4.2.4 Измерение проходящей мощности на основе использования направленных ответвителей
При неполном согласовании по линии, соединяющей генератор с нагрузкой, распространяются две волны: падающая с амплитудой Pпад. распространяется от генератора к нагрузке, отраженная с амплитудой Pотр. — от нагрузки к генератору. Проходящей мощностью называют мощность, поступающую в нагрузку: Рпр. = Рпад. – Ротр. Чтобы ее определить, необходимо измерить мощности падающей и отраженной волн. Для их измерения удобно ответвить определенную часть энергии, проходящей по линии передачи. Эта задача решается с помощью устройства, называемого направленным ответвителем.
Направленный ответвитель (рис. 4.15)состоит из двух линий: главной и вспомогательной. По главной линии распространяется падающая волна от генератора к нагрузке и отраженная от нагрузки к генератору. Эта линия может быть нагружена на любое сопротивление.
Рис. 4.15. Направленный ответвитель
Вспомогательная линия работает в режиме согласования с обеих сторон. Во вспомогательную линию энергия поступает из главной линии через элементы связи. На рис. 4.15 изображена конструкция направленного ответвителя волноводного типа. Коаксиальный направленный ответвитель строится аналогичным образом. Как видно из рис. 4.15, в волноводном ответвителе связь между вспомогательной и главной линиями осуществляется через общие отверстия в прилегающих стенках. Эти отверстия выполнены так, что расстояния между их центрами равны четверти длины волны (λ/4), распространяющейся в волноводе. Направления распространения падающей волны показаны на рисунке сплошными линиями, а отраженной — пунктирными. Падающая волна через щели связи возбуждает колебания во вспомогательной линии. В точках с и d энергия этих колебаний разветвляется в двух направлениях. Часть энергии направляется к измерителю проходящей мощности, а часть к закрытому концу волновода, где расположена поглощающая нагрузка. Энергия, поступающая на выход направленного ответвителя, складывается из энергий двух колебаний, образующихся во вспомогательном волноводе за счет обоих отверстий связи. Расстояния а—с—d и а—b—d равны, поэтому в точке d колебания складываются в фазе. В точке с также происходит сложение колебаний, образованных падающей волной. Однако, поскольку расстояния а—с и а—b—d—с отличаются на λ/2, происходит их взаимная компенсация.
Отраженная волна также отдает часть своей энергии во вспомогательную линию, так как она распространяется в обратном направлении и компенсация колебаний происходит в точке d, а сложение в точке с. Таким образом, отраженная волна во вспомогательном волноводе будет распространяться влево и поглотится в нагрузке. Из приведенных рассуждений ясно, что измеритель мощности, подключенный к выходу вспомогательной линии, позволит измерить мощность, пропорциональную мощности падающей волны. Для оценки полной мощности падающей волны необходимо знать величину переходного ослабления направленного ответвителя:
С = 10lg(Pотв./Pпад.), дБ.
Здесь Ротв. — ответвленная во вспомогательный волновод часть падающей мощности, Рпад — падающая мощность в основном волноводе. Величина С определяется конструкцией направленного ответвителя и может составлять 10 – 30 дБ. Другим важным параметром направленного ответвителя является коэффициент направленности:
D = 10 lg(ΔPпaд./ ΔPотр).
Здесь ΔPпaд. и ΔPотр., соответственно, мощности падающей и отраженной волн на выходе вспомогательного волновода. Чем больше D, тем лучше разделение падающей и отраженной волн, осуществляемое направленным ответвителем, и точнее измерения. Коэффициент направленности обычно составляет 20 – 40 дБ и зависит от частоты. Дело в том, что необходимые фазовые соотношения выполняются в направленном ответвителе лишь в случае, когда расстояние между отверстиями связи равно четверти длины волны, распространяющейся в основном волноводе. При измерении длины волны коэффициент направленности ухудшается. Для расширения частотного диапазона в направленном ответвителе увеличивают число отверстий связи. Однако коэффициент перекрытия (отношение максимальной частоты, на которой работает ответвитель, к минимальной) обычно не превышает 1,5 для волноводных конструкций и 2 для коаксиальных.
Измерение мощности отраженной волны, необходимое для определения проходящей мощности, может быть осуществлено тем же направленным ответвителем, если его развернуть на 180°. Энергия, поступающая на его выход, будет пропорциональна мощности отраженной волны.