбуждать во вторичном волноводе волны различной амплитуды в положительном и отрицательном направлениях. В этом случае НО может иметь только одно ОС. В противном случае их число не менее двух.

Устройство состоящее из отрезка основной передающей линии и отрезка

вспомогательной линии, связанной с основной линией при помощи двух параллельно включенных зондов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, обеспечивает эффект направленного ответвителя.

Следует заметить, что простой одиночный зонд, например штырь, не может быть использован в качестве направленного ответвителя. Мощность, ответвляемая одиночным зондом, пропорциональна квадрату амплитуды высокочастотного напряжения в данной точке, являющегося векторной суммой напряжений падающей и отраженной волн.

Эквивалентная схема показана на рисунке 3,а. Роль реактивных элементов связи играет ёмкость штыря или индуктивность петли (отверстия) связи. Оба зонда связаны с основной линией, т.е. по отношению к вспомогательной линии они играют роль генераторов напряжения (рисунок 3,б).

а)

б)
а – эквивалентная схема, б – возбуждение волн

Рисунок 3 – Принцип действия НО с двумя зондами
П

усть в основной линии имеется только волна, распространяющаяся от плеча 1 к плечу 3, т.е. на конце основной линии включена идеальная согласованная нагрузка. Во вспомогательной линии каждый из зондов (генераторов) возбуждает две волны, распространяющиеся в обоих направлениях. Фаза колебаний в сечении зонда 2 отличается на величину

где L – геометрическое расстояние между зондами;
_b – длина волны в основной и во вспомогательных линиях.
Амплитуды колебаний, возбуждаемых зондами во вспомогательной линии, считаем одинаковыми.

Если выбрать L=в/4, то в плоскости плеча 2 волны будут иметь разность фаз, равную  =, т. е. произойдет полное уничтожение волн. По вспомогательной линии волны смогут распространяться только в направлении плеча 4. Таким образом, в результате распространения по основной линии волны в направлении слева направо во вспомогательной линии возбуждается волна, распространяющаяся в том же направлении. Аналогичный результат получается, если волна в основной линии распространяется справа налево. Ответвлённая волна будет поступать лишь по направлению к плоскости
плеча 2.

Принципиально в плоскостях A и B могут быть включены два согласованных индикатора, например амплитудных детектора. Однако, ввиду трудности хорошего согласования детектора, один из них обычно заменяют согласованной нагрузкой, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 – Принципиальная схема НО с двумя элементами связи

Если необходимо одновременно регистрировать как прямую, так и отражённую волну, то пользуются двумя НО описанного типа. Каждый НО имеет во вспомогательной линии согласованную нагрузку и индикатор; НО включают в противоположных направлениях.

Идеальный НО не ответвляет в индикатор сигнала при распространении волны по основной линии в обратном направлении. Однако, ввиду неточности изготовления НО, отклонение длины волны от расчётной и наличия небольшого рассогласования нагрузки во вспомогательной линии наблюдается некоторое прохождение сигнала в ненормальном направлении.

4 ВОЛНОВОДНЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ
СО СЛАБОЙ СВЯЗЬЮ

Основным элементом, определяющим многообразие НО, является область связи, т.е. совокупность элементов связи, расположенных на общей для основного и вспомогательного волноводов стенке. В качестве элементов связи НО, как правило, применяют отверстия в стенках волновода. Простейшей областью связи является одно отверстие, которое обладает собственной направленностью. При конструировании НО наиболее часто применяются элементы связи в форме круглых отверстий, щелей (продольных и поперечных), крестиков и отверстий эллиптического типа. В зависимости от расположения отверстия при волне типа H₁₀ в прямоугольном волноводе связь может быть либо чисто магнитной (рисунок 5,а), либо смешанной – электрической и магнитной (рисунок 5,б).

