Простейшие типы направленных ответвителей

Эффект направленного ответвления энергии электро­магнитных колебаний можно получить, используя воз­буждение вторичного тракта (вспомогательного волно­вода) элементами электрической и магнитной связи как разнесенными конструктивно на некоторое определенное расстояние друг от друга, так и объединенными в один элемент.

Познакомившись с путями расчета переходного ос­лабления отдельных элемен­тов связи, перейдем теперь к рассмотрению простейших типов направленных ответвителей. Простейшие на­правленные ответвители со­держат один-два элемента связи.

Ответвитель Бете. Одна из ранних конструкций на­правленных ответвителей (с круглым отверстием связи посредине широкой стенки) носит название «ответвитель Бете». Принцип работы этого ответвителя следует из уравнений (1). Рассмотрим случай, когда два прямо­угольных волновода связаны между собой через цент­ральное отверстие в широкой стенке. Оси волноводов сдвинуты под углом α. Схематически ответвитель Бете изображен на рис. 13, где А и В – электрическая и маг­нитная составляющие электромагнитного поля в обоих трактах ответвителя.

Как видно из рис. 3, электрическая связь возбуждает во вспомогательном волноводе синфазное поле, тогда как магнитная связь – противофазное. Поэтому мощность суммарного поля во вспомогательном (вторичном) волноводе распространяется в обратном направлении, то есть в направлении, противоположном распространению энергии в основном волноводе.

Это следует и из уравнений (1).

Если ось отверстия связи 1 направим по оси х, а ось 2 – по оси z, тогда из уравнений (9) имеем:

С учетом этих соотношений уравнение (1) примет вид:

(29)

Амплитуда А равна нулю (идеальная направлен­ность), когда

(30)

Выражения (29) и (30) записаны без учета толщины общей стенки.

Если волноводы в ответвителе Бете одинаковы, а от­верстие связи расположено посредине широкой стенки волновода, то переходное ослабление и направленность ответвителя с учетом толщины стенки можно вычислить по формулам:

(31)

где d – диаметр отверстия связи,

F _e и F _m – коэффициенты затухания, которые опре­деляются из соотношения (6).

Из выражений (31) следует, что направленность от­ветвителя бесконечна, когда

Для более точных расчетов переходного ослабления ответвителя Бете следует несколько видоизменить фор­мулу (13):

Совокупность соотношений (31) позволяет рассчитать направленный ответвитель Бете. Обычно представляют интерес частотные характеристики параметров направ­ленного ответвителя.

Из формулы направленности ответвителя следует, что частотная зависимость направленности определяется членом

Отношение сравнительно мало изменяется с частотой при малой толщине общей стенки, поэтому за­висимость направленности от частоты в случае тонкой стенки определяется в основном отношением .

Однако очень тонкие стенки при практическом изго­товлении направленного ответвителя неудобны, поэтому отверстие в главном волноводе делают требуемой вели­чины, а во вспомогательном –несколько большей. По­добная конструкция приводит к меньшему затуханию, чем в случае с равными отверстиями. На практике поло­са частот, в которой направленность не опускается ниже 20 дб, около 20% [16].

Ответвитель Бете не может иметь переходное ослаб­ление порядка 20 дб и ниже, так как большое отверстие в стенке волновода приводит к возникновению сущест­венного отражения в основном и во вспомогательном трактах.

Рабочий диапазон ответвителя Бете можно несколько расширить, но для этого необходимо заполнить отвер­стие связи ответвителя диэлектриком с є>1 [17].