Основные элементы и узлы линий передачи. Развязывающие устройства

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про узлы линий передачи, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое узлы линий передачи, циркуляторы, развязывающие устройства, вентильное устройство , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.

1. Типичными развязывающими устройствами являются:

• - поглотительные, предельные и вентильные аттенюаторы;
• - направленные ответвители;
• - циркуляторы .

Перечисленные устройства могут быть выполнены в коаксиальном, полосковомволноводном вариантах.

Рассмотренные в § 18.8 мосты могут также использоваться и в качестве развязывающих устройств.

Специфическими электрическими характеристиками развязывающих устройств являются: переходное затухание (ослабление) L_з и направленность L_н. Эти величины есть соответствующие коэффициенты передачи по мощности (см. § 18.1, п. 3). Обозначим номером 1 плечо, из которого электромагнитные колебания поступают в узел, 2 и 3 - плечи, в которые передаются электромагнитные колебания с требуемым ослаблением, и 4 - плечо, в которое колебания не должны поступать, т.е. плечо, развязываемое от входного плеча 1.

Для двуплечих взаимных узлов определяется только ослабление; оно равно L_з=-10lg(P₁₂/P₁). В четырехплечих узлах величины L_з¹²=-10lg(Р₁₂/P₁) и L_з¹³=-10lg(Р₁₃/P₁) являются ослаблением для соответствующих направлений передачи, а величины L_н²⁴=-10lg(Р₁₄/P₁₂) и L_н³⁴=-10lg(Р₁₄/Р₁₃) определяют направленность передачи в каналы 2 и 3 соответственно по отношению к каналу 4.

2. Аттенюаторы являются двуплечими устройствами, предназначенными для заданного фиксированного или регулируемого ослабления интенсивности электромагнитных колебаний.

3. Аттенюаторы поглотительного типа работают по принципу поглощения и рассеяния на тепло части мощности проходящей электромагнитной волны.

Рис. 18.48. Аттенюаторы.

На рис. 18.48,а изображен вариант выполнения волноводного регулируемого аттенюатора. В прямоугольном волноводе 1 с волной типа Н₁₀ в середине широкой стенка прорезана узкая продольная щель 2, через которую в волновод вдвигается поглощающая пластинка 3. Она представляет собой диэлектрическую пластинку, покрытую слоем сажи, графита или другого материала, интенсивно поглощающего электромагнитные волны. Степень поглощения, т.е. величина ослабления, зависит от площади пластинки, находящейся внутри волновода.

На этом же принципе могут быть построены и фиксированные аттенюаторы.

Отражения в аттенюаторах поглотительного типа малы, а ослабление слабо зависит от частоты.

4. Аттенюаторы предельного типа основаны на использовании линий передачи, поперечные размеры которых меньше критических для распространяющегося типа волны.

На рис. 18.48,б показан предельный коаксиальный аттенюатор. Он образован коаксиальной линией 1, центральный провод 2 которой имеет разрыв на участке 3 длиной l. Этот участок коаксиальной линии является круглым волноводом, в котором с помощью диска 4 возбуждается волноводная волна типа Е₀₁. Диаметр D волновода выбирается так, чтобы критическая длина волны l_кр01=1,305D была меньше рабочей длины волны. Волновод 3 и диски 4 составляют собственно предельный аттенюатор. Его ослабление быстро возрастает при уменьшении относительного диаметра D/l. Длина предельного аттенюатора получается небольшой. Так, для получения ослабления L_з=30 дБ (уменьшение передаваемой мощности в 1000 раз) на волне l=10 см при D=1,5 см необходимая длина аттенюатора составляет всего 1 см.

Ослабление предельных аттенюаторов сильно зависит от частоты. На эквивалентной схеме аттенюатор представляется емкостью С (рис. 18.48,б), величина которой тем меньше, чем больше L_з. На входе аттенюатора происходит сильное отражение электромагнитных волн, тем большее, чем больше L_з. Поэтому такие аттенюаторы являются узкополосными.

5. Аттенюаторы с использованием невзаимных свойств ферритов отличаются тем, что их ослабление зависит от направления распространения, т.е. для этих устройств L_з^12>L_з²¹.

Это свойство определяет вентильное действие невзаимных устройств с двумя входами. Вентильные свойства характеризуются направленностью L_н. Величина направленности (в децибелах) может быть рассчитана через известные переходные затухания до формуле

L_н = L_з²¹-L_з¹².

