Лаб. работа №50. Направленный ответвитель на прямоугольном волноводе

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

За последние десятилетия наблюдается быстрое и интенсивное развитие техники сверхвысоких частот (СВЧ), параллельно с которой бурно развивается и техника измерений на СВЧ. Техника СВЧ непосредственно связана с техникой передачи информации на большие расстояния, где применения волноводов позволят значительно увеличить объём передаваемой информации.

Особый интерес представляют такие элементы СВЧ тракта, как направленные ответвители, которые широко используются в технике СВЧ.

Главное назначение ответвителей — направленно ответвлять некоторую часть высокочастотной мощности из основного тракта во вспомогательный. Особенности этого прибора заключается в том, что он реагирует на волну только одного направления, то есть только на падающую или отраженную в основном тракте. Его работа основана на возбуждении во вторичном тракте нескольких волн, смещённых по фазе так, что амплитуды волн, распространяющихся в желаемом направлении, интерферируя, суммируются, а в нежелаемом — взаимно компенсируются.

Направленные ответвители относятся к таким волноводным устройствам, в которых используется распределённая или дискретная связь между волноводами. В обоих случаях устройства можно рассматривать как каскадное включение элементарных восьмиполюсников, причём в последнем случае элементарный восьмиполюсник представляет собой совокупность трёх волноводов; основного, вспомогательного и волновода связи. Волновод связи в таком элементарном восьмиполюснике может использоваться как в области отсечки, так и в области прозрачности. Элементарные волноводные восьмиполюсники, в которых волноводы связи (шлейфы) используются в полосе прозрачности, называются шлейфовыми волноводными разветвлениями. В данной работе будут изучаться только направленные ответвители, в которых волноводы связи используются в области отсечки, когда критическая длина волны волновода связи меньше длины волны колебаний, распространяющихся в основном и вспомогательном волноводах. По установившейся терминологии в этом случае говорят о связи волноводов через отверстия той или иной формы.

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 СВЧ 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 приёмнике; для получения необходимых амплитудных и фазовых соотношений между сигналом в основной линии и в ответвлённой линии (например, в трёхдецибельных щелевых мостах и т.п.); для определения величины проходящей мощности и коэффициента стоячей волны; для переменной связи с основной линией передач и т.д.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ

Направленный ответвитель (НО) — уcтройство, служащий для ответвления из основного высокочастотного тракта части мощности одной из двух бегущих волн, распространяющихся по линии в противоположных направлениях: падающей или отражённой волны.

Устройство, состоящее из отрезка основной передающей линии и отрезка вспомогательной линии, связанной с основной линией при помощи двух параллельно включенных зондов, расположенных на определённом расстоянии друг от друга, обеспечивает эффект направленного ответвителя.

Следует заметить, что простой одиночный зонд, например, штырь, не может быть использован в качестве направленного ответвителя. Мощность, ответвляемая одиночным зондом, пропорциональна квадрату амплитуды высокочастотного напряжения в данной точке, являющегося векторной суммой напряжений падающей и отражённой волн.

Рис.1: Принцип действия НО с двумя зондами

Эквивалентная схема НО показана на рис.1,а. Роль реактивных элементов связи играет ёмкость штыря или индуктивность петли (отверстия) связи. Оба зонда связаны с основной линией, т.е. по отношению к вспомогательной линии они играют роль генераторов напряжения (рис.1,б).

Пусть в основной линии имеется только волна, распространяющаяся от плеча 1 к плечу 3, т.е. на конце основной линии включена идеальная согласованная нагрузка. Во вспомогательной линии каждый из зондов (генераторов) возбуждает две волны, распространяющиеся в обоих направлениях. Фаза колебаний в сечении зонда 2 отличается на величину [math]2\pi L/\lambda_\text{в}[/math], где [math] L [/math] – геометрическое расстояние между зондами; [math] \lambda_\text{в} [/math] — длина волны в основной и во вспомогательных линиях. Амплитуды колебаний, возбуждаемых зондами во вспомогательной линии, считаем одинаковыми.

