НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

 

 

В. А. СОСУНОВ, А. А. ШИБАЕВ

 

 

НАПРАВЛЕННЫЕ

ОТВЕТВИТЕЛИ

СВЕРХВЫСОКИХ

ЧАСТОТ

 

ПРИВОЛЖСКОЕ

КНИЖНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО

САРАТОВ 1964

Ф2.1

С 66

 

В книге рассматриваются вопросы, теории, расчета и конструирования направленных: ответвителей сверхвысоких частот. Основ­ное внимание уделяется волноводным на­правленным ответвителям с оптимальными частотными характеристиками.

Книга предназначена для студентов стар­ших курсов радиотехнических специально­стей, а также может быть полезна инженер­но-техническому персоналу радиотехниче­ской промышленности и научно-исследова­тельских учреждений.

 

 

ВОЛНОВОДНЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ

ОТВЕТБИТЕЛИ С ЭЛЕМЕНТАМИ СВЯЗИ МАЛЫХ РАЗМЕРОВ

 

За последние 20 – 25 лет наблюдается быстрое и интенсивное развитие техники сверхвысоких частот, парал­лельно с которой бурно развивается и техника измерений на сверхвысоких частотах. Техника сверхвысоких частот непосредственно связана с техникой передачи информаций на большие расстояния, где применение волноводов позволяет значительно увеличить объем передаваемой информации.

Развитие техники сверхвысоких частот, разработка широкополосных генераторных и усилительных электровакуумных приборов вызвали необходимость создания широкополосных элементов СВЧ тракта: волноводно-коаксиальных переходов, аттенюаторов, фазовращателей, детекторных головок, гибридных соединений и т.п.

Особый интерес представляют такие элементы СВЧ тракта, как направленные ответвители, которые широко используются в технике сверхвысоких частот. Направленные ответвители появились одновременно с возникнове­нием техники сантиметровых волн. Идея этого прибора была предложена советскими учеными А. А. Пистель-корсом и М. С. Нейманом. ,

 

1. ПАРАМЕТРЫ НАПРАВЛЕННЫХ ОТВЕТВИТЕЛЕЙ

 

Главное назначение направленного ответвителя направленно ответвлять некоторую часть высокочастотной мощности из основного тракта во вспомогательный. Особенность этого прибора заключается в том, что он реагирует на волну только одного направления, то есть только на падающую или отраженную волну в основном тракте.

Работа направленного ответвителя основана на воз­буждении во вторичном тракте нескольких волн, смещен­ных по фазе так, что амплитуды волн, распространяю­щихся в желаемом направлении, интерферируя, сум­мируются, а в нежелаемом – взаимно компенсируются. Некоторое исключение составляет принцип работы на­правленного ответвителя типа «двойной тройник». Интер­ференции амплитуд волн во вторичном тракте можно добиться, используя воз­буждение вторичного тра­кта элементами электри­ческой и магнитной связи как разнесенными конст­руктивно на определенное расстояние друг от друга, так и объединенными в

один элемент. В послед­нем случае элемент связи характеризуется собственной направленностью.

Направленный ответвитель включает в себя область связи и активные нагрузки, поскольку (как можно пока­зать с помощью теории цепей) недиссипативные цепи не могут обладать направленностью [1].

Направленные ответвители можно разделять на несколько классов в зависимости от типа передающей линии, образующей первичный и вторичный каналы: от­ветвители коаксиальных линий передач, ответвители волноводных линий передач, ответвители двухпроводных линий передач и др.

Направленные ответвители любого типа принято ха­рактеризовать следующими параметрами: направлен­ностью, переходным ослаблением, диапазоном частот или длин волн, КСВн плеч и максимально допустимой мощ­ностью в основном тракте.

Обобщенная схема направленного ответвителя, который в общем случае представляет собой полносогласованное четырехплечное разветвление, представлена на рис. 1.

Если на вход такого четырехплечного разветвления поступает сверхвысокочастотная мощность величины , то в плечи 2, 3 и 4 соответственно поступят мощности Р_2, Р₃ и Р₄.

Направленность ответвителя – отношение мощностей волн, распространяющихся в побочном тракте в противоположных направлениях при бегущей волне в основном тракте. Эта величина вычисляется в децибелах по формуле:

Переходное ослабление – отношение мощностей, рас­пространяющихся в основном и во вспомогательном трак­тах при бегущей волне в основном тракте; выражается оно обычно в децибелах:

где Р₁ – мощность электромагнитной волны в основном тракте;

Р₄ – мощность электромагнитной, волны во вспомо­гательном тракте, распространяющаяся в желаемом направлении.