На рис. 18.48,в показано поперечное сечение вентиля, основанного на эффекте смещения поля в прямоугольном волноводе. Вентиль содержит поперечно-намагниченную ферритовую пластинку 1, на которую нанесен поглощающий слой 2. Эскиз этой пластинки показан на рис. 18.48,г.

Если на рис. 18.48,в направление хода волны соответствует направлению от читателя за чертеж, то, обращаясь к рис. 18.5,а можно видеть, что поглощающая пластинка находится вне области интенсивного электрического поля. Поглощение при этом будет небольшим. При распространении волн в обратном направлении поглотитель будет находиться в максимуме распределения электрического поля, что вызовет интенсивное поглощение.

Рис. 18.49. Принципиальная схема направленного ответвителя.

6. Направленные ответвители предназначены для направленной передачи электромагнитной энергии из одной линии передачи в другую, причем так, что направление передачи энергия во второй линии зависит от направления передачи в первой линии. Бели из одной линии в другую передается заметная часть мощности, то направленные ответвители можно отнести к классу делителей мощности, а если небольшая часть, то - к классу развязывающих устройств.

Направленные ответвители могут быть как взаимными, так и невзаимными.

На рис. 18.49 показана принципиальная схема включения, направленного ответвителя, соединяющего линии 1-2 и 3-4. Если электромагнитная энергия передается из плеча 1 в плечо 2, то часть ее ответвляется в плечо 4, а в плечо 3 энергия не поступает. Если передача идет из плеча 2 в плечо 1, то часть ее ответвляется в плечо 3, а в плечо 4 энергия не поступает.

Пусть основная передача идет в направлении от плеча 1 к плечу 2. Тогда величина L_з¹² называется ослаблением в прямом направлении, величина L_з¹⁴- ослаблением в направлении ответвления, а величина L_н=-10lg(P₁₃/Р₁₄)- направленностью направленного ответвителя.

7. Основные типы направленных ответвителей:

• - коаксиальные и волноводные с одиночными элементами связи, обладающими собственной направленностью (отверстия и петли связи);
• - коаксиальные и полосковые двух- и многошлейфовые;
• - полосковые с использованием полей рассеяния;
• - волноводные многодырочные и многостержневые;
• - волноводные со щелевой связью.

В конструкциях и принципах действия направленных ответвителей и мостов много общего. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Например, направленный ответвитель, у которого ослабление равно 3 дБ (мощность плеча 1 поровну делится между плечами 2 и 4), является мостом. Этот режим, однако, не характерен для направленных ответвителей. Создано большое количество различных по принципу действия и характеристикам направленных ответвителей [1, 3-5]. Рассмотрим один из наиболее широко распространенных.

8. Волноводный многодырочный направленный ответвитель (рис. 18.50) состоит из основного волновода с плечами 1 и 2 и вспомогательного волновода с плечами 3 и 4. Волноводы на некотором участке соединяются по широкой или узкой стенке. В общей стенке прорезаются отверстия 5, от числа, диаметра и расположения которых зависят ослабление и направленность.

Для вспомогательного волновода отверстия связи являются излучателями, образующими линейную решетку. Если основной волновод в области отверстий имеет постоянную ширину, а отверстия расположены на одинаковом расстоянии друг от друга то эта решетка будет линейно-фазной. Разность фаз возбуждения отверстий y=2pd/L. Электромагнитные волны во вспомогательном волноводе, возбужденные отверстиями распространяются влево и вправо по волноводу. При этом разность фаз за счет разности хода полей от соседних излучателей при равной ширине волноводов равна 2pd/L. Таким образом, разность фаз возбуждения излучателей равна разности фаз за счет разности хода электромагнитных волн между ними. Как показано в гл. 3, такая решетка является решеткой продольного излучения с максимумом излучения, ориентированным в сторону отстающих по фазе излучателей. При указанном на рис. 18.50 направлении распространения ответвление мощности будет происходить в основном в плечо 4 и в меньшей степени в плечо 3. Чем больше число отверстий, тем больше направленность.

Рис. 18.50. Многодырочный волноводный направленный ответвитель.

Рис. 18.51. Принципиальная схема четырехплечевого циркулятора.

Расстояние d может быть любым, однако наилучшие результаты по согласованию и направленности получаются при d=L₀/4 где L₀- длина волны в волноводе на средней частоте рабочего диапазона.

Если ответвление мощности необходимо только при передаче в направлении 1-2, то в плечо 3 ставится нагрузка, которая поглощает ответвленную мощность при передаче в обратном направлении.

9. Циркуляторы - это развязывающие многоканальные устройства, в которых электромагнитные волны распространяются из одного канала в другой только в определенной последовательности.

