3.3. НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ

3.3.1. Элементы с собственной направленностью

Можно показать [105], что любое полностью согласованное четырехплечее соединение ведет себя как направленный ответвитель. В дальнейшем будет предполагаться, что плечи 1 и 2 являются соответственно входным и выходным, а плечи 3 и 4 — вспомогательными. Матрица рассеяния направленного ответвителя имеет вид

где

Равенство нулю элементов главной диагонали указывает, что соединение полностью согласовано, в то время как равенство нулю элементов другой диагонали свидетельствует об отсутствии связи между плечами 1 и 4, а также 2 и 3. Коэффициент связи и направленность определяются соответственно через отношения мощностей Существует множество различных типов

направленных ответвителей [10, 55, 78, 142], которым посвящено значительное количество работ [148, 220, 224, 259]. Направленные ответвители, в частности, могут быть использованы как согласующие устройства [69].

Собственная направленность обнаруживается даже одним отверстием связи. Рассмотрим, например, устройство, показанное на рис. 3.9, а, где связь осуществляется через круглое отверстие. Если предположить, что основной и вспомогательный волноводы одинаковы, параллельны и размеры их выбраны так, что то [165].

Рис. 3.9. Элементы с собственной направленностью: а — одно отверстие связи; б — два отверстия связи; в — двойная щель, или крестообразная диафрагма.

Легко видеть, что отношение отличается от единицы. Когда обращается в бесконечность. На других длинах волн направленность падает согласно уравнениям (3.20) и (3.21). Направленность может быть восстановлена и в случае к если расположить волноводы под углом друг к другу, величина которого равна

Небольшое отражение, возникающее в основном волноводе из-за отверстия связи, может быть устранено согласующей диафрагмой. С помощью эллиптической диафрагмы [48] при надлежащем выборе ее положения и эксцентриситета направленность может быть сделана бесконечной на любой избранной длине волны. Используются также и коаксиальные ответвители с одним отверстием связи [57, 72].

Весьма прост в изготовлении направленный ответвитель, состоящий из двух волноводов, пересекающихся под прямым углом. Одиночное отверстие, расположенное на общей диагонали на расстоянии от внутренней стенки, создает направленность [165, 227, 255]

Частотная чувствительность коэффициента связи равна нулю, если но идеальная направленность при любых условиях невозможна. В типичном случае [4] для волновода сечением при на частоте были получены коэффициент связи —29,2 дб и направленность при .

Лучшие результаты получаются с помощью устройства, показанного на рис. 3.9, б, в котором два отверстия расположены в углах квадрата со стороной в четверть длины волны. Ухудшение направленности, обусловленное связью через электрическое поле, можно уменьшить, если отверстия будут излучать в короткие отрезки волноводов, соединяющие главный волновод со вспомогательным. Электрическую связь можно также снизить, пользуясь двумя щелями, расположенными, например, так, как показано на рис. 3.9, в. Если М — магнитная поляризуемость каждой щели, то мощность в вспомогательном волноводе равна нулю и

Связь и направленность не зависят от частоты при условии, что щели далеки от резонанса. Связь максимальна, когда и ее величина для волновода сечением и щелей размером составляет —46,6 дб.

Другим элементом с собственной направленностью является пара отверстий или щелей, расположенных друг от друга на расстоянии, равном четверти длины волны. Практически благодаря эффекту взаимодействия расстояние между ними несколько отличается от указанного [142]. Зависимость от частоты улучшается [179], если в волновод между отверстиями связи ввести небольшие диэлектрические пластины. Рибле и Саад применяли две щели, прорезанные в общей широкой стенке двух волноводов [136], при этом центральная поперечная щель обеспечивала связь по поперечному магнитному полю, а боковая щель — по продольному. При правильном выборе поляризуемостей этих двух щелей на заданной частоте можно получить бесконечную направленность! В этом случае переходное ослабление является стационарной функцией частоты.

В коаксиальных линиях и на нижней границе диапазона сверхвысоких частот применяют направленный ответвитель с собственной направленностью, известный под названием рефлектометра [44, 120, 186]. Устройство состоит из петли, один конец которой через сопротивление соединен с внешней стенкой линии передачи, а другой конец — с внутренним проводником вспомогательной коаксиальной линии. Размеры петли гораздо меньше длины волны, поэтому она обеспечивает лишь слабую связь с поперечными электрическим и магнитным полямп волны, распространяющейся в главной линии передачи [88]. Если индуктивность петли,

- последовательное сопротивление и волновое сопротивление вспомогательной линии, то ток, возникающий благодаря связи по магнитному полю, равен

где площадь петли, спроектированная на плоскость, перпендикулярную магнитному полю.

Ток, возникающий благодаря связи по электрическому полю, равен

где эффективная площадь петли, перпендикулярная электрическому полю Е, силовые линии которого пронизывают петлю.

Если путем соответствующего выбора параметров цепи сделать равным то ток в выходной линии для волны одного из направлений будет отсутствовать, в то время как для волны другого направления амплитуда тока будет равна 21 и. При этом необходимо, чтобы

где волновое сопротивление основной линии передачи.

В типичном рефлектометре [4] для частоты использующем волновод с сечением величина составляет около 500 ом. В этом случае

и не зависит от В настоящее время используются миниатюрные угольные сопротивления, эффективная высокочастотная величина которых составляет около 30 ом. Петля радиусом обеспечивает ослабление 37 дб и разрешающую способность 40 дб в диапазоне частот и 30 дб в диапазоне Из-за рассеяния в сопротивлении максимальный поток мощности в главном волноводе должен быть ограничен величиной

Если через стенку волновода ввести чисто индуктивную петлю и вращать ее в той плоскости, где магнитное поле имеет круговую поляризацию, то амплитуда наводимого в петле сигнала будет оставаться постоянной вне зависимости от ориентации петли. Фаза сигнала, однако, зависит от направления круговой поляризации и, следовательно, от направления распространения волны [203, 266]. Простая проволочная петля обеспечивает связь и по электрическому полю, поэтому для устранения емкостной составляющей тока необходимо использовать отдельный зонд, критически связанный с петлей. Чисто индуктивную связь можно также получить, заканчивая основную петлю другой петлей, которая затем связывается с видом колебаний во вспомогательной линии только индуктивно 167].