Если выбрать [math]L=\lambda_\text{в}/4[/math], то в плоскости плеча 2 волны будут иметь разность фаз, равную [math]\Delta \phi = \pi[/math], т.е. произойдёт полное уничтожение волн.По вспомогательной линии волны смогут распространяться только в направлении плеча 4.

Таким образом, в результате распространения по основной линии волны в направлении слева направо во вспомогательной линии возбуждается волна, распространяющаяся в том же направлении. Аналогичный результат получается, если волна в основной линии распространяется справа налево. Ответвлённая волна будет поступать лишь по направлению к плоскости плеча 2.

Принципиально в плоскостях А и В могут быть включены два согласованных индикатора, например две детекторные головки. Однако, ввиду трудности хорошего согласования детекторов, один из них обычно заменяют согласованной нагрузкой, как показано на рис.2.

Рис.2: Принципиальная схема НО с двумя элементами связи

Устройство, показанное на рис.2. называется НО с двумя элементами связи. Если необходимо одновременно регистрировать как прямую, так и отраженную волну, то пользуются двумя НО описанного типа. Каждый НО имеет во вспомогательной линии согласованную нагрузку и индикатор; НО включаются в противоположных направлениях. Идеальный НО не ответвляет в индикатор сигнала при распространении волны по основной линии в обратном направлении. Однако, ввиду неточности изготовления НО, отклонения длины волны от расчётной и наличия небольшого рассогласования нагрузки во вспомогательной линии наблюдается некоторое прохождение сигнала в “ненормальном” направлении.

ПАРАМЕТРЫ НАПРАВЛЕННЫХ ОТВЕТВИТЕЛЕЙ

Направленные ответвители любого типа принято характеризовать следующими параметрами: переходным ослаблением, направленностью, развязкой, балансом выходных плеч, согласованием плеч ответвителя с подводящими фидерными линиями , рабочим ослаблением в первичной линии, фазовыми соотношениями для напряжений в выходных плечах, диапазоном частот.

Рис.3: Обобщённая схема НО

Обобщённая схема НО, который в общем случае представляет собой полностью согласованный элементарный восьмиполюсник, представлена на рис.3.

Если на вход 1 элементарного восьмиполюсника поступает СВЧ мощность [math]P_1[/math], то на выход 3 основного волновода поступит мощность [math]P_3[/math], а на выходы 2 и 4 вспомогательного волновода – соответственно [math]P_2[/math] и [math]P_4[/math].

Рис.4: Три типа НО

На рис.4 представлены направленные ответвители с тремя типами направленности.

Переходное ослабление определяется как отношение входной мощности основной линии к выходной мощности рабочего плеча вспомогательной линии. Выражается обычно в децибелах. Например, для ответвителя, изображенного на рис.4, переходное ослабление вычисляется по формуле

[math] C_{14}=10\lg\left(\frac{P_1}{P_4}\right)\quad \text{[дБ]}[/math].

(1)

Переходное ослабление зависит от размеров, числа, положения и типов элементов связи, а также от частоты. Принципиально можно обеспечить любую величину переходного ослабления от очень малых значений вплоть до бесконечно больших. В зависимости от переходного ослабления [math] |C| [/math] НО делятся на устройства с сильной ([math] |C| = 1 - 10[/math] дБ) и слабой ([math]|С| \gt 10[/math] дБ) связью. Направленные ответвители, имеющие равные мощности в выходных плечах ([math]|С|=3.01[/math] дБ), выделены в особый класс соединений, называемый трёхдецибельные (3-дБ) направленные ответвители или мосты.

Направленностью называется отношение мощностей на выходе рабочего и нерабочего плеч вспомогательной линии. Вычисляется в децибелах, например, для рис.4 первого типа:

[math]N_{42}=10\lg\left(\frac{P_4}{P_2}\right)[/math] [дБ].

(2)

Направленность идеального направленного ответвителя равна бесконечности. Чем больше направленность ответвителя, тем выше его качество. Существенно также, чтобы ответвитель обладал широкополосными свойствами, т.е. чтобы направленность возможно меньше зависела от рабочей частоты. Направленность элементарного восьмиполюсника может быть положительной, отрицательной или нулевой, когда во вспомогательной линии в разные стороны от волновода связи распространяются волны равной амплитуды.

