7.2. Тройники

17. 9. Волноводные тройники ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Тройником называют шестиполюсник, образовавшийся при сочленении трех отрезков линий передачи. На рис. 17. 9. 1 17. 9. 4 изображены некоторые широко применяемые волноводные тройники.

Простейшая классификация волноводных тройников, представленных на рис. 17. 9. 1-17. 9. 4, осуществляется по следующему признаку. Если разветвление волноводов происходит в плоскости Е т. е. плоскости, параллельной вектору Е и оси Z, то тройник называется волноводным Е-плоскостным тройником, или просто волноводным Е-тройником (рис. 17. 9. 1 и 17. 9. 4). На рис. 17. 9. 2 и 17. 9. 3 изображены волноводные Н-тройники, так как волноводы разветвляются в плоскости, где расположен вектор магнитного поля.

Дальнейшая. классификация обычно характеризует геометрическую структуру тройника, например, тройники на рис. 17. 9. 1, 17. 9. 2 получили название Т-образных тройников. Симметричные тройники на рис. 17. 9. 3, 17. 9. 4 именуют Y-сочленениями. Аналогично могут быть выполнены тройники из отрезков коаксиальных линий, круглых волноводов и других линий передачи.

ВОЛНОВОДНЫЕ Н-ТРОЙНИКИ

Предположим, что волна возбуждена в плече 1 Н-плоскостного Т-тройника (рис. 17. 9. 2). Распространяясь вдоль, прямоугольного волновода, образующего плечо 1, волна поступает в область разветвления волноводов. Эту область можно рассматривать как прямоугольный волновод, у которого размер широкой стенки бесконечно велик. Поэтому электромагнитная волна, выходящая из плеча 1, в области разветвления имеет структуру, близкую к структуре цилиндрической ТЕМ-волны свободного пространства.

Распространяющаяся в разветвлении цилиндрическая волна встречает на своем пути металлическую стенку CDGF и отражается от нее. Отраженная волна вместе с падающей возбуждает проходящие в плечи 2 и 3 волны Кроме того, часть отраженной цилиндрической волны возбуждает отраженную волну в плече 1. Из рис. 17. 9. 2, где изображена приближенная структура электрических полей в разветвлении, видно, что плечи 2 и 3 возбуждаются синфазно, а так как они расположены симметрично относительно плеча 1, то амплитуды синфазных волн равны.

Чтобы устранить отраженную в плечо 1 волну, в Н-тройник вводят индуктивный штырь, как показано на рис. 17. 9. 2. Цилиндрическая волна прежде, чем отразиться от стенки CDGF, частично отражается от штыря, и в плече 1 образуются две отраженные волны : одна от штыря, а другая - от металлической стенки. Диаметр штыря подбирается так, чтобы амплитуды обеих отраженных волн были одинаковыми. Если расстояние t между центром штыря и стенкой CDGF близко к то волна, отраженная от металлической стенки, запаздывает по отношению к волне, отраженной от штыря, на 180°, т. е. эти волны гасят друг друга.

Так как амплитуда отраженной волны в плече 1 равна нулю, то в согласованном таким образом Н-тройнике энергия, поступившая в плечо 1, делится точно поровну между плечами 2 и 3. При этом в соответствии с принципом взаимности должно иметь место и обратное явление: если в плечах 2 и 3 одновременно возбудить синфазные волны равной амплитуды, то энергия этих волн сложится и поступит в плечо 1.

Аналогично можно рассмотреть случаи, когда возбуждается только плечо 2. или только плечо 3. Плечи 1 и 3 в Н-тройнике расположены несимметрично относительно плеча 2, как и плечи 1 и 2 относительно плеча 3. Поэтому энергия, ответвляющаяся в плечо 1, при возбуждении плеча 2 не равна энергии, ответвляющейся в плечо 3.

Неравное деление мощности между плечами имеет место также при возбуждении плеча 3. Кроме того, Н-тройник, согласованный со стороны плеча 1 (рис. 17. 9. 2), рассогласован со стороны плеч 2 и 3.

Очевидно, что из всех возможных конструкций Н-тройников только Y-сочленение, изображенное на рис. 17. 9. 3, обеспечивает равное деление мощности между боковыми плечами при возбуждении любого из трех плеч.

ВОЛНОВОДНЫЕ Е-ТРОЙНИКИ

Если обратиться к рис. 17. 9. 5, где изображена структура электрического поля в сечении АА Е-плоскостного Т-тройника (рис. 17. 9. 1), то нетрудно заметить, что в плечах 2 и 3 тройника возбуждаются противофазные волны когда энергия поступает в плечо 1. Так как плечи 2 и 3 расположены симметрично относительно плеча 1, то амплитуды противофазных волн равны. Часть входящей электромагнитной волны, отразившись от металлической плоскости C'D'G'F (рис. 17. 91), возбуждает в плече 1 отраженную волну. Чтобы скомпенсировать эту отраженную волну, в плече 1создают еще одну отраженную волну, используя симметричную или несимметричную индуктивную диафрагму (рис. 17. 9. 1). При этом энергия, поступающая в плечо 1, поровну делится между плечами 2 и 3. В соответствии с принципом взаимности должно иметь место и обратное явление: если в плечах 2 и 3 рассматриваемого Е-тройника одновременно возбудить противофазные волны равной амплитуды, то их энергия суммируется и поступает в плечо 1.

