Волноводный щелевой мост

Наиболее распространенная конструкция Н-плоскостного щелевого моста представлена на рис. 21.4.1(переходы для подключения волноводов к плечам моста на рисунке не показаны). Чтобы не усложнять изложения, будем полагать бесконечно тонкой толщину металлической боковой стенки, общей для волноводов в плечах 1 и 4, а также в плечах 2 и 3. Практически толщина этой стенки редко превышает 4,6-3 мм.

Пусть плечи 2, 3 и 4 щелевого моста натружены на согласованные нагрузки, а в плече 1 возбуждена волна , амплитуду которой положим равной единице. Отсутствие возбуждения в плече 4 можно рассматривать как результат одновременного воздействия на плечо 4 двух противофазных волн с амплитудой, равной 0,5. Волну единичной амплитуды в плече 1 можно рассматривать как сумму двух синфазных волн Н₁₀ с половинной амплитудой. Поэтому возбуждение плеча 1 волной единичной амплитуды (рис. 21.4.2а) и отсутствие поля в плече 4 эквивалентно одновременному возбуждению плеч 2 и 4 по следующим двум схемам:

- плечи 1 и 4 -возбуждены в иротивофазе волнами половинной амплитуды (рис. 2i 1.4.26');.

- плечи 1 и 4 возбуждены синфазно волнами половинной амплитуды (рис. 21.4.2s).

Две противофазные волны в плечах 1 и 4 составляют одну волну , распространяющуюся в волноводе удвоенной ширины. Эта волна, распространяясь в области щели ( на рис. 21.4.26), получает фазовый сдвиг, равный

(21.4.1)

где - длина.щели, и (21.4.2)

Вплечах 2 и 3 волна снова распадается на две противофазные волны . Временная векторная диаграмма полей в плечах моста при противофазном возбуждении имеет вид, изображенный на рис. 21.4.3а. При синфазном возбуждении (рис. 21.4.2в) плечи 2 и 4 возбуждены в фазе. Bo всех точках, расположенных вдоль средней линии щели, поля, возникающие за счет излучения энергии из волноводов 1 и 4 в область щели, складываются в фазе. Благодаря этому в волноводе шириной возбуждаются только те колебания, которые имеют пучность электрического поля в точке , т. е. энергия двух волн , распространяющихся в плечах 1 и 4, трансформируется в энергию волн и т. д.

Выберем размеры волноводов, образующих щелевой мост так, чтобы во всем рабочем диапазоне моста из всего бесконечного спектра волн в волноводе удвоенной ширины распространялась волна и не распространялись волны . и т. д. Для этого необходимо, чтобы соблюдалось условие (21.4.3)

где - минимальная длина волны рабочего диапазона моста.

Фазовая скорость волны в волноводе шириной согласно (14.1,30) равна , (21.4.4)

а фазовая скорость волн того же типа в узких волноводах (плечи 1 и 4) равна .(21.4.5)

Так как , то в сечении =0 (см. рис. 21.4.2s) имеет место скачок фазовой скорости. Таким образом, переход синфазной волны из узких волноводов в широкий эквивалентен переходу волны из среды с одним коэффициентом преломления в среду с другим коэффициентом преломления. Соответственно в месте перехода возникает отраженная волна (см. рис. 21.4.2в). По этой же причине возникает отраженная волна при переходе из широкого волновода в узкие. Для компенсации отраженной волны в мост вводят согласующие элементы: индуктивные или емкостные штыри. На рис. 21.4.1 показаны согласующие элементы в виде двух индуктивных штырей.

Bсогласованном щелевом мосте вся энергия синфазных волн , поступающих из плеч 1 и 4, преобразуется в энергию волны широкого волновода. Распространяясь по волноводу, эта волна отстает на угол (21.4.6)

где ,(21.4.7)

и при переходе из широкого волновода в узкий снова распадается на две синфазные волны в плечах 2 и 3. Соответствующая векторная диаграмма полей в плечах моста изображена на рис. 21.4.36.

Для определения полных полей во всех плечах моста следует просуммировать поля, векторная диаграмма которых изображена на рис. 21.4.3а, с соответствующими полями, векторная диаграмма которых изображена на рис. 21.4,36. Результаты сложения показаны на рис. 21.4.4а. Как видно из рисунка, рассматриваемое устройство при произвольных значениях и не обладает свойствами моста, так как . Однако, если так подобрать длину щели, чтобы

(21.4.8)

то векторная диаграмма будет иметь вид, изображенный на рис. 21.4.46, и рассматриваемое устройство приобретает свойства моста. Отметим, что при выполнении равенства (21.4.8) волна в плече 3 отстает пофазе от волны в плече 2 на 90° (см. рис. 21.4.46).

Необходимая длина щели определяется из равенства (21.4.8) после подстановки в него вместо и их значений из (21.4.1) и (21.4.6):

(21.4.9)

Тождественными свойствами обладает щелевой мост при возбуждении любого другого плеча:

- энергия, поступающая в любое плечо щелевого моста, делится поровну между двумя противолежащими плечами. В смежное плечо при наличии согласующих элементов энергия не поступает; •

- сдвиг фаз между полями в плечах, противолежащих входному, равен 90°, причем опережает по фазе волна в том плече, продольная ось которого совпадает с продольной осью входного плеча (например, плечи 1 и 2 на рис. 21.4.2).

Преимуществами щелевого моста перед мостами другого типа являются: простота его конструкции; отсутствие элементов, снижающих его пробивную прочность (при согласовании индуктивными шпильками), а также широкий рабочий диапазон, в пределах которого сохраняется почти равное деление мощности между двумя плечами.