Переходное ослабление зависит от размеров, числа, положения и типа элементов связи, а также от частоты. Рабочий диапазон частот направленного ответвителя оп­ределяйся заданными пределами минимальной направ­ленности N_min и изменения переходного ослабления.

При измерении КСВн направленного ответвителя од­но из плеч основного тракта присоединяется к прибору, измеряющему КСВн, к остальным плечам подсоединяют­ся согласованные нагрузки. Таким образом, величина КСВн направленного ответвителя характеризует иска­жение поля в основном тракте из-за наличия элементов связи.

Следует различать два КСВн, характеризующих на­правленный ответвитель, – основного и побочного (вспо­могательного) трактов, которые отличаются из-за нали­чия в побочном тракте дополнительных неоднородностей (изгибы и т. п.).

Кроме того, направленный ответвитель характери­зуется максимально допустимой величиной мощности, передаваемой основным трактом направленного ответви­теля. Объясняется это тем, что наличие элементов связи снижает электрическую прочность тракта. Это обстоя­тельство существенно, когда направленный ответвитель предназначен для включения в тракт мощного источника СВЧ колебаний.

Направленные ответвители следует различать по то­му, какая часть мощности, распространяющейся в ос­новном тракте, направленно ответвляется в побочный тракт. Учитывая это, ответвители можно разделить на два вида: ответвители с равным энергораспределением и от­ветвители с неравным энергораспределением, то есть

Ответвители с играют настолько важную роль в технике сверхвысоких частот, что их выделили в особый класс направленных ответвителей – класс гиб­ридных соединений. Ответвители с неравным энергораспределением различаются в зависимости от характера неравенства

Очевидно, элементы связи направленного ответвителя любого типа можно рассматривать как отрезки линии пе­редачи определенной длины, конфигурации и критичес­кой длины волны. С этой точки зрения направленные от­ветвители можно также разделить на две группы. В пер­вую группу войдут направленные ответвители, элементы связи которых представляют собой запредельные линии передачи для СВЧ колебаний, распространяющихся в ос­новном и побочном трактах. Во вторую группу войдут направленные ответвители, элементы связи которых пред­ставляют собой линии передачи, критическая длина волны которых больше или равна критической длине волны основного и побочного СВЧ трактов.

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 сверхвысоких частот 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 приемнике; для получения необходимых амплитуд­ных и фазовых соотношений между сигналом в основ­ной линии и в ответвленной линии (например, в трехдецибельных щелевых мостах и т. п.); для определения ве­личины проходящей мощности и коэффициента стоячей волны; для переменной связи с основной линией пере­дачи и т. д.

Как уже отмечалось, вопросы создания систем дальней связи, и регулирования с использованием волноводной техники уже стоят на повестке дня. Все чаще в зару­бежной литературе появляются работы по применению гибридных соединений в совокупности с другими элемен­тами сверхвысоких частот в этих системах. Достаточно сослаться на работы Миллера [11] и Маркатили [12], в ко­торых описывается применение гибридных соединений в фильтрах с разделенными поло-сами, каждая из которых шириной в несколько октав [2].

Основное достоинство направленных ответвителей как элементов связи перед другими видами связи в линиях передач (зондами, щелями, окнами и т. л.) заключается в слабой реакции, оказываемой на основную линию пере­дачи.

Многообразное применение направленных ответвите­лей в измерительной технике сверхвысоких частот объяс­няет то большое внимание, которое уделяется в настоя­щее время вопросам конструирования широкополосных направленных систем.

 

СВЯЗЬ ДВУХ ВОЛНОВОДОВ ЧЕРЕЗ МАЛОЕ ОТВЕРСТИЕ

Итак, направленный ответвитель, представляя собой полностью согласованное четырехплечное разветвление, включает механизм связи (область связи) и… Область связи – совокупность некоторого числа опре­деленного типа элементов… Простейшей областью связи является одно отверстие, которое обладает собственной направленностью. При конструировании…

ПРОСТЕЙШИЕ ТИПЫ НАПРАВЛЕННЫХ ОТВЕТВИТЕЛЕЙ

Эффект направленного ответвления энергии электро­магнитных колебаний можно получить, используя воз­буждение вторичного тракта (вспомогательного… Познакомившись с путями расчета переходного ос­лабления отдельных элемен­тов… Ответвитель Бете. Одна из ранних конструкций на­правленных ответвителей (с круглым отверстием связи посредине широкой…