Принципиальная схема четырехплечего циркулятора показана на рис. 18.51. Стрелками на рисунке показаны направления передачи. Если электромагнитная энергия поается в плечо 1, то она пройдет в плечо 2 и не пройдет в другие плечи. При подключении генератора к плечу 2 электромагнитная энергия пройдет только в плечо 3 и т. д. В рассматриваемом примере циркуляция происходит в последовательности

1 ® 2 ® 3 ® 4 ® 1.(18.19)

Могут быть, конечно, и другие последовательности.

10. Фазовый циркулятор с двумя волноводно-щелевыми мостами состоит (рис. 18.52) из двух последовательно расположенных волноводно-щелевых мостов I и II, диэлектрической пластинки Д и ферритовых пластин Ф с поперечным намагничивающим полем, создающих дифференциальный фазовый сдвиг. Свойства волноводно-щелевого моста описаны в § 18.8 п. 2, а секции дифференциального фазового сдвига - в § 18.8, п. 7.

Рассмотрим работу циркулятора, изображенного на рис. 18.52,а. Параметры ферритовых пластин и постоянное поперечное подмагничивающее поле подобраны так, что в верхнем волноводе при передаче слева направо создается сдвиг по фазе -p/2 (отставание по фазе), а при передаче справа налево создается сдвиг по фазе, который считается равным нулю. В нижнем волноводе ферритовая пластинка обеспечивает фазовый сдвиг -p/2 при передаче справа налево и нуль - при обратном направлении передачи. Указанные фазовые сдвиги в двух ферритовых пластинках, расположенных по обеим сторонам разделительной стенки, получаются при намагничивании обеих пластинок поперечным полем одного направления. Это удобно, так как требуется один магнит.

В верхнем волноводе установлена диэлектрическая пластинка Д, которая создает обратимый фазовый сдвиг -p/2 по отношению к волне в волноводе без этой пластинки.

Рассмотрим теперь фазовые соотношения в циркуляторе. При этом будем учитывать только разностные фазовые сдвиги.

Пусть генератор подключен к плечу 1, а к остальным плечам подключены согласованные нагрузки. Волны из плеча 1 попадают в волноводно-щелевой мост I и разделяются им на два потока равной амплитуды, которые идут в направлении плеч 2 и 4. После моста I колебания в верхнем волноводе отстают по фазе на p/2 от колебаний в нижнем волноводе, фазу которых примем за нулевую. После прохождения участков волноводов с ферритовыми и диэлектрической пластинками колебания на входе моста II в верхнем волноводе получат запаздывание по фазе на Зp/2, а в нижнем волноводе - запаздывание, которое принимается равным нулю. Мостом II каждая половина мощности делится еще пополам. Электромагнитные волны, проходя из нижнего волновода в верхний и из верхнего в нижний, получают запаздывание по фазе p/2. Если теперь просуммировать все относительные фазовые сдвиги, то окажется, что колебания, пришедшие по двум путям в плечо 4, отличаются до фазе на p, а пришедшие в плечо 2, имеют одинаковую фазу. Так как амплитуды волн, пришедших разными путями, одинаковы, то в плече 4 волны полностью взаимно компенсируются, а в плече 2 складываются, образуя волну такой же интенсивности, как в плече 1. Таким образом, электромагнитная анергия из плеча 1 проходит только в плечо 2.

Рис. 18.52. Фазовый ферритовый циркуляр на волноводно-щелевых мостах

Рис. 18.53. Фазовый ферритовый циркулятор с волноводно-щелевым и двойным Т-мостом.

Аналогичным образом можно показать, что из плеча 2 колебания попадут в плечо 3, из плеча 4 - в плечо 1. Следовательно, в рассмотренном циркуляторе реализуется последовательность (18.19).

Если направление подмагничивающего поля поменять на обратное, то ферритовые пластины будут создавать фазовые сдвиги, указанные на рис. 18.52,б. Нетрудно убедиться, что в таком циркуляторе реализуется последовательность соединения каналов

1 ® 4 ® 3 ® 2 ® 1.(18.20)

11. Фазовый циркулятор с двойным Т-мостом (рис. 18.53) состоит из последовательно расположенных двойного Т-моста (см. § 18.8, п. 1), прямые плечи которого согнуты под углом 90° и соединены по узкой стенке, фазовращателя с ферритовыми пластинками и волноводно-щелевого моста.