а)

б)

Рисунок 5 – Характер электрического и магнитного полей при волне типа H₁₀

вблизи отверстия в узкой (а) и широкой (б) стенке волновода

Переходное ослабление элемента связи зависит от того, на какой стенке волноводного тракта расположен элемент связи. Ориентация вспомогательного волновода относительно основного производится в соответствии с принципами возбуждения волн в волноводах. Отверстия связи можно рассматривать как возбуждающие зонды. Если связь осуществляется сразу по электрическому и по магнитному полю, одно отверстие эквивалентно двум зондам: штырю и петле. Различают направленные ответвители со связью по узкой или по широкой стенке волновода.

Связь между волноводами через небольшое круглое отверстие осуществляется:

а) по тангенциальной составляющей магнитного поля;

б) по нормальной составляющей электрического поля;

На рисунке 6,а (отверстие в узкой стенке) электромагнитное поле у отверстия имеет только Hz компоненту. Связь осуществляется только по магнитному полю. На рисунке 6,б (отверстие в широкой стенке) электромагнитное поле у отверстия имеет компоненты Hx, Hz и Ey. Связь

осуществляется по магнитному и электрическому полю. На рисунке 6,в (отверстие у одного волновода в узкой, а у другого в широкой стенке) электромагнитное поле у отверстия имеет только Ey компонента. Связь осуществляется только по электрическому полю.

y
2

1

1 2 x 2 1

а) б) в)

1 – основной тракт, 2 – вспомогательный тракт

Рисунок 6 – Связь прямоугольных волноводов через малое отверстие по

узкой (а), по широкой (б) и по узкой и широкой (в) стенке

Наиболее простой и часто применяемый в случае связи через малые

отверстия метод исследования НО – квазистатическая теория Бёте. В рамках этого метода полагается, что геометрические размеры отверстий достаточно малы по сравнению с размерами волноводов (меньше /2), так что можно пренебречь изменением значения фазы поля вдоль отверстия связи. Кроме того, необходимо, чтобы отверстие связи было достаточно удалено от углов волновода и противоположных стенок. Тогда амплитуды волн в волноводе, возбуждаемом малым отверстием, вычисляются через его дипольные моменты. Дипольные моменты пропорциональны коэффициентам электрической и магнитной поляризуемости отверстий. К достоинствам теории Бёте следует отнести простоту анализа и достаточно хорошую для практики точность
(3-7%) расчета переходного ослабления и направленности, хотя в рамках этого метода не выполняется соотношение энергетического баланса и отсутствует возможность учёта высших волн в области связи.

Как уже отмечалось, переходное ослабление определенного типа элемента связи двух волноводов зависит от длины волны в волноводе, геометрических размеров и положения этого элемента связи. Причем необходимо, чтобы переходное ослабление НО оставалось постоянным или как можно меньше отклонялось от некоторого постоянного уровня в заданном диапазоне длин волн, что в свою очередь требует постоянства переходного ослабления отдельного элемента связи в том же диапазоне. С этой точки зрения под оптимальной характеристикой переходного ослабления элемента связи понимают такую характеристику, которая удовлетворяет условию:

С-C₁₂ ≤ C,

где С – заданный уровень переходного ослабления;

C₁₂ – значения переходного ослабления элемента связи на краях

заданного диапазона;

C – допустимая величина отклонения переходного ослабления от

заданного уровня.

Как правило, величина C находится в пределах 0,1–1дБ. Принято считать, что C – значение переходного ослабления элемента связи в середине диапазона.

Выбирая соответствующим образом положение круглого отверстия связи по широкой стенке волновода, можно получить характеристику переходного ослабления с минимальным отклонением от определенного уровня в заданном диапазоне длин волн. Для отверстия связи, расположенного по узкой стенке волновода, оптимальность характеристики переходного ослабления, т.е. ее отклонение от заданного уровня, однозначно определяется изменением длины волны.

Вообще говоря, связь двух волноводных трактов прямоугольного сечения по узкой стенке носит название “Ответвитель Бёте”. Схематически ответвитель Бёте изображен на рисунке 7, где два прямоугольных волновода связаны между собой через центральное отверстие в широкой стенке. Оси волноводов сдвинуты под углом . A и B – амплитуды электромагнитных волн основного типа колебания во вспомогательном тракте.