Развязка определяется как отношение входной мощности основной линии к выходной мощности нерабочего плеча вспомогательной линии. Для рис.4 первого типа:

[math] P_{12}=10\lg\left(\frac{P_1}{P_2}\right)[/math] [дБ],

(3)

или

[math]P_{12}\,[дБ]= C_{14}\,\text{[дБ]}+N_{42}\,\text{[дБ]}[/math].

(4)

Балансом входных плеч называется отношение мощностей на выходе основной линии и рабочего плеча вспомогательной линии. Для рис.4 первого типа:

[math]B_{34}=10\lg\left(\frac{P_3}{P_4}\right)[/math] [дБ].

(5)

Рабочее ослабление в первичной линии определяется отношением мощностей на входе и выходе первичной линии. Для рис.4 первого типа:

[math]C_{13}=10\lg\left(\frac{P_1}{P_3}\right)[/math] [дБ].

(6)

Для определения диапазонных свойств направленного ответвителя основные характеристики определяются в функции частоты (длины волны).

Согласование плеча НО с входной подводящей линией характеризуется КСВН измеряемым со стороны входного плеча направленного ответвителя, когда к остальным плечам подключены согласованные нагрузки. Величина КСВН направленного ответвителя характеризует искажение поля в основном тракте из-за наличия элементов связи. Аналогичным образом определяют и КСВН плеча вспомогательного тракта НО. Полному отражению от нагрузки соответствует бесконечно большой КСВН. Режим идеального согласования с нагрузкой характеризуется величиной КСВН равной единице.

ВОЛНОВОДНЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ СО СЛАБОЙ СВЯЗЬЮ

Основным элементом, определяющим многообразие НО, является область связи, т.е. совокупность элементов связи, расположенных на общей для основного и вспомогательного волноводов стенке. В качестве элементов связи НО, как правило, применяют отверстия в стенках волновода. Простейшей областью связи является одно отверстие, которое обладает собственной направленностью. При конструировании, НО наиболее часто применяются элементы связи в форме круглых отверстий, щелей (продольных и поперечных), крестиков и отверстий эллиптического типа. В зависимости от расположения отверстия при волне типа Н10 в прямоугольном волноводе связь может быть либо чисто магнитной (рис.5,а), либо смешанной – электрической и магнитной (рис.5,б).

Рис.5: Характер электрического и магнитного полей вблизи отверстия в стенке волновода при волне типа Н₁₀

Переходное ослабление элемента связи зависит от того, на какой стенке волноводного тракта расположен элемент связи. Ориентация вспомогательного волновода относительно основного производится в соответствии с принципами возбуждения волн в волноводах. Отверстия связи можно рассматривать как возбуждающие зонды. Если связь осуществляется сразу по электрическому и по магнитному полю, одно отверстие эквивалентно двум зондам: штырю и петле. Различают направленные ответвители со связью по узкой или по широкой стенке волновода.

На рис.6 показано несколько способов связи двух прямоугольных волноводов через небольшое круглое отверстие. На рис.6,а связь между волноводами обусловлена продольным магнитным полем [math]H_z[/math], на рис.6,в связь через тангенциальное магнитное поле [math]H_z[/math], которое равно нулю, если отверстие связи находится в центре основного волновода, и не равно нулю при смещении отверстия от центра. Таким образом, в обоих рассмотренных случаях связь волноводов осуществляется только за счёт тангенциальной компоненты магнитного поля. На рис.6,б наблюдается связь волноводов по электрическому полю нормальному к отверстию связи [math]H_y[/math] и магнитному полю [math]H_y[/math] и [math]H_z[/math], если отверстие связи находится не на центральной линии.

Рис.6: Связь прямоугольных волноводов через малое отверстие. 1 – основной тракт, 2 – вспомогательный тракт

Наиболее простой и часто применяемый в случае связи через малые отверстия метод исследования НО – квазистатическая теория Бёте. В рамках этого метода полагается, что геометрические размеры отверстий достаточно малы по сравнению с размерами волноводов (меньше [math]\lambda/2\pi[/math]), так что можно пренебречь изменением значения и фазы поля вдоль отверстия связи. Кроме того, необходимо, чтобы отверстие связи было достаточно удалено от углов волновода и противоположных стенок. Тогда амплитуды волн в волноводе, возбуждаемом малым отверстием, вычисляются через его дипольные моменты. Дипольные моменты пропорциональны коэффициентам электрической и магнитной поляризуемости отверстий. К достоинствам теории Бёте следует отнести простоту анализа и достаточно хорошую для практики точность (3 – 7%) расчёта переходного ослабления и направленности, хотя в рамках этого метода не выполняется соотношение энергетического баланса и отсутствует возможность учёта высших волн в области связи.

Как уже отмечалось, переходное ослабление определённого типа элемента связи двух волноводов зависит от длины волны в волноводе, геометрических размеров и положения этого элемента связи. Причём необходимо, чтобы переходное ослабление НО оставалось постоянным или как можно меньше отклонялось от некоторого постоянного уровня в заданном диапазоне длин волн, что в свою очередь требует постоянства переходного ослабления отдельного элемента связи в том же диапазоне. С этой точки зрения под оптимальной характеристикой переходного ослабления элемента связи понимают такую характеристику, которая удовлетворяет условию:

[math]|C-C_{1,2}| \le \Delta C [/math],

где [math]C[/math] — заданный уровень переходного ослабления;

[math]C_{1,2}[/math] — значения переходного ослабления элемента связи на краях заданного диапазона;

[math]\Delta C [/math] — допустимая величина отклонения переходного ослабления от заданного уровня.

Как правило, величина [math]C[/math] находится в пределах 0.1-1 дБ. Принято считать, что [math]C[/math] – значение переходного ослабления элемента связи в середине диапазона.

Выбирая соответствующим образом положение круглого отверстия связи по широкой стенке волновода, можно получить характеристику переходного ослабления с минимальным отклонением от определённого уровня в заданном диапазоне длин волн. Для отверстия связи, расположенного по узкой стенке волновода, оптимальность характеристики переходного ослабления, т.е. её отклонение от заданного уровня, однозначно определяется изменением длины волны.

Вообще говоря, связь двух волноводных трактов прямоугольного сечения по узкой стенке не имеет существенных преимуществ перед связью по широкой стенке, кроме большей величины максимально допустимой мощности, передаваемой основным трактом НО.

Одна из ранних конструкций направленных ответвителей с круглым отверстием связи посередине широкой стенки носит название ’’Ответвитель Бёте’’. Схематически ответвитель Бёте изображен на рис.7, где два прямоугольных волновода связаны между собой через центральное отверстие в широкой стенке. Оси волноводов сдвинуты под углом [math]\alpha[/math]. [math]А[/math] и [math]В[/math] – амплитуды электромагнитных волн основного типа колебания во вспомогательном тракте.

Рис.7: Ответвитель Бёте

Электрическая связь (рис.5) возбуждает во вспомогательном волноводе синфазное поле, магнитная связь — противофазное. По этому мощность суммарного во вспомогательном волноводе распространяется в обратном направлении, то есть в направлении противоположном распространению энергии в основном волноводе.

Ответвитель Бёте не может не иметь переходное ослабление порядка 20 дБ и ниже, так как большое отверстие волновода приводит к возникновению существенного отражения в основном и во вспомогательном трактах. На практике полоса частот, в которой направленность не опускается ниже 20 дБ, около 20%. Рабочий диапазон ответвителя Бёте можно несколько расширить, если заполнить отверстие связи ответвителя диэлектриком с [math]\varepsilon \gt 1[/math].

НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ С НЕНАПРАВЛЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СВЯЗИ

НO можно получить и при использовании ненаправленных элементов связи. Ненаправленным элементом связи называется такой элемент, который возбуждает во вспомогательном волноводе электромагнитные волны с равными амплитудами, т.е. в соотношении [math]A=B[/math] (рис. 8). Примером элемента связи, который не обладает направленностью, является отверстие в узкой стенке прямоугольного волновода. Волноводы в этом случае связаны тангенциальной составляющей магнитного поля [math]H_z[/math]. Два таких отверстия, расположенных на расстоянии [math]\Lambda/4[/math] друг от друга, образуют направленный ответвитель (рис. 8). [math]\Lambda[/math] – длина волны в волноводе.

