40. ЧЕТЫРЕХПЛЕЧНЫЕ РАЗВЕТВЛЕНИЯ И НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ

Направленные ответвители [2]

При изложении мостовых методов измерений уже упоминалось о волноводном разветвлении рис. 40.1, получившем название «двойной тройник». Поперечное сечение волноводов этого устройства выбрано таким образом, что по ним может распространяться только волна типа Если линии имеют одинаковые нагрузки, в частности, равные их волновому сопротивлению, а генератор подключен к линии то силовые линии электрического поля в двойном тройиике должны будут, очевидно, обладать зеркальной симметрией относительно плоскости симметрии Так как в линии в случае волны типа они должны быть направлены или слева направо, или справа налево, а никакой из этих случаев не отвечает требованиям симметрии относительно плоскости то очевидно, что в линии вообще не может возникнуть электромагнитное поле.

Рис. 40.1. Двойной тройник.

Приведенный пример показывает, что существуют такие четырехплечные разветвления без потерь (рис. 40,2), у которых по линии энергия не распространяется, если линии нагружены на их волновое сопротивление, а подача энергии осуществляется через линию

Для более подробного исследования таких устройств целесообразно применить матрицу рассеяния (36.4). Если подача энергии осуществляется через линию то Предположим, что все другие линии нагружены на свои волновые сопротивления, тогда Так как на выходе линии энергия отсутствует, т. е. то в матрице рассеяния Из симметрии матрицы рассеяния следует, что Последнее означает, что при питании схемы через линию энергия на выходе линии также должна отсутствовать.

При Подаче энергии через линию и согласованных нагрузках во всех других линиях в линии можно измерить некоторое полное сопротивление. Посредством включения надлежащего трансформатора например диафрагмы, это сопротивление может быть трансформировано в волновое сопротивление линии

Рис. 40.2. Четырехплечное разветвление.

Рис. 40.3. Направленный ответвитель.

Аналогичным образом в линию можно ввести такой трансформатор при котором измеряемое со стороны линии входное сопротивление двойного тройника будет равно волновому сопротивление этой линии (рис. 40.3). Какая-либо связь между этими трансформаторами отсутствует, так как линии не связаны между собой. При этом в матрице рассеяния видоизмененной схемы так как согласование двойного тройника со стороны линий означает, что

Матрица рассеяния построенной схемы примет, таким образом, следующий вид:

Применяя к ней соотношения (36.5) и учитывая, что получаем:

Сравнивая сумму первых двух строк с суммой двух последующих, можно получить

Поскольку Слагаемые Всегда положительны, должно выполняться равенство Таким образом, из матрицы рассеяния вида (40.1) следует непосредственно матрица вида

Последнее означает, что если линии схемы, изображенной «а рис. 40.3, нагрузить «а волновые сопротивления, а энергию подводить по линии то в линию энергия уже не будет поступать и, наоборот, если питание осуществить через линию то энергия не поступит в линию Четырехплечное разветвление со свойствами схемы рис. 40.3 получило название «направленного ответвителя».

Предположим, что энергия к согласованному относительно всех своих выходных зажимов направленному ответвителю подается через линию Тогда для любой плоскости поперечного сечения А линии в линии имеется отсчетная плоскость С, которой соответствует то же самое значение фазы. Это означает, что относительно данных отсчетных плоскостей будет положительным действительным числом. Одновременно в линии можно выбрать плоскость поперечного сечения так, что фазы волн в сечениях будут отличаться друг от друга на 90°, и, таким образом, становится чисто мнимым числом, равным Предположим далее, что к генератору подключена линия направленного ответвителя. Очевидно, что всегда можно выбрать поперечное сечение В, в котором волна будет иметь ту же фазу, что и волна в сечении А так что также становится некоторым действительным и положительным числом Из равенства

следует тогда, что а из соотношения

что

Наконец, учитывая, что можно записать

Таким образом, относительно специально выбранных отчетных плоскостей матрица рассеяния направленного ответвителя принимает вид

При этом коэффициенты называемые «коэффициентами связи», характеризуют отношение, в котором подведенная по линии мощность распределяется между линиями Например, в двойном тройнике, где вследствие симметрии мощность делится пополам, Равенство нулю диагональных членов матрицы рассеяния направленного ответвителя означает, что последний является согласованным со стороны любой из подсоединенных к нему линий при подключении к выходным зажимам всех остальных линий согласованных нагрузок. Таким образом, направленный ответвитель является полностью согласованным устройством.

Закон 40.1

Направленный ответвитель является полностью согласованным устройством, и, наоборот, любое полностью согласованное четырехплечное разветвление является направленным ответвителем.

Доказательство обратного положения основано на соотношениях (36.5). Подробно этот вопрос здесь не рассматривается.