Плечо 1 циркулятора является Н-плечом Т-моста, а плечо 3 - Е-плечом Т-моста. При поступлении волн в плечо 1 они поровну и в одинаковой фазе придут к сечениям I и II и не попадут в плечо 3. При поступлении волн в плечо 3 они не попадут в плечо 1, но в равных долях и в противофазе придут к сечениям I и II. Постоянное магнитное поле и параметры ферритовых пластинок подбираются так, что образуются указанные на рисунке дифференциальные фазовые сдвиги.

Рис. 18.54. Поляризационный ферритовый циркулятор.

Пути прохождения электромагнитных волн после Т-моста показаны стрелками, там же указан дополнительный фазовый сдвиг на -p/2 при прохождении щелевого моста. Если сложить все фазовые сдвиги и учесть фазовые свойства Т-моста, то окажется, что из плеча 1 волны проходят только в плечо 2 (для этого случая на рисунке показаны суммарные фазовые сдвиги), из плеча 2 - в плечо 3 и т.д. Таким образом, в данном случае реализуется последовательность (18.19). При изменении направления магнитного поля дифференциальные фазовые сдвиги в фазовращателе изменятся. Это изменение переведет последовательность (18.19) в последовательность (18.20).

На основе циркуляторов с ферритами могут быть построены различные волноводные схемы, свойствами которых можно управлять, изменяя подмагничивающее поле.

12. Поляризационный циркулятор (рис. 18.54,а) основан на использовании эффекта Фарадея в продольно-намагниченном феррите. Соленоид, создающий постоянное магнитное поле Н₀, на рисунке не показан. Рассматриваемый циркулятор - четырехплечий, невзаимный. Плечи 1 и 2 - это прямоугольные волноводы, которые плавными переходами соединяются с круглым волноводом в торец. Плечами 3 и 4 являются прямоугольные волноводы, которые образуют с круглым волноводом Т-образное параллельное соединение. Эти плечи называются боковыми.

Размеры круглого волновода выбираются так, что в нем может распространяться только волна типа Н₁₁, а в прямоугольных - только волна типа Н₁₀.

Если поляризация поля волны типа Н₁₁ такая, как показано на рис. 18.54,б, то говорят, что боковой волновод 3 находится в положении пропускания, а торцевой волновод 1 - в положении запирания по отношению к волне Н₁₁. При поляризации поля волны типа Н₁₁, изображенной на рис. 18.54,в, в положении пропускания находится торцевой волновод 1, а в положении запирания - боковой волновод 3. В положении запирания круглый и прямоугольный волноводы развязаны, а в положении пропускания электромагнитная энергия полностью переходит из прямоугольного волновода в круглый, и наоборот. Положения затирания и пропускания для волноводов 2 и 4 определяются так же, как и для волноводов 1 и 3.

Плоскости широких стенок волноводов 1 и 2 повернуты вокруг оси круглого волновода на 45° относительно друг друга. Волноводы 3 и 4 также развернуты на угол 45° (рис. 18.54,г).

По оси круглого волновода установлен ферритовый стержень. Подмагничивающее поле направлено продольно по отношению к стержню (вдоль оси волновода). При указанном на рис. 18.54,а направлении Н₀ плоскость поляризации волны типа Н₁₁ поворачивается против часовой стрелки при передаче от плеча 1 к плечу 2 и по часовой стрелке при передаче от плеча 2 к плечу 1. Параметры ферритового стержня и величина подмагничивающего поля выбираются так, что на длине стержня плоскость поляризации волны типа Н₁₁ поворачивается на угол 45°.

Рассмотрим передачу электромагнитной энергии через циркулятор при подключении генератора к плечу 1 и согласованных нагрузок к остальным плечам. Плечо 3 будет при этом в положении запирания. Пройдя феррит, волна типа Н₁₁ повернется против часовой стрелки на 45° и будет иметь поляризацию, при которой плечо 4 находится в положении запирания, а плечо 2 - пропускания. При этом волны проходят в плечо 2 и не проходят в плечо 4. Таким образом, из плеча 1 электромагнитная энергия проходит только в плечо 2.

Подключим генератор к плечу 2. Плечо 4 при этом заперто. Пройдя феррит, волна Н₁₁ поворачивается на 45° по часовой стрелке и оказывается по отношению к плечу 5 в положении пропускания, а к плечу 1 - запирания. Согласование круглого волновода с плечом 3 осуществляется подбором расстояния между волноводом 3 и эффективной плоскостью отражения от плеча 1 в положении его запирания. Таким образом, электромагнитная энергия из плеча 2 переходит только в плечо 3.

Рис. 18.55. Ферритовый Y-циркулятор.

Рис. 18.56. Примеры использования циркуляторов.