Рис.8: Направленный ответвитель с двумя отверстиями связи

Каждое отверстие связи возбуждает во вспомогательном волноводе пару волн с амплитудой [math]A[/math], причем возбужденная волна находится в фазе с возбуждаемой каждым элементом связи. Подобное возбуждение вспомогательного волновода называется синфазным.

Волна, возбуждённая отверстием 1 во вспомогательном волноводе, отстает по фазе на [math]\pi/2[/math], а волна, возбуждённая отверстием 2, имеет равное отставание в основном волноводе, поэтому общая волна во вспомогательном волноводе с правой стороны (рис.8)

[math]A \mathrm{e}^{-j\pi/2}+A \mathrm{e}^{-j\pi/2} = -2 j A[/math].

(7)

Волна слева

[math] A + A \mathrm{e}^{-j\pi/2}=0 [/math],

(8)

так как запаздывание по фазе приобретает только волна, возбуждаемая отверстием 2, которая отстаёт по фазе на [math]\pi/2[/math] в основном и во вспомогательном волноводах.

Направленность ответвителя теоретически равна бесконечности на длине волны, для которой расстояние между отверстиями равно [math]\Lambda_0/4[/math]. Если [math]\Lambda_0[/math] – расчетная длина волны, то при длине волны [math]\Lambda[/math] волна слева не равна нулю и определяется выражением:

[math] B_\Sigma = A + A \mathrm{e}^{-j\pi \frac{\Lambda}{\Lambda_0}} = A \left( 1 - \mathrm{e}^{-j\pi \frac{\Delta\Lambda}{\Lambda_0}} \right)[/math],

(9)

где [math]B_\Sigma[/math] – амплитуда суммарной волны слева;

[math] \Delta\Lambda = \Lambda_0 - \Lambda [/math]

откуда направленность ответвителя

[math] N=20\lg \left|\frac{2A}{B_\Sigma}\right| = 20 \lg \left|\frac{2\Lambda}{\pi \Delta \Lambda}\right| [/math].

(10)

Зависимость направленности ответвителя с двумя отверстиями связи при синфазном возбуждении от длины волны представлена на рис. 9.

Рис.9: Зависимость направленности ответвителя с двумя отверстиями связи от длины волны

Из рис. 9 видно, что при отклонении на +10% величина направленности равна всего 16 дБ. Согласно формуле (10), на расчетной длине волны должна получаться бесконечная направленность, которая в действительных конструкциях не имеет места из-за наличия отражений, неточности изготовления и взаимодействия элементов связи. Формула (10) достаточно точно определяет направленность ответвителя только при значительном отклонении длины волны от расчетной, когда направленность ответвителя определяется, в основном, расположением элементов связи.

Описанный выше НО с двумя отверстиями связи обладает следующими недостатками: большим переходным ослаблением и значительной зависимостью переходного ослабления от длины волны.

Рассмотрим случай противофазного возбуждения, когда один элемент связи возбуждает во вспомогательном волноводе волну в фазе, а соседний с ним элемент связи – в противофазе. Принципиальная схема ответвителя с противофазным возбуждением представлена на рис.10.

Рис.10: Принципиальная схема противофазного НО

Очевидно, что во вспомогательном волноводе, независимо от расстояния между отверстиями связи [math]l[/math], будет отсутствовать волна справа, тогда как волна слева зависит от расстояния [math]l[/math] и определяется выражением

[math] B_\Sigma = A \left( 1 + \mathrm{e}^{- j\pi-j(4\pi l/\Lambda)} \right) [/math].

(11)

Значение слагаемого [math]\mathrm{e}^{- j\pi-j(4\pi l/\Lambda)}[/math] в формуле (11) может меняться от [math]-1\, (l=\Lambda/2)[/math] до [math]+1\, (l = \Lambda/4)[/math], при этом модуль [math] B_\Sigma [/math] изменяется соответственно от 0 до [math]2 A[/math].

Таким образом, системе с противофазным возбуждением присуща широкополосная направленность, поскольку уничтожение волн в одном направлении не определяется расстоянием между отверстиями связи. Основная волна, возбуждаемая во вторичном волноводе, распространяется в обратном направлении по сравнению с первичным волноводом и зависит от изменения расстояния между элементами связи, но значительно слабее, чем уничтожаемая волна в синфазном ответвителе [math] l=\Lambda/4 [/math].