Четырехплечное разветвление общего вида

Для четырехплечного разветвления общего вида без потерь справедлив следующий закон.

Закон 40.2

Четырехплечное разветвление без потерь можно или превратить в направленный ответвитель путем включения соответствующих трансформаторов в три подключенные к нему линии, или представить в виде последовательного соединения двух шестиполюсников без потерь (рис. 40.4) [2].

Предположим, что энергия в четырехплечное разветвление (рис. 40.2) поступает через линию а в линиях и размещены короткозамыкающие поршни. При

неизменном положении короткозамыкающего поршня линии схема является шестиполюсником. Поэтому в линии имеется такое положение короткозамыкающего поршня, которое обусловливает разрыв между линиями При этом узел напряжения в линии будет располагаться в некоторой точке Аналогичным образом для некоторого второго положения короткозамыкающего поршня в линии можно найти соответствующие точки в линиях

Так как в обоих случаях линия является изолированной, короткое замыкание, осуществляемое в любой ее точке, не окажет влияния на положение точек В этом случае схема представляет собой шестиполюсник, поэтому данные, касающиеся точек можно получить с помощью характеристической поверхности шестиполюсника (рис. 37.3). При этом видно, что сцещение короткозамыкающих поршней или узлов напряжения в двух линиях в направлении к разветвлению в третьей линии должно вызвать, наоборот, удаление от разветвления узла или места короткого замыкания. Не ограничивая общности рассуждений, можно предположить, что в качестве последней выбрана линия что, таким образом, точки 63 и (рис. 40.2) лежат ближе к разветвлению, а точка удалена от него на большее расстояние.

Рис. 40.4. Последовательное включение двух шестиполюсников.

Двум случаям, соответствующим размещению короткозамыкающих поршней (узлов напряжения) в точках а или в точках отвечают два электромагнитных состояния которые можно наложить друг на друга согласно выражению 39.1.

В результате получим новое электромагнитное состояние, которое соответствует оконечным нагрузкам линий не являющимся уже чисто реактивными. Измерение сопротивления во входной лнии дает также комплексное полное сопротивление Возможно, в частности, наложение, при котором равно волновому сопротивлению линии При этом в линию можно включить соответствующий трансформатор так, что и эта линия будет нагружена на сопротивление равное волновому сопротивлению линии Это видоизмененное

четырехплечное разветвление можно затем, как уже отмечалось выше, с помощью двух других трансформаторов, включаемых в линии превратить в направленный ответвитель.

В приведенных выше рассуждениях предполагалось, что точки ни в одной из линий не совпадают. Если оказывается, однако, что они совпадают, например, в линии то в выражении 39.1 для этой линии становится равным нулю и при наложении состояний в линии всегда имеет место чисто стоячая волна с фиксированным положением узла напряжения. При этом будем иметь тот же случай, что и представленный на рис. 40.4, где путем короткого замыкания в некоторой точке линии можно прекратить подачу мощности в линию В зависимости от выбора значений выражение 39.1 будет описывать передачу мощности из линии в линию или из

Если в уравнении 39.1 для линии положим, в частности, то в линии вообще, будет отсутствовать электромагнитное поле. Равенство означает, кроме того, что в линиях имеют место стоячие волны. Следовательно, в линии (это справедливо также для случая рис. 40.4) короткое замыкание можно осуществить в такой точке что прекратится подача мощности из линии как в линию так и в Аналогичным образом короткое замыкание, осуществляемое в надлежащем сечении линии вызывает изоляцию линии как от линии так и от

Наконец, в устройство (рис. 40.2) можно подать энергию через линию При этом, если короткое замыкание в точке линии приводит к прекращению передачи мощности из линии или в линию то и, наоборот, оно также должно воспрепятствовать передаче мощности, поступающей из линии вследствие чего в линии Узел «апряжения будет находиться в определенной точке В результате короткого замыкания в произвольном сечении линии разветвление становится шестиполюсником. Если короткое замыкание в точке линии прерывает передачу Мощности из линии в линию то и, наоборот, короткое замыкание в точке линии обусловливает также разрыв между линиями Аналогичные рассуждения показывают, что короткое замыкание в точке линии одновременно вызывает разрыв между линиями Таким образом, четырехплечное разветвление

в отношении всех своих свойств совпадает со схемой рис. 40.4. Может оказаться также, что та или иная подключаемая линия, вообще, не связана с другими линиями.