Квадратные мосты

Коаксиальный квадратный мост представляет собой симметричное последовательное или параллельное сочленение отрезков коаксиальной линии. При параллельном сочленении волновые проводимости и длина отрезков подбираются обычно, как показано на рис. 21.5.1. На этом же рисунке указаны размеры элементов моста. Аналогично выполняется квадратный мост из прямоугольных волноводов.

Возбуждение плеча 1 волной единичной амплитуды эквивалентно одновременно синфазному и противофазному возбуждению плеч 1 и 4 волнами половинной амплитуды. Эпюра напряжений и токов в элементах моста при синфазном возбуждении плеч 1 и 4 и включении согласованных нагрузок в плечах 2 и 3 изображена на рис. 21.5.2. В точках Е и F моста, равноудаленных как от входа 1, так и от входа 4, напряжения, создаваемые синфазными волнами, складываются в фазе, а токи вычитаются, что соответствует режиму холостого хода в сечении линий, где расположены точки Е и F. Очевидно, что указанное на рис. 21.5.2 распределение тока и напряжения не изменится, если действительно осуществить режим холостого хода, т. е. если разомкнуть линии в точках F и Е. Поэтому анализ моста при синфазном возбуждении сводится к анализу двух одинаковых и не связанных друг с другом сочленений, изображенных на рис. 21.5.3.

Входная проводимость разомкнутых на конце отрезков линий АЕ и BF длиной согласно (16.3.8) равна

(21.5.1)

Четвертьволновый отрезок линии между точками А и В с волновой проводимостью трансформирует в соответствии с (19.3.4) проводимость , на которую он нагружен, в (21.5.2)

где (см. рис. 21.5.3) и (21.5.1)) (21.5.3)

Подставляя (21.5.3) в (21.5.2), получаем (21.5.4)

Линия в плече 1 с волновой проводимостью напружена на сопротивление с проводимостью: (21.5.5)

которая с учетом (21.5.1) и (21.5.4) равна (21.5.6)

Таким образом, плечо 1, как и плечо 4, при синфазном возбуждении нагружено на сопротивление, равное волновому, и поэтому вся энергия из плеча 1 проходит в плечо 2. Аналогичным образом вся энергия из плеча 4 поступает в плечо 3. Электромагнитная волна, проходя из плеча 1 в плечо 2, (либо из плеча 4 в плечо 3) отстает по фазе на угол, равный

(21.5.7)

где и - сдвиг по фазе, приобретаемый волной при прохождении соответственно точек А и В, а - сдвиг по фазе, получаемый волной при прохождении отрезка АВ.

Так как , то (21.5.8)

В точке А линия с волновой проводимостью нагружена на два параллельно включенных сопротивления: входное сопротивление шлейфа АЕ, равное (см. 21.5.1), и входное сопротивление отрезка АВ линии с волновой проводимостью . (Поэтому коэффициент отражения в точке А согласно (16.3.7) равен

Комплексная амплитуда напряженности электрического поля на входе отрезка АВ (в точке А) равна сумме комплексных ампли­туд падающей и отраженной волн, т. е. пропорциональна величине

(21.5.9)

Как следует из равенства (2l.5.9), волна в отрезке линии АВ возбуждается со сдвигом по фазе, равным

(21.5.10)

В точке В линия с волновой .проводимостью нагружена на два параллельно включенных сопротивления: входное сопротивление шлейфа BF, равное (см. (21.6.1)), и входное сопротивление отрезка линии с волновой проводимостью . Соответственно

(21.5.11)

Как следует из равенства (21.5.ll), волна на входе плеча 2 возбуждается со сдвигом по фазе, равным

(21.5.12)

Подставляя в (21.5.7) вместо и их значения из (21.5.8), (21.5.10) и (21.5.12), получаем

(21.5.13)

Временная векторная диаграмма полей в плечах моста при синфазном возбуждении показана на рис. 21.5.4а.

Эпюра токов и напряжений в элементах моста при противофазном возбуждении плеч 1 и 4 представлена на рис, 21.5.5. В отличие от случая синфазного возбуждения, ток в точках Е и F достигает максимума, а напряжение равно нулю. Поэтому анализ моста опять сводится к анализу двух одинаковых и не связанных друг с другом сочленений, изображенных на рис. 24.5.6 и состоящих из отрезков линии, соединяющих плечи 1, 2 и 4, 3, к которым подключены короткозамкнутые отрезки длиной . Входная проводимость коротко замкнутых отрезков согласно (16.3:8) равна

(21.5.14)

Заменив в (21.5,5) - (21.5.13) на , получаем: (21.5.15) (21.5.16)

Следовательно, согласование сохранится и при противофазном возбуждении. Соответствующая векторная диаграмма полей в плечах моста изображена на рис. 21.5.46.

Суммарная векторная диаграмма изображена на рис. 21.5.4в. Как видно из рисунка, при возбуждении плеча 1 волной единичной амплитуда энергия делится поровну между плечами 2 и 3, причем поля в плечах 2 и 3 сдвинуты по фазе друг относительно друга на 90°. Так как в режиме синфазного и противофазного возбуждения плечо 4 идеально согласовано, то из плеча 1 в плечо 4 энергия не поступает.

Основным недостатком описанного квадратного моста является сравнительная узость рабочей полосы частот. Следует отметить, что ширина полосы может быть существенно расширена путем увеличения числа поперечных шлейфов и соответствующего удлинения моста.