Рисунок 7 – Ответвитель Бёте

Электрическая связь в соответствии с рисунком 5 возбуждает во вспомогательном волноводе синфазное поле, магнитная связь – противофазное. Поэтому мощность суммарного поля во вспомогательном волноводе распространяется в обратном направлении, т.е. в направлении противоположном распространению энергии в основном волноводе.

Ответвитель Бёте не может не иметь переходное ослабление порядка 20дБ и ниже, так как большое отверстие волновода приводит к возникновению существенного отражения в основном и во вспомогательном трактах. На практике полоса частот, в которой направленность не опускается ниже 20дБ, около 20%. Рабочий диапазон ответвителя Бёте можно несколько расширить, если уменьшить отверстие связи ответвителя – заполнить его диэлектриком
с   1.

5 НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ
С НЕНАПРАВЛЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СВЯЗИ

НО можно получить и при использовании ненаправленных элементов связи. Ненаправленным элементом связи называется такой элемент, который возбуждает во вспомогательном волноводе электромагнитные волны с равными амплитудами, т.е. в отношении A=B (рисунок 8).

Рисунок 8 – Направленный ответвитель с двумя отверстиями связи

Примером элемента связи, который не обладает направленностью, является отверстие в узкой стенке прямоугольного волновода. Волноводы в этом случае связаны тангенциальной составляющей магнитного поля

1 2 3

	Инженер Виктор Моргалюк. Россия, Хакасия. Mail rlc3@yandex ru Стоячая волна в волноводе (далее – св) – физическое явление, при котором встречные когерентные бегущие волны давления образуют неподвижную...		Котировочная заявка Изучив направленный Вами запрос котировки цены, мы, нижеподписавшиеся, предлагаем осуществить поставку следующей продукции (товаров,...
	Н. П. Гринько Уважаемая Наталья Петровна! Изучив направленный Вами запрос котировки цены, мы, нижеподписавшиеся, предлагаем осуществлять услуги по аварийному ремонту технологического...		Пробиосан инструкция по применению пробиосан Пробиосан – природный биогенный комплекс на основе микросфер биоконцентратов растений, нативных масел и натуральных компонентов,...
	Бизнес-план в системе планирования предприятия автосервиса Кузовное, малярное отделения Автосервис это вид человеческой деятельности, направленный на удовлетворение потребностей потребителя (автовладельца) посредством...		Методическая разработка «Деловые игры для педагогов». Дуркина М.... На современном этапе в основе работы каждого педагога лежит принцип деятельностного подхода. Деятельностный подход – это процесс...
	Расшифровка подписи, должность Место для печати государственный контракт... Изучив направленный Вами запрос котировки цен, мы, нижеподписавшиеся, предлагаем выполнить: поставку оригинальных картриджей и расходных...		Руководство пользователя Программная система Domino wp Щелчком по заголовку столбца в табличной части можно включить сортировку: по возрастанию (в заголовке столбца появляется символ треугольник...
	Гоу спо «Увинский профессиональный колледж» «Воспитание лидера через... Система профессионального образования сегодня рассматривается как важнейший институт социализации личности, где обучение и воспитание...		Инструкция для сотрудников доу о порядке действий при осуществлении... Доу является информатизация образовательного процесса, которая рассматривается как процесс, направленный на повышение эффективности...
	Лабораторная работа «Пробоподготовка и анализ вещественных доказательств отравления» Семинар «Методология проведения химико-токсикологического анализа (хта). Направленный и ненаправленный хта. Вещественные доказательства....		«Практика проведения контрольных обмеров, выполненных строительно-монтажных... В настоящее время в числе основных задач ксп московской области и ксо муниципальных образований являются аудит эффективности использования...
	Основным объектом, содержательной и критериальной базой итоговой оценки подготовки выпускников Ооп ООО (далее — система оценки) представляет собой один из инструментов реализации требований Федерального компонента государственного...		Учебно-методическое пособие региональное сотрудничество в области прав человека специалист Региональное сотрудничество в области прав человека – это первый специализированный курс, направленный на формирование у студентов...

Направленный ответвитель на п-волноводе

Лабораторная работа №33

Похожие: