Лабораторная работа № 10. Исследование характеристик многоплечих узлов свч - трактов.

Цель работы.

1. Изучение устройства и основных свойств волноводных направленных ответвителей и волноводных мостов.

2. Освоение методов измерения параметров волноводных направленных ответвителей и волноводных мостов.

Используемые приборы:измеритель модуля коэффициента передачи и отражения Р2М-18,датчик КСВ, детектор, коаксиальный кабель «измеритель-датчик КСВ», коаксиальный кабель «датчик КСВ-нагрузка», два коаксиально-коаксиальных перехода, два коаксиально-волноводных перехода, два направленных ответвителя, щелевой мост, две согласованные нагрузки.

I. Методические указания.

При подготовке к выполнению лабораторной работы, необходимо изучить особенности распространения электромагнитных волн в ферромагнитных средах [1.4], основные свойства и параметры электромагнитного поля в прямоугольном волноводе[2.2, 2.5], основные режимы работы волноводов и характеризующие их параметры [6.1 – 6.3], принцип работы и основные параметры направленных ответвителей[10.2]и волноводных мостов[10.3].

Волноводные направленные ответвители представляют собой два одноволновых волновода с общей широкой или узкой стенкой, в которой прорезаны отверстия связи между волноводами. Условное графическое обозначение в схемах направленных ответвителей параллельными друг другу волноводами приведено на рис. 1.

Рис. 1. Условное графическое обозначение направленных ответвителей.

У направленного ответвителя наряду с входным плечом, в которое поступает мощность от источника, и развязанным плечом, которое изолировано от входного, различают два выходных плеча — плечо прямой связи со входом, которое расположено в одном волноводе с входным плечом, и плечо направленной связи, которое расположено в одном волноводе с развязанным плечом.

Очевидно, что благодаря геометрической симметрии направленного ответвителя роль входного может выполнять любое из его плеч. Пусть, например, у направленного ответвителя, изображенного на рис. 1, входным является плечо 1; тогда плечо 2 будет плечом прямой связи со входом, 3 — развязанным плечом и 4 — плечом направленной связи.

Направленные ответвители представляют собой пассивные линейные реактивные взаимные четырехплечие узлы, обладающие следующими свойствами. Если волна от источника поступает во входное плечо, а к остальным трем плечам присоединены поглощающие оконечные нагрузки, то в идеальном случае мощность этой падающей волны без отражения от узла делится только между выходными плечами, а развязанное плечо оказывается полностью изолированным от входного — волна в него через узел не передается. Как правило, у направленного ответвителя происходит существенно неравное распределение мощностей между выходными плечами.

Рис. 2. Многодырочный направленный волноводный ответвитель

со связью через широкую стенку.

Основными параметрами направленного ответвителя являются.

• Переходное ослабление C — выраженное в децибелах отношение средних за период мощностей падающей волны во входном плече 1 и прошедшей из этого плеча волны в плече направленной связи 4

Таким образом, переходное ослабление равно ослаблению мощности между входным плечом и плечом направленной связи.

Если, например P_4-<<P₁₊и, следовательно, переходное ослабление принимает большие значения, то имеем направленный ответвитель со слабой связью.

• В реальном направленном ответвителе в развязанное плечо поступает некоторая мощность. Количественно это явление характеризует направленность D — выраженное в децибелах отношение средних за период мощностей волн в плече направленной связи 4 и в развязанном плече 3

У идеального направленного ответвителя P_3–=0 и направленность D равна бесконечности.

На рис. 1 верхнее число означает переходное ослабление, нижнее — направленность.

• Коэффициент стоячей волны ρ во входном плече.

Для определения переходного ослабления (1) следует измерить ослабление мощности между входным плечом 1 и плечом направленной связи 4.

Для определения направленности нужно измерить также ослабление мощности между входным 1 и развязанным плечами 3 в дБ

а затем вычислить направленность в дБ

Изучаемые в работе направленные ответвители относится к типу волноводного направленного ответвителя с ненаправленными элементами связи. Он состоит из двух отрезков прямоугольного волновода сечением 23x10 мм, имеющих на некотором участке общую широкую стенку. В стенке имеется система отверстий, соединяющих внутренние пространства обоих отрезков волновода. У отрезка основного волновода конец 1 открыт и имеет фланец, а на 2 жёстко закреплена внутренняя согласованная с волноводом оконечная нагрузка. Открытые концы вспомогательного волновода 3 и 4 обращены в противоположные стороны и имеют фланцы. Электромагнитная энергия попадает в основной волновод через вход 1. Через отверстия связи она частично ответвляется во вспомогательный волновод.

Волноводный мост представляет собой пассивный линейный реактивный взаимный четырехплечий узел, обладающий следующими свойствами. Если волна от источника поступает во входное плечо моста, а к остальным трем плечам присоединены поглощающие оконечные нагрузки, то в идеальном случае мощность падающей волны без отражения от узла делится поровну только между двумя выходными плечами, а одно плечо оказывается полностью развязанным (изолированным) от входного — волна в него через узел не передается.