Метод измерений, основанный на применении короткозамыкающих поршней

Предположим, что для случая, когда ни в одной из линий (рис. 40.2) положения поршней или узлов при наложении двух электромагнитных состояний не совпадают, получены значения оконечных полных сопротивлений при подключении которых передача мощности из линии в линию прекращается. Короткое замыкание, осуществляемое при этом в любом сечении линии превращающее устройство в шестиполюсник, не вызовет, никаких изменений электромагнитного состояния. Поэтому при определении характеристик согласующих трансформаторов здесь можно воспользоваться данными, приведенными в § 39.

Как уже говорилось, вначале можно произвольно выбрать линию, в которую не будет включаться трансформатор (например, линию Координату поршня или узла напряжения в этой линии следует затем откладывать по оси абсцисс, а по оси ординат откладывать соответствующие координаты поршней или узлов напряжения в двух других линиях, при которых происходит прекращение передачи мощности в линию В результате получаются две кривые, которые согласно изложенному в § 39 являются кривыми закона трансформации, так как определенные положения поршня соответствуют вполне определенным значениям полных сопротивлений, получаемых при надлежащем наложении, соответствующем выражению (39.1). Таким способом определяются параметры трансформаторов, включаемых в линии

Осуществляя подачу энергии в четырехплечное разветвление через линию можно аналогичным способом определить параметры трансформатора, включаемого в линию

Так же, как это описано в § 39, можно посредством измерения положений короткозамыкающего поршня определить, в каком отношении мощность, поступающая в линию делится между линиями т. е. найти коэффициенты связи Для этой цели короткозамыкающий поршень помещают в произвольную точку изолированной

линии в то время как в линиях короткозамыкающие поршни размещают в обусловливающих разрыв положениях Затем определяют координату узла напряжения в линии Небольшое смещение поршня в линии делает необходимым сдвиг на точки короткого замыкания в линии при условии, что узел напряжения остается в точке Если в линиях еще не включены согласующие трансформаторы, следует, используя упомянутые выше кривые закона трансформации, пересчитать в соответствующие согласованию смещения Обозначим активную мощность, передаваемую из линии в линию через а мощность, поступающую в линию через Тогда можно записать

Некоторые типы направленных ответвителей

Рис. 40.5 поясняет общий принцип, положенный в основу направленных ответвителей. Волна, входящая в линию может поступать в линию двумя различными путями. Если последние отличаются друг от друга на половину длины волны, то в соответствующих нагрузках, подключаемых к линиям, произойдет полное взаимное погашение составляющих исходной волны.

Рис. 40.5. Схема, иллюстрирующая общий принцип, положенный в основу направленных ответвителей.

Рис. 40.6. Направленный ответвитель из двух расположенных параллельно волноводов. Расстояние между отверстиями связи равно

Очевидно, что рассматриваемое устройство всегда можно превратить в направленный ответвитель.

Электрические длины отрезков на рис. 40.5 в отдельных случаях могут быть равны нулю. Это имеет место, например, в часто применяемом направленном ответвителе, изображенном на рис. 40.6, где два волновода связаны

между собой через отверстия связи, расположенному друг от друга на расстоянии, равном четверти длины волны. Так как пути от линии через различные отверстия связи к линии отличаются друг от друга на половину длины волны энергия входящей в волны, при идеальном согласований оконечных нагрузок всех линий, в линию поступать не будет, часть же ее энергии, зависящая от размеров отверстий связи, пройдет в линию Такого рода устройство применяется, например, для измерения проходящей мощности. Для этого в линию помещают детектор, а к линии L (подключают согласованную нагрузку, например одну из изображенных на рис.

Другим типом направленного ответвителя является так называемый ответвитель Бете (рис. 40.7).

Рис. 40.7. Направленный ответвитель Бете.

Рис. 40.8. Принцип Действия ответвителя Бете.

В этом случае два волновода, по которым распространяются волны типа связаны только через одно отверстие, расположенное посредине их широких стенок (рис. 40.8). При этом возникает связь как электрическая, посредством электрических (сплошных) линий, так и магнитная, посредством магнитных силовых линий или токов (изображены пунктиром). Линии тока, прерываемые отверстием, изгибаются и проникают в смежный волновод, вызывая там по одну сторону от отверстия приток, а по другую — утечку зарядов. Вследствие этого возникают новые силовые линии электрического поля (показаны штриховыми линиями), которые в примере, представленном на рис. 40.8 (направления стрелок соответствуют волне, бегущей по волноводу слева направо), вызывают усиление электрического поля слева от отверстия связи и ослабление поля справа от него. Более точные исследования показывают, что магнитная связь посредством токов является более сильной. Поворачивая один из волноводов вокруг оси отверстия, связь можно ослабить и установить такой, что электрическое поле справа от отверстия полностью исчезнет.

Волна, поступающая в линию в этом случае в верхнем волноводе возбуждает волну, распространяющуюся в направлении При наличии согласованной оконечной нагрузки между линиями а также между имеет место разрыв.