ОТВЕТВИТЕЛИ СО ВЗАИМНО ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫМИ ВОЛНОВОДАМИ

Другой простейшей конструкцией направленного ответвителя является ответвитель со взаимно перпендику­лярными волноводами. В качестве элемента связи в… В данном случае, если x0 = k0, компоненты элект­рического и магнитного полей…

НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ С НЕНАПРАВЛЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СВЯЗИ

Направленный ответвитель можно получить и при ис­пользовании ненаправленных элементов связи. Не­направленным элементом связи называется такой… Примером элемента связи, который не обладает направленностью, является… Каждое отверстие связи возбуждает во вспомогатель­ном волноводе пару волн с амплитудой А, причем воз­бужденная волна…

НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ С МНОГИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СВЯЗИ

Направленный ответвитель с числом элементов связи n+1 является дальнейшим развитием ответвителя с двумя элементами связи. Влияние увеличения числа… Рис. 21. Схематическое изображение и объяснение работы трех­элементного направленного ответвителя.

НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ С ОДИНАКОВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СВЯЗИ

Рассмотрим случай, когда направленный ответвитель представляет собой систему элементов связи с равными геометрическими размерами, разнесенных на… Расчет параметров направленного ответвителя проведем при следующих… Тогда для вспомогательного волновода справедливы соотношения:

НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ

С ОПТИМАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ

НАПРАВЛЕННОСТИ

Итак, в предыдущих разделах было показано, что для работы направленного ответвителя интерференционного типа с числом элементов связи более двух… Направленный ответвитель, очевидно, будет идеаль­ным, если в некотором… В данном случае аппроксимирующая функция равна величине амплитуды суммарной волны в обратном на­правлении,…

КАСКАДНОЕ СОЕДИНЕНИЕ НАПРАВЛЕННЫХ ОТВЕТВИТЕЛЕЙ

Получение небольших значений переходного ослабле­ния в диапазоне волноводного канала (практически ме­нее 17 дб) в направленных ответвителях… Для получения меньших значений переходного ослаб­ления применяется несколько… Если каждый отдельный направленный ответвитель рассматривать в сечении его первого отверстия связи как одиночный…

СИНУСНЫЕ» НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ

Разновидностью ответвителей со многими элементами связи являются так называемые «синусные» направлен­ные ответвители. Эти ответвители отличаются от… (59) где k – номер элемента связи, Ns – общее число элементов связи, σ – коэффициент, связанный с переходным…

НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ С МНОГИМИ НАПРАВЛЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СВЯЗИ

Методы расчета направленных ответвителей с нена­правленными элементами связи, изложенные в предыду­щих разделах, при определенных дополнительных… Рассмотрим возможность применения чебышевского распределения к «риблетовским»… Используя выражение (17), получим соотношения, определяющие все свойства «риблетовского» элемента связи:

ОСОБЕННОСТИ ОТВЕТВИТЕЛЕЙ

С МНОГИМИ КРУГЛЫМИ ОТВЕРСТИЯМИ СВЯЗИ

В ШИРОКОЙ СТЕНКЕ ВОЛНОВОДА

Известно, что круглое отверстие связи, расположен­ное на широкой стенке волновода, является натравлен­ным элементом связи (|А|≠|F|), причем… С учетом толщины общей стенки собственная направ­ленность круглого отверстия… (76)

ЩЕЛЕВЫЕ ВОЛНОВОДНЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ

ОТВЕТВИТЕЛИ С КОРОТКОЙ ЩЕЛЬЮ В ОБЩЕЙ УЗКОЙ СТЕНКЕ

Ответвители с короткой щелью в общей узкой стенке являются своеобразным типом ответвителей, в которых интерферируют две волны фазных типов. До сих… Рассмотрим соединение из двух волноводов с общей стенкой, часть которой… Волна Н10, возбуждаемая в плече l, достигнув начала щели l, возбудит в общей области соединения с размера­ми…

НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ ТИПА ЩЕЛЕВОЙ МОСТ НА КРУГЛЫХ ВОЛНОВОДАХ

Волноводный щелевой мост имеет постоянное пере­ходное ослабление, обусловленное величиной его области связи. В ряде случаев требуется подстройка… Моста обладает мост на круглых волноводах [29]. Мост состоит из двух круглых волноводов, один из которых располо­жен…

ЩЕЛЕВЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ СО СВЯЗЬЮ ПО ШИРОКОЙ СТЕНКЕ

Щелевой направленный ответвитель с общей широкой стенкой главного и вспомогательного волноводов может быть сконструирован следующим образом [31]. По… Рассмотренные случаи конструирования щелевых мо­стов показывают, что…  

ШЛЕЙФОВЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ

Среди направленных широкополосных систем особое место занимают шлейфовые направленные ответвители, которые, обладая направленностью выше 30 дб,… Среди трехдецибельных ответвителей, так называе­мых гибридных соединений, типа… Шлейфовые направленные ответвители применяются в качестве трехдецибельных делителей мощности, фазовращателей,…

СВЯЗЬ ДВУХ ВОЛНОВОДОВ ПО ШИРОКОЙ СТЕНКЕ ЧЕРЕЗ ВОЛНОВОДНЫЙ ШЛЕЙФ

Рассмотрим два волновода I и II сечением a×b, свя­занные через волноводный шлейф произвольной длины l, сечением a×bш (рис. 41 а). Задача вычисления величины связи через шлейф го­раздо проще решается с помощью…

СВЯЗЬ ДВУХ ВОЛНОВОДОВ ПО ШИРОКОЙ СТЕНКЕ ЧЕРЕЗ ОДНОРОДНЫЕ ВОЛНОВОДНЫЕ ШЛЕЙФЫ

Пусть два волноводных канала соединены двумя оди­наковыми волноводными шлейфами по широкой стенке. Тогда такое соединение можно свести к… Полагая, что длина отрезка L мало меняется в рабочей полосе частот,…

РАСЧЕТ ШЛЕЙФОВОГО НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ

Расчет шлейфового направленного ответвителя можно провести одним из способов, описанных в первой главе (стр. 44–62), используя для определения… Для примера проведем расчет шлейфового направлен­ного ответвителя чебышевского…

МАТРИЧНЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ШЛЕЙФОВОГО НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ

За рубежом получил широкое распространение матричный метод расчета шлейфового ответвителя, осно­ванный на концепции четного и нечетного мода. Этот… При анализе шлейфового натравленного ответвителя можно предположить, что если… Пусть в плечо 1 ответвителя (рис. 47 а, б) поступает сигнал единичной амплитуды. Тогда при условии направ­ленности…

КОАКСИАЛЬНЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ

По вопросам конструирования коаксиальных направленных ответвителей, то есть ответвителей на коаксиаль­ных линиях передачи, имеется значительно…   СИСТЕМЫ, ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ПЕТЛЕВЫМ И ЩЕЛЕВЫМ ОТВЕТВИТЕЛЯМ

РАСЧЕТ ЗНАЧЕНИИ КC и KL КОАКСИАЛЬНЫХ НАПРАВЛЕННЫХ ОТВЕТВИТЕЛЕЙ

При допущениях, указанных в предыдущем разделе, величины емкостей С11 и С22 на единицу длины приме­нительно к системе, представленной на рис. 51,… (145) Взаимная емкость связанных линий выражается со­отношением [43]:

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ НАПРАВЛЕННОГО

ОТВЕТВИТЕЛЯ ЧЕРЕЗ СОПРОТИВЛЕНИЯ

СИНФАЗНОГО И ПРОТИВОФАЗНОГО

ВОЗБУЖДЕНИЯ

Как уже отмечалось, области связи петлевых и щелевых коаксиальных направленных ответвителей пред­ставляют собой отрезок трехпроводной линии… Генераторы, соединенные последовательно с нагруз­ками в плечах A1 и В1…

ПРИЛОЖЕНИЕ

 

На рисунках приложения приведены области связи волноводных направленных ответвителей для некоторых сечений волноводных каналов, которые используются в технике сверхвысоких частот. Расчет направленных от­ветвителей проведен в соответствии с методикой, изло­женной в разделе «Каскадное соединение направленных ответвителей». Ответвители с переходным ослаблени­ем 20 дб – однорядные, 10 дб – двухрядные. Ответвите­ли с представленными областями связи обеспечивают направленность не менее 35 дб в диапазоне волнового канала. Перепад переходного ослабления ±0,6 дб. КСВн согласованной нагрузки ответвителя не должен быть хуже 1,02.

Области связи направленных ответвителей. Сечение волноводного канала 17´8 мм.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

 

1. А. Т. Старр. Радиотехника и радиолокация. Издательство «Советское радио», 1960.

2. В. И. Власов, Я. И. Берман. Проектирование высокочастот­ных узлов радиолокационных станций. «Судпромгиз», 1961.