//7л ВП ПрСВЧУ

7. 2. Тройники

Тройником называется сочленение трех линий передачи. Тройники на эквивалентной схеме отображаются в виде шестиполюсника. На рис. 7. 3, а и бпоказаны волноводные симметричные Y-тройники в плоскостях H и Е соответственно и их эквивалентные схемы. Определим матрицы рассеяния этих устройств. Матрица рассеяния шестиполюсника имеет третий порядок (по числу пар клемм многополюсника или входов устройства СВЧ). Коэффициент отражения определяется при подключении к первому входу генератора, а к остальным - согласованных нагрузок. В этом случае нагрузкой эквивалентной линии, соответствующей первому входу, является параллельное соединение двух линий с волновым сопротивлением эквивалентных входам 2 и 3, т. е. . Поэтому Поскольку сочленение симметрично, По этой же причине коэффициенты передачи из первого входа на второй и третий равны, т. е. Так как рассматривается идеальный Y-тройник без потерь, его матрица рассеяния унитарна. Поэтому сумма квадратов модулей элементов любой строки или столбца этой матрицы равна единице, т. е. Учитывая сказанное, находим Клеммные плоскости данного устройства могут быть расположены так, чтобы все элементы первого столбца матрицы рассеяния стали действительными. Учитывая, что Y-тройник является взаимным устройством и его матрица рассеяния симметрическая, получаем

(7. 1) L

Рассуждая аналогично по отношению к симметричному Y-тройнику в плоскости Е, получаем

(7. 2)

Знак «минус» при коэффициентах передачи этой матрицы объясняется тем, что при возбуждении, например,

входа 1 Y-тройника, на оставшихся входах ориентация вектора изменяется на противоположную (рис. 7. 3, б). Можно проанализировать Y-тройники с учетом их геометрической симметрии относительно оси и плоскости, проходящей через середину каждого из волноводов. Воспользовавшись методикой влияния геометрической симметрии устройств СВЧ на его внешние характеристики, можно получить матрицы рассеяния таких устройств, совпадающие с (7. 1) и (7. 2).

На рис. 7. 4 показаны волноводные Т-образные тройники в Н- и Е-плоскостях соответственно. Обычно их выполняют так, чтобы они были согласованы по входам 1, поэтому при возбуждении этих входов мощность делится поровну между плечами 2 и 5 (входы устройства СВЧ иногда называют плечами), поэтому В Н-тройнике при этом плечи 2 и 3 возбуждаются в фазе, а в Е-тройнике - в противофазе.

Учитывая сказанное и свойство унитарности матрицы , получаем следующие матрицы рассеяния Т-образных тройников:

(7. 3)

На рис. 7. 5 представлены тройники в коаксиальном и полосковом исполнениях соответственно. Они имеют матрицы рассеяния такие же, как у волноводного Н-тройника. На практике часто возникает задача сложения мощностей двух источников в общей нагрузке. Рассмотрим возможность применения для этой цели, например, Т-образного Н-тройника. Подключим первый источник с амплитудой ко второму плечу тройника, второй источник с амплитудой - к третьему плечу, а согласованную нагрузку - к первому плечу. Найдем амплитуды волн (n= 1, 2, 3), отраженных

от тройника, с помощью определения матрицы рассеяния:

Отсюда следует, что мощность источников складывается на первом плече тройника только тогда, когда В противном случае во втором и третьем плечах тройника появляются нежелательные отраженные волны, для устранения которых при любых амплитудах источников необходимо, чтобы матрица рассеяния шестиполюсного устройства сложения мощности имела вид

Так как эта матрица симметрическая, она соответствует взаимному устройству. Определим наличие тепловых потерь в этом устройстве, для чего найдем собственные числа матрицы рассеяния как корни характеристического многочлена

Подставив сюда матрицу получим откуда . Таким образом, при возбуждении устройства СВЧ первым собственным вектором матрицы он должен полностью поглощаться этим устройством, а второй и третий собственные векторы должны полностью отражаться от устройства СВЧ. Этими свойствами обладает согласованный тройник (или балансный делитель мощности), полосковый вариант которого показан на рис. 7. 6. В его состав входит поглощающий элемент в виде резистора R, сопротивление которого, а также волновые сопротивления плеч подбирают из условия обеспечения максимальной рабочей полосы частот устройства.

//7л ВГ ПрСВЧУ