Зависимость переходного ослабления от длины волны можно уменьшить, скомпенсировав ее обратной зависимостью элементов связи.

Рис.11: Противофазный НО

На рис.11 показан один из вариантов противофазного направленного ответвителя. Узкая сторона вспомогательного волновода расположена по середине широкой стороны основного волновода, в которой на одинаковом расстоянии от центральной линии прорезаны два отверстия связи, отстоящие друг от друга на [math] l = \Lambda_0 /4 [/math].

Связь основного и вспомогательного волноводов в этом случае осуществляется только за счет тангенциального магнитного поля, так как электрическое поле, нормальное к отверстиям связи, отсутствует во вспомогательном волноводе. В основном волноводе имеются две компоненты магнитного поля [math]H_x[/math] и [math]H_z[/math], во вспомогательном волноводе существует только одна компонента [math]H_z[/math]. Поскольку компонента [math]H_z[/math] меняет знак при переходе через [math] x = a/2 [/math], то поля, возбуждаемые отверстиями связи (рис.11) будут в противофазе. С целью уменьшения зависимости ослабления от длины волны в волноводе отверстия связи в практических конструкциях противофазного ответвителя в виде щелей.

НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ С ОДИНАКОВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СВЯЗИ

Пусть НО представляет собой систему элементов связи с равными геометрическими размерами, разнесённых на некоторое расстояние друг от друга.

Рис.12: НО с одинаковыми элементами связи

На рис.12 схематически изображён трёхэлементный НО у которого расстояние между элементами связи [math]L[/math] произвольно.

При рассмотрении параметров НО используем следующие предположения: фазовые скорости распространения волны в основном и вспомогательном волноводах равны между собой, размеры отверстий малы по сравнению с длиной волны.

Во вспомогательном волноводе справедливы соотношения для суммарных волн, распространяющихся в прямом и обратном направлении, соответственно.

[math] A_\Sigma = 3 A \mathrm{e}^{-j \frac{2\pi}{\Lambda}2l} [/math]

[math] B_\Sigma = A \left(1 + \mathrm{e}^{-j \frac{2\pi}{\Lambda}2 l} + \mathrm{e}^{-j \frac{2\pi}{\Lambda}4 l} \right) [/math],

(12)

где [math]А[/math] – амплитуда волны, возбуждаемой одиночным отверстием связи. Условие идеальной направленности [math] B_\Sigma [/math], выполняется при [math] l = \Lambda/6 [/math]

Выражения (12) для ответвителя с [math]n[/math] отверстиями связи имеют вид:

[math] |A_\Sigma| = n A [/math],

[math] |B_\Sigma| = A \frac{\sin n \frac{2\pi l}{\Lambda}}{\sin \frac{2\pi l}{\Lambda}} [/math].

(13)

На основании (13) направленность ответвителя равна:

[math] N= 20 \lg n \left( \frac{\sin \frac{2\pi l}{\Lambda}}{\sin n \frac{2\pi l}{\Lambda}} \right) [/math],

и переходное ослабление [math]C[/math] при единичной амплитуде волны в основном волноводе [math] A_0 = 1 [/math] равно

[math] C = 20 \lg n A [/math].

Очевидно, направленность ответвителя будет идеальной только тогда, когда

[math] \sin n \frac{2\pi l}{\Lambda} = 0,\quad n \frac{2\pi l}{\Lambda} = m\pi, \quad m=1,2,3\ldots [/math].

В данном случае, при [math] m = l[/math], расстояние между соседними элементами связи

[math] l=\Lambda /2n [/math].

Если в выражении для направленности ответвителя перейти к пределу при [math]n \rightarrow \infty[/math] и [math]l \rightarrow \infty[/math], то можно получить выражение направленности ответвителя, имеющего в качестве элемента связи длинную щель

[math] N^\text{*} = 20 \lg \frac{\frac{2\pi L}{\Lambda}}{\sin n \frac{2\pi L}{\Lambda}} [/math], где [math]L[/math] – длина щели.

