Характеристики переходного ослабления сложных элементов связи

Примером сложных элементов связи двух прямо­угольных волноводов являются крестообразные и «риблетовские» элементы связи. И те и другие можно рас­сматривать как комбинацию двух простейших элементов связи – продольной и поперечной щелей, расположенных на широкой стенке волновода.

Геометрические размеры продольной и поперечной щелей, как правило, одинаковые. Так как крестообразные и «риблетовские» элементы являются частным случаем связи двух волноводов через продольную и поперечную щели; то рассмотрим сначала связь двух прямо­угольных волноводов через эти простейшие элементы связи в самом общем виде. Пусть два параллельных прямоугольных волновода связаны с помощью двух ще­лей, одна из которых расположена параллельно, дру­гая –перпендикулярно оси волновода. Щели прорезаны в общей широкой стенке волноводов (рис. 10).

Для симметричности сложного элемента связи потребуем, чтобы по крайней мере две оси симметрии про­дольной и поперечной щелей связи совпадали. Тогда из соотношений (3) с учетом выражений (5) и (9) полу­чим амплитуду волны, возбуждаемой во вспомогатель­ном волноводе сложным элементом связи:

Величины М’₁, М’₂, P’ _e, F’ _{m 1}, F’ _{m 2} и F' _e аналогич­ны записанным и получаются из них заменой l ₁, ω₁ на l ₂, ω₁, х и x ₁ – характеризуют положение несовпадающих осей симметрии щелей связи.

«Риблетовский» элемент связи. Для существенного упрощения выражения амплитуды волны, возбуждаемой во вспомогательном волноводе, будем считать геометри­ческие размеры продольной и. поперечной щелей одина­ковыми. Полагая, что и х ₁→0 (стремление х ₁ к

Рис. 11. Нормализованные кривые для «риблетовского» элемента

связи.

нулю означает, что продольная щель расположена близ­ко к узкой стенке волновода), получим выражение для амплитуды волны, возбуждаемой во вспомогательном волноводе «риблетовским» элементом связи:

(17)

откуда переходное ослабление «риблетовского» элемен­та связи равно:

(18)

Последнее выражение является общепризнанным и, применяется для расчета переходного ослабления «риблетовского» элемента связи [13, 14].

На рис. 11 приведены графики, которые могут быть использованы для приближенных расчетов переходного ослабления «риблетовского» элемента связи в случае волноводного канала сечением 2: 1 [15].

Вообще выражение (18) приближенно, так как в реальных конструкциях продольная щель расположена на некотором расстоянии от узкой стенки волновода. С учетом этого выражение для переходного ослабления «риблетовского» элемента связи примет вид:

(19)

Крестообразный элемент связи. Если в выражении (16) х = х ₁, то совокупность продольной и поперечной щелей образует крестообразное отверстие связи, которое возбуждает во вспомогательном волноводе электромаг­нитную волну с амплитудой, равной:

(20)

где

В случае равенства геометрических размеров про­дольной и поперечной щелей M₁* = M₂* и P _e *=2P _e F _e. Но так как С₊= –20 lg |А₊|, то

Выражение (21) аналогично выражению для пере­ходного ослабления круглого отверстия связи, располо­женного на широкой стенке волновода. Поэтому есте­ственно поставить вопрос об оптимальной характеристике переходного ослабления крестообразного отверстия свя­зи в зависимости от его положения относительно оси вол­новода. Крестообразное отверстие связи отличается от круглого различным соотношением магнитной и электри­ческой поляризуемостей: для крестообразного отверстия связи, как правило, М₁*=М₂* >> Р _е *, для круглого –М₁ = М₂=2Р _е.

Используя условия оптимальности характеристики переходного ослабления (14), получим h _опт для кресто­образного отверстия связи, которое определяется соотно­шением вида:

λ_g1, λ_g2 – длины волн в волноводе, соответст­вующие краям заданного диапазона; F _{m 1}, F _{m 2}, F _{e l}, F _{e 2} – значения коэффициентов затухания F _m и F _e на краях диапазона, при­чем

l и ω – соответствующие размеры крестообразного отверстия связи.

Зависимости h _опт крестообразного отверстия связи от геометрических размеров отверстия для волноводного канала сечением 2: 1 и каналов близкого сечения, на­шедших применение в технике сверхвысоких частот, представлены графически на рис.12.

Диапазон длин волн, в котором характеристика переходного ослабления крестообразного отверстия связи должна быть оптимальна, выбран таким же, как и для круглого отверстия связи, –0,5λ_кр÷0,8 λ_кр.

Из графиков, приведенных на рис. 12, видно, что элемент связи, для которого =const, обладает мень­шим перепадом (Δh = h _{опт max} – h _{опт min}) в заданном ин­тервале , чем элемент связи с ω=const.

Сравнивая значения h _опт для крестообразного от­верстия связи со значениями h _опт для круглого отверстия связи (рис. 9), следует отдать предпочтение первому ви­ду связи, для которого h _опт слабее зависит от геометри­ческих размеров элемента связи.

Однако в технике сверхвысоких частот направленные ответвители с элементами связи в виде круглых отвер­стий получили широкое распространение из-за техноло­гичности изготовления области связи.

Как уже отмечалось, при конструировании направ­ленных ответвителей обычно стремятся выбрать такой тип элемента связи и так расположить его, чтобы величи­на переходного ослабления как можно меньше изменя­лась в рабочем диапазоне длин волн. Разность макси­мального и минимального значений переходного ослаб­ления в диапазоне принято называть перепадом переход­ного ослабления и записывать в виде:

(23)

Рис. 12. Зависимость h _опт от геометрических размеров крестообразного отверстия связи:

1 – канал 24×48, ω t /2 =0,5 мм; 2 – канал 24×48, l/ω=0,1, t =1 мм; 3 – канал 15×35 и 4 – канал 12,6×28,5 при ω/ l =0,1; t =1 мм.

Оценим величину перепада переходного ослабления для крестообразного отверстия связи. Очевидно, что свое минимальное значение C_min переходное ослабление при­нимает на краях заданного диапазона, если отверстие расположено на расстоянии h _опт от оси волновода, и

(24)

Максимального значения переходное ослабление крестообразного элемента связи достигает на длине волны λ _{g 0}, для которой

Величина λ _{g 0} с достаточной точностью определяет­ся соотношением:

(25)

тогда

(26)

Подставляя значения выражений (24) и (26) в равен­ство (23), получим:

(27)

или

(28)

где М₁₀*, М₂₀* и P _{e 0}* – величины, определенные раньше в соотношении (20) при длине волны λ _{g 0},

а М₁₁*, М₂₁*,Р _{е 1}* – те же величины при λ _{g 1}.

Аналогично можно рассчитать перепад переходного ослабления и для круглого отверстия связи, располо­женного на широкой стенке волновода.