3. Beth H. A. Phys. Rev. 1944, v. 66, № 7.

4. Azh E A. and oth. PIEE. p. C, № 296, p. 432, 1958.

5. Е. Янке, Ф. Эмде. Таблицы функций. Гостехиздат, 1948.

6. Chu L. J. «Jour. Applied Phys»., 9, 1938.

7. Справочник по волноводам. Издательство «Советское радио», 1952.

8. А. Я. Яшкин. «Радиотехника», т. 17, № 12, 1962, стр. 38. ,

9. А. Н. Ахиезер. ЖТФ, XXV, II, 6, 1957, 1294-1300.

10. А. Н. Ахиезер. ЖТФ, XXX, 1959.

11. Miller S.E. «Bell Syst. techn. J.», v. 33; nov. 1954.

12. Marcatili E. A. and Bisbee. «Bell Syst. techn. J.», v. 40, jun 1961.

13. Riblet H., J. Saad T. S. PIRE, v. 36, № 1, 1948.

14. Б. M. Машковцев, Л. 3. Бенсман, А. А. Хохрев. «Радиотех­ника», № 4, 1960.

15. Т. Anderson. «The microwave J.», v. 2, № 5, 1959.

16. Техника измерений на сантиметровых волнах. Под редакци­ей Г. А. Ремеза. Издательство «Советское радио», 1949.

17. Рудольф. Английский патент, класс 40(8), № 801323, 10. 09. 58.

18. Вестник информации, № 16, 1955.

19. Julius Horak, Slaboproudy obzor, 1960, № 2, svarek 21, str. 72 – 78.

20. Саусворт Дж. Принципы и применения волноводной пере­дачи. Издательство «Советское радио», 1955.

21. Я. М. Туровер, Н. И. Старутинский. «Радиотехника и элект­роника», т. 1, № 2, 1956.

22. Levy PIRE. 1959, С, № 337 Е.

23. Я. М. Туровер. «Радиотехника и электроника», т. 2., № 4, 1957.

24. Allerton, «Electronics», v. 32, № 38, 1959.

25. Hensperger E. S. «Microwave J.», 1959, 2, № 8.

26. Patterson. «IRE Trans, on Microwave...», v. MMT-7, № 4, 1959.

27. W. Stosser. «Frequenz» Band 14, № 4, april 1960.

28. Riblet «PIRE, v. 40, № 2, 1952.

29. E. A. Marcatili. «The Bell Syst. techn. J.», jun. 1961.

30. H. В. Лебедев. «Техника и приборы СВЧ», ч. I, издательство «Госэнергоиздат», 1961.

31. Паттерсон. Патент. РЖЭ, № 19, 1959, стр. 191.

32. J. Reed, G. Wheeler. «PIRE», v. 49, № 2, 1961.

33. J. Reed «IRE Trans, on Microwave...», v. MTT-9, № 2, 1961.

34. J. Reed. «IRE Trans, on Microwave...», v. MTT-6, № 4, 1958.

35. L. Young. «IRE Trans, on Microwave...», v. MTT-10, №6, 1962.

36. L. Young., «Proc. Nat. Electron. Cont.», 1956.

37. Oliver В М., PIRE, vol. 42, p.p. 1666–1692, 1954.

38. Nonteath G. D., PIRE pB, № 3, 1955.

39. Lombardini P. P. and oth. «Trans. IRE», v. MTT-4, № 4, 1956.

40. Ryutaro Koike. PIEE, В 108, № 37, 1961.

41. А. А. Пистолькорс. «Научно-технический сборник по элект­росвязи», № 16, 1937.

42. «Radioschau», 2, 1961, 57–64

43. X. Мейнке, Р. Гундлах. Радиотехнический справочник, ч. I, «Госэнергоиздат», 1960.

44. А. А. Пистолькорс. Антенны. «Связьиздат», 1947.

45. W. Burchardtsmaier, W. Buschbeck «Archiv der electrischen fi bertragung». Band 16, april 1962, Heft 4, s. 192–197.

46. Bayer H., Knethy R. Z., Angew. Math, and Phys., 1952, III, s. 271–286.

47. H. M. Советов. Известия высших учебных заведений. «Радио­техника», № 3, 1959.

48. Л. А. Цейтлин. Индуктивость проводов и контуров. Гос­энергоиздат, 1950.

 

 

ОГЛАВЛ ЕНИЕ

  Волноводные направленные ответвители с элементами связи малых… Параметры направленных ответвителей....……………………3