ИЗУЧАЕМЫЙ НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ

Рис.13: Изучаемый НО

Изучаемый НО относится к типу, волноводному НО с ненаправленными элементами связи. Он состоит из двух отрезков прямоугольного волновода сечением 17 x 8 мм, имеющих на некотором участке общую широкую стенку. В стенке имеется система одинаковых круглых отверстий, соединяющих внутренние пространства обоих отрезков волновода (рис.13). Расстояние между соседними отверстиями равно [math] \Lambda/4 [/math]. У отрезка основного волновода один конец открыт и имеет фланец, а на другом жёстко закреплена внутренняя согласованная с волноводом оконечная нагрузка. Открытые концы вспомогательного волновода обращены в противоположные стороны и имеют фланцы. Электромагнитная энергия попадает в основной волновод. Через отверстия связи она частично ответвляется во вспомогательный волновод.

Некоторая доля энергии, оставшаяся во входном отрезке, достигает оконечной нагрузки и рассеивается в ней в виде тепла. Незначительная доля, меньше 1%, отражается от оконечной нагрузки. Перешедшая во вспомогательный волновод энергия в силу направленного действия системы отверстий распространяется в сторону выхода, меньшая же часть распространяется в противоположную сторону.

Проведение измерений

1. Включить анализатор цепей.
2. Загрузить параметры калибровки из сохраненного состояния "Калибровка в сечении 3,5 мм"
3. Установить диапазон обзора по частоте от 3 ГГц до 8 ГГц.
4. Рассчитать критическую частоту для исследуемого сечения волновода (35 мм x 15 мм).
5. Провести измерение рабочего ослабления НО и коэффициентов отражения от входа и выхода для основного канала, для этого:
   1. Собрать измерительную схему в соответствии с рис. 14.

      

      

      Рис.14: Схема измерения рабочего ослабления

   2. Установить режим одновременного отображения 3 графиков в окне программы (один сверху и два снизу).
   3. В верхнем графике вывести рабочее ослабление в прямом направлении, для чего установить режим измерения коэффициента передачи S21 (в нумерации портов прибора) и выбрать формат отображения амплитуды в логарифмическом масштабе ("Ампл лог").
   4. Установить наиболее удобные для наблюдения опорный уровень и масштаб графика (цену деления).
   5. Произвести измерение значения рабочего ослабления и его неравномерности в рабочем диапазоне частот для данного сечения волновода с помощью автоматизированных функций анализа и маркерных измерений.
   6. С помощью маркера измерить коэффициент передачи на критической частоте (только для рабочего ослабления).
   7. Убедится, что при измерении потерь в обратном направлении (S12) график выглядит аналогично. Сохранить результаты измерений в табличном формате .csv.
   8. В нижних двух графиках вывести значения элементов матрицы рассеяния S11 и S22, выбрать формат отображения амплитуды в логарифмическом масштабе ("Ампл лог").
   9. Установить наиболее удобные для наблюдения опорный уровень и масштаб графика (цену деления).
   10. Произвести измерение коэффициента отражения, найти минимальные, максимальные значения и неравномерность в рабочем диапазоне частот.
   11. Сохранить результаты в виде таблиц.
6. Провести измерение переходного ослабления, развязки и коэффициента отражения от рабочего плеча. Для этого собрать схемы в соответствии с рис. 15 и 16 соответственно, и повторить измерения в порядке, аналогичном измерению рабочего ослабления.

1. 

   

   Рис.15: Схема измерения рабочего ослабления

1. 

   

   Рис.16: Схема измерения рабочего ослабления

Оформление результатов

1. На основе полученных результатов измерений коэффициентов передачи построить графики:
   1. рабочего ослабления;
   2. переходного ослабления с указанием величины потерь на критической частоте;
   3. развязки;
2. На основе результатов измерений коэффициентов отражения построить графики для
   1. коэффициента отражения от входа основного канала;
   2. коэффициента отражения от выхода основного канала;
   3. коэффициента отражения от рабочего плеча вспомогательного канала;
   4. на каждом графике отобразить по три кривых для каждого эксперимента.
3. На графиках должны быть указаны средние значения и неравномерность в рабочей полосе.