4.3 Направлені відгалужувачі
Направленими відгалужувачами називаютья восьмиполюсники, призначені для направленого відгалуження НВЧ енергії. Зокрема вони можуть використовуватись для роздільного відгалуження з лінії передачі нергії падаючої і відбитої хвиль.
Використовуються направлені відгалужувачі в схемах вимірювання коефіцієнта відбиття, змішування та розділення сигналів, контролю параметрів сигналів, потужності частоти, а також перемикачів фазоповертачів і т.д
Лінія передачі
Рис . Лінія передачі
Лінія передачі, по якій передається основна потужність називається основною, а лінія в яку відгалужується частина потужності – допоміжною. Як правило направлені відгалужувачі є взаємними пристроями.
Основні характеристики напрявленого відгалужувача:
перехідне ослаблення;
напрямленість;
розв’язка;
КСХ основної та допоміжної лінії.
Розглянемо основні властивості напрямленого відгалужувача при умові подачі сигналу в плече 1 і узгоджених навантажень в решті плечах.
Для визначення характеристик напрямленого відгалужувача використовуються 3 типи потужностей :
Р1- вхідна потужність основної лінії;
Р4- потужніть в робочому плечі допоміжної лінії;
Р3- потужність в неробочому плечі допоміжної лінії;
Використовуючи задані потужності отримаємо:
А14=10*lg(Р1/Р4) – перехідне ослаблення;
А43=10*lg(Р4/Р3) – направленість;
А13=10*lg(Р1/Р3) – розв’язку;
Величина перехідного ослаблення в 10 дБ прийнята за границю сильного і слабкого зв’язку. Для взаємних напрямлено відгалужувачів перехідне ослаблення не залежить від напрямку сигналу, тому А14=А23. Напрямленість характеризує просочування потужності в неробоче плече допоміжної лінії.
Коефіцієнт стоячої хвилі (КСХ.) первинної лінії характеризує відбиття, що вносить напрямлений відгалужувач в НВЧ тракт і визначається з сторони вхідного плеча при наявності узгоджених навантажень в інших плечах.
Відгалужувачі з рівним енергорозподілом, тобо з відгалуженим у вторинну лінію половини потужності, що поширюється по первинній лінії, отримали назву гібридних з’єднань.
Визначимо матрицю розсіяння ідеального направленого відгалужувача:
S11 S12 S13 S14
S21 S22 S23 S24 (4.20)
S = S31 S32 S33 S34
S41 S42 S43 S44
Для ідеального відгалужувача справедливі наступні умови:
коефіцієнти відбиття: S11=S22=S33=S44=0;
розв’язка нескінченна, тобто коефіцієнт передачі з плеча 1 в плече 3, та з плеча 2 в плече 4 рівні нулю S13=S24=S31=S42=0;
розгалужувач взаємний тобто: S14=S41=S23=S32=k;
перехідне ослаблення для кожного відгалужувача буде становити: A14=A41=A23=A32=20*lg(1/k); (дБ)
Можна показати що в цьому випадку для решти параметрів матриці розсіювання справедлива наступна залежність:
(4.21)
В результаті отримаємо матрицю розсіювання.

(4.22)
1. Напрямлені відгалужувачі з 2 елементами зв’язку можна сконструювати на базі ненапрямних елементів зв’язку, якими являються наприклад отвори у вузькій стіні прямокутного хвилеводу, зв’язок через які здійснюється за рахунок тангенціальної складової магнітного поля. Два таких отвори, розміщені на віддалі l=(/4 один від другого забезпечують направлений зв’язок. Направленість досягається за рахунок інтерференції електромагнітних хвиль, які збуджуються у вторинному хвилеводі (рис. ).
відгалужувач
Рис.
Розглянемо функціонування такого розгалужувача. Нехай хвиля Н10 поступає в плече 1 основного хвилеводу. Кожен отвір зв’язку збуджує у допоміжному хвилеводі дві хвилі рівні за амплітудою. В плече 3 приходить дві хвилі, різниця ходу яких становить 2*(/4=(/2 або фазовий зсув становить ((=2*(l=(, при цьому хвилі віднімаються. В плече 4 приходить також 2 хвилі, фазовий зсув між якими (=0, при цьому ці хвилі додаються. Перехідне ослаблення таких напрамлених відгалужувачів велике і складає не менше 20дБ, що дозволяє рекомендувати їх для роботи на великих рівнях потужності.
Пусть два волноводных отрезка имеют общую стенку с двумя отверстиями связи, центры которых находятся в точках "с" и "b". Слева по основному волноводу распространяется прямая волна типа Н10 с мощностью P1+. Второй волновод, в который следует ответвить часть мощности, слева имеет согласованную нагрузку Zн2=Z0, где Z0 – волновое сопротивление волновода. Прямая волна P1+ возбуждает через отверстия связи волны в ответвляющем волноводе. Вправо в ответвляющем волноводе будет распространяться волна, сформировавшаяся из волн, направляющихся по путям «acd» и «аbd». Поскольку расстояния, проходимые этими волнами, одинаковы, то они складываются в фазе.
Влево, в ответвляющем волноводе, (к нагрузке Zн2) волны распространяются по путям "aсе" и "аbе" и имеют разность хода в половину длины волны (/2=((/4+(/4), т.е. находятся в противофазе, и энергия волны не распространяется в этом направлении.
При произвольной нагрузке Zн1 в основном волноводе формируется обратная волна с мощностью P1–. Части отраженной волны, пришедшие из основного волновода по путям «fce» и «fbe», сложатся в фазе в ответвляющем волноводе и поглотятся в поглощающей нагрузке Zн2.
Таким образом, в ответвляющем волноводе прямая волна с мощностью P2+ и обратная волна с мощностью P2– разделены.
При Zн1=Z0 значение P2+ пропорционально мощности P1+.

Если перевернуть ответвляющий волновод так, как показано на рис. 2.2.б, то можно выделить часть мощности отраженной волны P2–, пропорциональную P1–.
Таким образом, используя два направленных ответвителя, включённых в противоположных направлениях, можно измерить значения P2+ и P2– и рассчитать значение модуля коэффициента отражения Г из формулы
Г2= P2–/P2+. (2.1)
Если имеется один направленный ответвитель, то значения P2+ и P2– можно измерить при поочерёдном включении направленного ответвителя в прямом и обратном направлениях.
Мощность, поступающая в нагрузку, на выходе направленного ответвителя (рис.2.3) определяется выражением
Рн = Рпад – Ротр = Рпад(1 – Ротр/Рпад) = Рпад(1-Г2) = P1+(1-Г2). (2.2)