Поскольку узел является взаимным, то из этих свойств следует, что у моста плечи попарно развязаны. Пусть, например, развязаны между собой плечи 1 и 3, 2 и 4 (см. рис. 3, на котором приведено общее условное графическое обозначение мостов в схемах). Если при этом входным является плечо 1, то изолированным — плечо 3 и выходными — плечи 2 и 4.

Рис. 3. Общее условное графическое обозначение мостовых схем.

Основными параметрами волноводного моста являются.

• Развязка между входным и изолированным плечами Т — выраженное в децибелах отношение средних мощностей падающей волны во входном плече и волны в изолированном плече

Таким образом, развязка равна ослаблению мощности межу входным и изолированным плечами. В идеальном случае P_3-=0, и развязка равна бесконечности.

• Неравномерность деления мощности R — выраженное в децибелах отношение средних мощностей в выходных плечах моста:

В идеальном случае P_2-=P_4-=0,5 P₁₊и R=0 дБ.

• Коэффициент стоячей волны КСВ во входном плече.

Двойной волноводный тройник (двойное Т - образное соединение волноводов) представляет собой соединение в одном узле одноволновых Н- и Е-тройников, плоскости симметрии которых совмещены (рис. 4).

Рис. 4. Двойной Т – мост и его условное графическое изображение.

Н-тройник образован плечами 1, 2 и 4; Е-тройник — плечами 2, 3 и 4. Входящее в Н-тройник плечо 1, ось которого лежит в плоскости симметрии, называют плечом Н двойного тройника; а входящее в Е-тройник плечо 3, ось которого лежит в плоскости симметрии, называют плечом Е. Оставшиеся два плеча 2 и 4 называют боковыми.

Узел, изображенный на рис. 3, приобретает все отмеченные выше свойства моста только после согласования его со стороны плеч Н и Е, причем развязанными между собой являются плечи Н и Е и боковые плечи 2 и 4. Следовательно, при входном плече Н или Е выходными оказываются боковые плечи 2 и 4, а при входном боковом плече 2 или 4 выходными оказываются плечи Н и Е.

Двойной волноводный тройник имеет сравнительно широкий диапазон рабочих частот, определяемый полосой, в пределах которой сохраняется хорошее согласование узла со стороны плеч Н и Е, и при КСВ<1,1 достигающий 10–15% от средней частоты f, на которой было осуществлено согласование. Основным недостатком двойного тройника являются большие габариты.

На рис. 5 изображен кольцевой мост, который состоит из свернутого в кольцо в плоскости Е одноволнового прямоугольного волновода и присоединенных к нему четырех плечей, образующих с кольцевым волноводом Е-тройники.

Рис. 5. Кольцевой мост и его условное графическое изображение.

Периметр кольца равен 1,5λ_в(где λ_в—длина волны в волноводе), плечи присоединены к кольцу через три одинаковых интервала в λ_в/4.

При поступлении мощности на средней частоте f(которой соответствует длина волны в волноводе λ_в) в одно из плеч моста она делится поровну между двумя плечами, примыкающими с обеих сторон ко входному, а четвертое плечо оказывается развязанным. Например, в случае входного плеча 3 выходными плечами являются 2 и 1, а развязанным — 4.

С отходом от средней частоты быстро нарушаются согласование моста со стороны входного плеча, одинаковое распределение мощностей между выходными плечами и изоляция развязанного плеча. Основными недостатками кольцевого моста являются сравнительно узкая полоса рабочих частот (около 5% от рабочей частоты) и большие габариты.

Волноводный щелевой мост состоит из двух прямоугольных одноволновых волноводов, связанных между собой щелью (по всей высоте волновода) в общей узкой стенке (рис. 6).

При определенной длине щели l, зависящей от рабочей частотыfи согласовании узла, например, при помощи штыря, вводимого в середине щели, мощность, поступающая во входное плечо 1, делится поровну между выходными плечами 2 и 4, причем волна в плече 4 отстает по фазе на π/2 от волны в плече 2, а плечо 3 оказывается развязанным. Благодаря геометрической симметрии моста аналогичное деление мощности и соотношения фаз в выходных плечах имеют место при входе волны в любое другое плечо.

Рис. 6. Волноводный щелевой мост и его условное графическое изображение.

Полоса рабочих частот щелевого моста определяется допустимой неравномерностью распределения мощностей между выходными плечами и достигает 10–15% от средней частоты при которой мощность делится пополам. Малые габариты и широкополосность являются важными достоинствами щелевого моста.

Для определения развязки (5) следует измерить ослабление мощности между входным и развязанным плечами.

Для определения неравномерности деления мощности (2) следует предварительно измерить ослабления мощностей между входным и каждым из выходных плечей моста

а затем вычислить неравномерность деления мощности R в дБ:

Перед тем, как приступать к выполнению работы необходимо:

1. Изучить по периодическим материалам ассортимент направленных ответвителей и мостовых схем СВЧ, предлагаемых на российском рынке.

2. Составить таблицу основных характеристик направленных ответвителей и мостов.

3. Сравнить параметры и области применения волноводных, коаксиальных и и полосковых направленных ответвителей и мостов.