Рассуждая аналогичным образом, можно показать, что из плеча 3 электромагнитная энергия передается только в плечо 4, а. из плеча 4 - в плечо 1.

Итак, если вектор постоянного магнитного поля направлен к плечу 1, то циркулятор реализует последовательность (18.19). При изменении направления подмагничивающего поля на обратное циркулятор реализует последовательность (18.20).

13. Ферритовый Y-циркулятор (рис. 18.55) представляет собой три прямоугольных волновода, 1, 2, 3, в которых распространяется волна типа H₁₁, соединенных между собой под углом 120° в Н-плоскости. В центре сочленения волноводов размещается ферритовый стержень или диск 5, намагниченный вдоль оси перпендикулярно широким стенкам волноводов. Высота стержня равна высоте волноводов или меньше ее. Стержень обычно помещается в диэлектрический цилиндр 4, который заметно улучшает работу циркулятора и упрощает его настройку, расширяя полосу пропускания.

Если в тройнике нет феррита, то волна, поступающая в плечо 1, делится поровну между плечами 2 и 3. При наличии намагниченного феррита волны, проходящие в плечи 2 и 3, будут суперпозицией двух полей: первичного, обозначенного E₂ и Е₃, и вторичного, переизлученного ферритовым стержнем (E'₂, Е'₃). Первичные поля в плечах 2 и 3 в силу симметрии будут синфазны и равны по амплитуде. Амплитуды и фазы вторичных полей в плечах 2 и 3 зависят от размеров и электрических параметров ферритового стержня и диэлектрического цилиндра. Параметры феррита можно регулировать подмагничивающим полем. Регулировками можно добиться, чтобы поля Е₂ и Е'₂ в плече 2 были синфазны, а Е₃ и E'₃ в плече 3 противофазны, а их амплитуды одинаковы. При этих условиях электромагнитная энергия из плеча 1 полностью переходит в плечо 2. Так как система симметричная, то колебания из плеча 2 будут передаваться только в плечо 3, а из плеча 3 - в плечо 1, т.е. будет реализована последовательность передачи 1-2-3-1. При изменении направления внешнего магнитного поля последовательность передачи также изменится на обратную: 1-3-2-1.

Y-циркуляторы могут быть выполнены также на коаксиальных на полосковых линиях.

Рассмотрим несколько применений циркуляторов в фидерных трактах.

14. Быстродействующий коммутатор на два направления (рис. 18.56,а). Из четырех плеч циркулятора в нем задействовано три. К плечу 1 подключают источник электромагнитных волн Г, а к плечам 2 и 4 - нагрузки H₁ и Н₂ (скажем, две антенны). При одном направлении подмагничивающего поля электромагнитная энергия в соответствии с последовательностью (18.19) проходит в нагрузку H₁. Поменяв направление тока в соленоиде, создающем подмагничивающее поле, перейдем к последовательности (18.20). При этом электромагнитная энергия пойдет в нагрузку Н₂. Так как в фазовых циркуляторах подмагничивающее поле имеет небольшую величину, то частота переключении может достигать 10 МГц.

15. Антенный переключатель радиолокационных станций схематически изображен на рис. 18.56,б. В нем применен циркулятор фазового типа с постоянным магнитом. Направление магнитного поля подобрано так, что реализуется последовательность (18.19).

В режиме передачи электромагнитные волны поступают из плеча 1 в антенну А, подключенную к плечу 2. В режиме приема сигналов, отраженных от цели, эетромагнитные колебания поступают в приемник Пр, подключенный к плечу 3, и не поступают к передатчику. К плечу 4 подключается поглощающая нагрузка П, в которой поглощаются колебания, неизбежно просачивающиеся в это плечо из-за неполной развязки между плечами циркулятора. Из-за неполной развязки часть мощности от генератора поступает и на вход приемника. Для защиты его входных цепей от повреждения на входе приемника ставится защитное устройство в виде разрядника или управляемого вентиля.

16. вентильное устройство (рис. 18.56,в) служит для развязки генератора и нагрузки. При реализации в циркуляторе последовательности (18.19) электромагнитные волны поступают от генератора в нагрузку Н. Если нагрузка не согласована, то появляются отраженные волны, которые поступают через плечо 2 в плечо 3, где поглощаются в поглотителе П₃. Поглотитель П₄ устраняет отражение волн, просочившихся в плечо 4. Таким образом, отраженные волны не поступают на выход генератора и условия его работы не зависят от степени согласования нагрузки с линией передачи, подключаемой к плечу 2.

Статью про узлы линий передачи я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое узлы линий передачи, циркуляторы, развязывающие устройства, вентильное устройство и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны