Ферритовый вентиль свч для чего нужен

Ферритовый вентиль

Ферри́товый ве́нтиль (феррит + нем. ventil — клапан) — СВЧ-устройство с односторонним прохождением электромагнитной волны, то есть с очень малым затуханием волны, проходящей в одном направлении и очень большим — для волны обратного направления.

Содержание

Общие сведения

Вентили применяют для поглощения отраженных волн в линии передачи, улучшая тем самым согласование различных элементов цепи. Их эффективность определяется вентильным отношением В, то есть отношением ослаблений обратной и прямой волн, выраженным в децибелах:

где — коэффициенты затухания прямой и обратной волны.

Принцип действия вентилей основан на том, что намагниченная ферритовая пластина является невзаимной средой. То есть при прямом прохождении волны вектор ее поляризации поворачивается из положения А в положение А΄, а при обратном прохождении, он не возвращается в исходное положение А.

Наиболее широко применяются вентили трех типов: резонансные, со смещением поля и фарадеевские.

Резонансные вентили

В резонансных вентилях используется то, что поглощение мощности при ферромагнитном резонансе имеет место в переменном магнитном поле с круговой поляризацией и правым направлением вращения относительно направления постоянной намагниченности M₀ (то есть с направлением вращения головки правого винта при поступательном движении винта в направлении M₀). В прямоугольном волноводе с ферритовой пластиной при некотором (близком к четверти ширины волновода) положении пластины переменное магнитное поле в пластине имеет круговую поляризацию с разными направлениями вращения поляризации для различных направлений распространения. Поэтому потери энергии при резонансе оказываются малыми для одного направления распространения и большими для другого.

Вентили со смещением поля

Вентили со смещением поля используют то, что распределения переменного электрического поля в волноводе с намагниченной ферритовой пластиной различаются для разных направлений распространения. И может быть найдено положение пластины, для которого электрическое поле на ее поверхности равно нулю для одного из направлений распространения. На эту поверхность помещается поглотитель, например тонкая пленка металла.

Фарадеевские вентили

Фарадеевский вентиль состоит из отрезка круглого волновода с ферритовым стержнем, расположенным по оси, и внешнего соленоида, создающего продольное поле подмагничиваиия. С обеих сторон круглый волновод оканчивается плавными переходами к прямоугольным волноводам. Внутри переходов параллельно широким стенкам входного и выходного прямоугольных волноводов установлены поглощающие пластины. Выходной прямоугольный волновод повернут по отношению к входному на угол 45°. Волна, поданная на вход 1, не испытывая ослабления в поглощающей пластине, преобразуется в волну H₁₁ круглого волновода с вертикальной поляризацией. Диаметр и длина ферритового стержня и напряженность подмагничивающего поля выбраны так, что плоскость поляризации волны при распространении по отрезку круглого волновода с ферритом поворачивается по часовой стрелке на угол 45°, и волна без потерь проходит через переход с поглощающей пластиной в выходной прямоугольный волновод, узкие стенки которого оказываются параллельными вектору E.

Для уменьшения отражений концы ферритового стержня и поглощающих пластин имеют скосы. Волна, поступающая на вход 2, без ослабления преобразуется в волну H₁₁ круглого волновода. При распространении на участке с ферритовым стержнем плоскость поляризации волны поворачивается по часовой стрелке на 45° (направление поворота плоскости поляризации при эффекте Фарадея не зависит от направления распространения волны и определяется только направлением поля подмагничивания). На выходе участка с ферритом вектор E оказывается параллельным широким стенкам прямоугольного волновода входа 1 и поглощающей пластине. На вход 1 волна не проходит, и вся переносимая ею мощность рассеивается в поглощающей пластине. Такой вентиль может рассматриваться как частный случай фарадеевского циркулятора.

Источник

Принцип действия функциональных узлов

1. Принцип действия ферритовых вентилей может быть основан на разных явлениях: ферромагнитного резонанса, явления смещения поля и эффекте Фарадея. Наиболее распространенными являются конструкции, использующие первыедва явления.

Вентили можно использовать для устранения влияния нагрузки на работу генератора. При этом вентиль ставят на выходе генератора, питающего нагрузку через длинный волновод, что позволяет исключить в магнетронном генераторе «эффект длинной линии», связанный с затягиванием частоты магнетрона, при котором частота генерации магнетрона изменяется скачком. Вентили могут также использоваться для устранения волны, отраженной от нагрузки с тем, чтобы на большей части линии КСВ было мало. При этом вентиль ставят около нагрузки.

36

По сравнению с резонансными вентилями вентили на смещении поля работают при меньшем значении подмагничивающего поля, а, следовательно, имеют меньше вес и габариты, чем резонансные вентили. Кроме того, величина магнитного поля Н₀ не столь критична для его работы, поэтому они более широкополосны. К числуих недостатков следует отнести малый допустимый уровень мощности, который в сантиметровом диапазоне не превышает 7-10 кВт импульсной мощности.

Вентильное отношение у вентилей на смещении поля меньше так, что

обратное затухание составляет всего 12-25 дБ, прямое 0,3-0,7 дБ при КБВ = 0,85-0,9.

4. Циркуляторы представляют собой многополюсник с тремяиличетырьмя выходами, в котором соблюдается определенная последователь­ность передачи сигналов от входа к выходу: от первого ко второму, от второго к третьему и т.д.

Циркуляторы используются в качестве антенных переключателей, когда требуется обеспечить работу передатчика и приемника с одной антенной (рис.3.8,а). Они могут также использоваться в проходных фазовращателях и для разделения входной и выходной мощностей у па­раметрических усилителей, имеющих совмещенный вход и выход (рис. 3.8,б).

Толщина ферритового стержня подбирается из условия, чтобы в круглом волноводе возбуждалась волна Н₁₁ и не возбуждались волны высших типов.

Длина стержня и величина подмагничивающего поля подбираются из условия поворота плоскости поляризации волны Н₁₁ на выходном конце стержня на 45° относительно поляризации на входном конце.

Передача сигнала от входа  к выходу  происходит следующим образом. Волна Н₁₀ из волновода  переходит в круглый волновод и преобразуется в волну Н₁₁. Последняя возбуждает в волноводе  волну Е₁₁, которая находится в закритическом режиме и сигнал на вход  не проходит.

39

На отрезке круглого волновода с ферритом волна Н₁₁ поворачивает плоскость поляризации на 45° (благодаря эффекту Фарадея), проходит мимо волновода  (поскольку условия его возбуждения аналогичны условиям для волновода )и, преобразовавшись в волну Н₁₀, попадает в волновод .

При проходе отраженной волны из волновода  волна Н₁₀ транс­формируется в волну Н₁₁, проходит мимо волновода  и на участке с ферритом поворачивает плоскость своей поляризации еще на 45°. Теперь плоскость поляризации волны Н₁₁ в области волновода  и  такова, что в волноводе  возбуждается волна Н₀₁ в закритическом режи­ме, а в волноводе рабочая волна Н₁₀. Легко убедиться, что порядок передачи сигнала от входа к выходу в рассматриваемом циркуляторе следующий: ®®®®.

6. Фазовые циркуляторы обычно выполняются в двух конструктив­ных вариантах: с двумя щелевыми мостами или со щелевым мостом (I на рис.3.10) и двойным Т-мостом (2 на рис.3.10). Около общей стенки сдвоенного волновода между мостами стоят две поперечно намагниченные ферритовые пластинки 3. Они создают невзаимный фазовый сдвиг 90° благодаря разным значениям коэффициентов фазы у прямой и обратной волн, что обусловлено обратными направлениями вращения высокочастотного магнитного поля в области пластин.

В результате того, что в щелевом мосте при подаче сигнала на вход I благодаря противофазности возбуждения канала  волнами Н₁₀ и H₂₀, возникающими на протяжении L щели, на вход  сигнал не поступает. Волны H₁₀ и H₂₀, распространяясь на протяжении щели, приобретают в ее конце сдвиг по фазе в 90° за счет различияих коэффициентов фазы (Е_Н10 и Е_Н20). В результате в конце щели суммарные поля волн Е₁ и E₂ имеют взаимный сдвиг по фазе 90°, а в сечениях А-А и В-В они синфазны и потому проходят в Н-плечо двойного Т-моста, т.е. в канал .

Легко проследить, что последовательность передачи сигналов из канала в канал соответствует схеме: ®®®®.

Принцип работы Y-циркулятора заключается в следующем. Элек­тромагнитная волна, поданная, например, на вход  (рис. 3.11), разветвляется на две волны, огибающие феррит по и против часовой стрелки. Эти волны распространяются с разными фазовыми скоростями: одна из них бежит быстрее второй. Разница в скоростях позволяет путем подбора размеров циркулятора,

Развязка между каналами достигает 20-25 дБ при рабочей полосе частот 3-7%.

8. Коммутаторы, например, в виде переключателей могут быть выполнены с ферритовыми элементами, параметрами которых можно управлять изменением подмагничивающего поля Н₀. Последнее регулируется изменением постоянного тока в обмотке соленоида.

Источник

Реферат: Ферритовые микроволновые устройства для систем с высоким уровнем мощности

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

По дисциплине: «Средства ТЗИ микроволнового и оптического диапазонов»

По теме: «Ферритовые микроволновые устройства для систем с высоким уровнем мощности»

Проверил: Щербина А.А.

Выполнил: Ст.гр. СТЗИ-07-1

На сегодняшний день разработано и выпускается широкая гамма ферритовых приборов микроволнового диапазона, которые позволяют создавать современные системы, удовлетворяющих нынешним и перспективным требованиям микроволновой электроники, программ космических исследований, работ по физике высоких энергий, систем беспроводной связи и других различных систем микроволнового диапазона. Среди всего многообразия можно выделить наиболее важные и часто применяемые. Именно они и будут рассмотрены ниже.

Ферритовые циркуляторы не требуют источника питания, и работают на значительно более высоких мощностях, чем активные. Также выше их рабочий частотный диапазон. При этом на низких частотах, их габариты могут оказаться неприемлемо большими.

Рис.1 Поляризационный циркулятор на основе отрезка волновода с круглым сечением

Также выделяют такие характеристики, как рабочая частота (длина волны), полоса пропускания, предельная рабочая мощность, диапазон рабочих температур, способ включения в тракт (вид разъёмов), массогабаритные показатели, устойчивость к внешнему постоянному магнитному полю, срок службы (обусловлен старением постоянного магнита).

Вентили применяют для поглощения отраженных волн в линии передачи, улучшая тем самым согласование различных элементов цепи. Их эффективность определяется вентильным отношением В, то есть отношением ослаблений обратной и прямой волн, выраженным в децибелах:

Принцип действия вентилей основан на том, что намагниченная ферритовая пластина является невзаимной средой. То есть при прямом прохождении волны вектор ее поляризации поворачивается из положения А в положение А΄, а при обратном прохождении, он не возвращается в исходное положение А

Наиболее широко применяются вентили трех типов: резонансные, со смещением поля и фарадеевские.

Вентиль с резонансным поглощением на прямоугольном волноводе ( рис.2) с волной типа H₁₀ основан на использовании поперечно намагниченной ферритовой вставки 1, расположенной в области волновода с вращающимся полем .

Рис.2 Волноводный резонансный вентиль

Поперечное поле подмагничивания создают постоянным магнитом 2, причём величину поля подбирают равной полю гиромагнитного резонанса для право поляризованной волны. Падающая волна, при прохождении которой на феррит действует вектор H с левым вращением относительно поля подмагничивания, распространяется через вентиль с небольшим затуханием. Отражённая волна, при прохождении которой на феррит действует правовращающийся вектор , интенсивно затухает из-за больших потерь в феррите при гиромагнитном резонансе.

Поле подмагничивания необходимое для существования гиромагнитного резонанса, и требуемое положение ферритовой пластины в волноводе зависят от частоты, что ограничивает диапазонные свойства резонансного вентиля. Расширить рабочую полосу частот резонансного вентиля удаётся с помощью диэлектрической пластины 3, скрепленной с ферритовой пластиной. Диэлектрическая пластина способствует сохранению в полосе частот условий вращения вектора в зоне расположения феррита.

Основную долю прямых потерь составляют магнитные потери в феррите, появляющиеся вследствие ферромагнитного резонансного поглощения (рис.3).

Рис.3 Зависимость потерь в феррите от магнитного поля

При конструировании резонансных вентилей выбирается область работы вблизи резонанса. Потери на «хвосте» резонансной кривой составляют заметную величину и в основном определяют потери в ферритовом устройстве.

Вентили со смещением поля используют то, что распределения переменного электрического поля в волноводе с намагниченной ферритовой пластиной различаются для разных направлений распространения. И может быть найдено положение пластины, для которого электрическое поле на ее поверхности равно нулю для одного из направлений распространения. На эту поверхность помещается поглотитель, например тонкая пленка металла.

Фарадеевский вентиль состоит из отрезка круглого волновода с ферритовым стержнем, расположенным по оси, и внешнего соленоида, создающего продольное поле подмагничиваиия. С обеих сторон круглый волновод оканчивается плавными переходами к прямоугольным волноводам. Внутри переходов параллельно широким стенкам входного и выходного прямоугольных волноводов установлены поглощающие пластины. Выходной прямоугольный волновод повернут по отношению к входному на угол 45°. Волна, поданная на вход 1, не испытывая ослабления в поглощающей пластине, преобразуется в волну H₁₁ круглого волновода с вертикальной поляризацией. Диаметр и длина ферритового стержня и напряженность подмагничивающего поля выбраны так, что плоскость поляризации волны при распространении по отрезку круглого волновода с ферритом поворачивается по часовой стрелке на угол 45°, и волна без потерь проходит через переход с поглощающей пластиной в выходной прямоугольный волновод, узкие стенки которого оказываются параллельными вектору E. Для уменьшения отражений концы ферритового стержня и поглощающих пластин имеют скосы. Волна, поступающая на вход 2, без ослабления преобразуется в волну H₁₁ круглого волновода. При распространении на участке с ферритовым стержнем плоскость поляризации волны поворачивается по часовой стрелке на 45° (направление поворота плоскости поляризации при эффекте Фарадея не зависит от направления распространения волны и определяется только направлением поля подмагничиваиия). На выходе участка с ферритом вектор E оказывается параллельным широким стенкам прямоугольного волновода входа 1 и поглощающей пластине. На вход 1 волна не проходит, и вся переносимая ею мощность рассеивается в поглощающей пластине. Такой вентиль может рассматриваться как частный случай фарадеевского циркулятора. [2, с 65-67]

Фазовращатель это устройство, предназначенное для изменения фазы электромагнитных колебаний на выходе относительно фазы колебаний на его входе. Фазовращатели подразделяются на регулируемые и нерегулируемые.

Недостатком такого технического решения является то, что, решая определенные задачи распространения волн микроволнового диапазона в волноводе, в частности подавления высших типов волн, а также согласование ферритовой секции, оно никак не касается улучшения технологичности изготовления фазовращателя, при котором возникают значительные трудности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является ферритовый фазовращатель с поперечным магнитным полем, содержащий ферритовый вкладыш, установленный в полости металлического волновода, толщина стенки которого много меньше его радиуса, и магнитную систему, аналогичную статору асинхронного двигателя.

В этом техническом решении изготовление статора производят отдельно из набора пластин, вырубаемых из листа электротехнического железа или пермаллоя, и обмоток, вкладываемых в этот набор, причем при сборке фазовращателя он должен устанавливаться на волновод с ферритом.

Для включения в тракт фазовращатель на обоих концах должен иметь фланцы, а также, как правило, и увеличение диаметра волновода для расположения, например, согласователей, что требует использования в волноводе съемного фланца (хотя бы одного) или использование ступеньки, которые припаиваются к волноводу после сборки статора с волноводом. Посредством пайки фланца к волноводу добиться необходимого качества шва невозможно без значительного увеличения длины волновода и толщины его стенки, а это резко ухудшает параметры ферритового фазовращателя и, кроме того, при сильном разогреве невозможно сохранить диаметр канала волновода с требуемой точностью. Эту проблему решают изготавливая волновод с двумя фланцами и ступеньками на концах целиком из одной заготовки, в результате чего на нем отсутствуют швы и соединения и можно достаточно точно выдержать все размеры. Таким образом, при низких затратах удается обеспечить минимальную длину волновода и минимальную толщину его стенки, высокую точность выполнения внутреннего и внешнего диаметров, что гарантирует получение наилучших электрических параметров.

При подаче тока в обмотку магнитной системы в волноводе с ферритом образуется поперечное магнитное поле и при определенной его ориентации относительно вектора электромагнитной волны происходит изменение ее фазы, которое увеличивается при увеличении индукции управляющего поля. Наиболее эффективное изменение фазы происходит при создании четырехполюсного магнитного поля [3, с.76-81], причем центральные линии этого поля и линии (или хотя бы их концы), на которых располагаются точки вращения вектора магнитного поля волны, должны совпадать. Для уменьшения потребления энергии управления элементы магнитопровода должны выполняться из материалов с наибольшей магнитной проницаемостью. Кроме того магнитопровод статора изготавливается из простых деталей без применения сложных и дорогих вырубных штампов. В таком статоре резко упрощается укладка катушек, так как это делается снаружи в открытые пазы.

Чаще применяется фазовращатель на основе линии волновода. Ферритовый фазовращатель в прямоугольном волноводе с продольным намагничиванием. По оси волновода расположен ферритовый стержень, круглого или прямоугольного сечения. Управляющее магнитное поле направлено продольно и создается соленоидом, намотанным снаружи непосредственно на волноводе. Изменением управляющего магнитного поля можно менять магнитную проницаемость феррита и соответственно скорость распространения и длину волны высокочастотных колебаний внутри волновода, а следовательно, и фазу поля за ферритовым стержнем. Достоинством такого фазовращателя является его простота и возможность регулировки фазы в широких пределах (0.360 0 ) при небольшом ослаблении мощности колебаний (0,5.1,0 дБ).

Возможен коаксиальный вариант фазовращателя, в котором феррит заполняет часть пространства между центральным проводом и экранирующим цилиндром, а поперечное магнитное поле создается магнитом, устанавливаемым снаружи отрезка коаксиальной линии.

Частным случаем фазовращателя является гиратор.

Простейший гиратор представляет собой отрезок круглого волновода, в который помещён намагниченный ферритовый стержень определённых размеров.

Выводы

При создании и расчете мощных микроволновых устройств необходимо учитывать связанные с процессами возбуждения волн магнитные потери энергии в феррите на высоких уровнях мощностей. Для определения этих потерь используют важный параметр величину ширины спиновых волн в феррите. Чем эта величина больше, тем феррит устойчивее к воздействию высоких мощностей.

Список использованной литературы

3. А. Фокс, С. Миллер, М. Вейчс. Свойства ферритов и их применение в диапазоне СВЧ. Москва, 1956

Источник

Ферритовый вентиль СВЧ с гигантским невзаимным эффектом

УДК 537.86

I Введение

Ферритовые развязывающие СВЧ-приборы, работающие на поверхностной ферритовой волне (ПФВ), хорошо известны и описаны в литературе [3]. Эти приборы имеют сравнительно большое обратное затухание, величина которого составляет примерно 30 дБ при вносимых потерях 0,5…..0,6 дБ. Однако развитие СВЧ-техники предъявляет к электрическим параметрам развязывающих приборов все более высокие требования.

Увеличение обратного затухания, достигаемое путём каскадирования известных приборов, приводит к увеличению вносимых потерь и габаритных размеров СВЧ-схемы в целом. Отмеченные недостатки становятся существенными при создании малогабаритных СВЧ-приборов с повышенным отношением обратных и прямых потерь.

В данной работе приведены конструктивная схема, принцип работы и результаты экспериментального исследования волноводного вентиля СВЧ с гигантской величиной обратного затухания. Исследования проведены в двух частотных диапазонах: К_U(сечение волновода 17Х4 мм 2 ) и К (сечение волновода 13Х3,2 мм 2 ). Отношение обратных и прямых потерь составляет не менее 85 дБ/0,4 дБ, т.е. по величине обратного затухания данный прибор превышает широко известные ферритовые вентили СВЧ более чем на 50дБ.

II. Физические основы построения СВЧ-вентиля с высоким отношением обратных и прямых потерь.

В основе построения ферритового СВЧ-вентиля на ПФВ с высоким отношением обратных и прямых потерь лежат следующие физические предпосылки.

1. Антисимметричное распределение амплитуды электрической компоненты СВЧ-поля ПФВ в поперечном сечении волновода, вдоль узких стенок которого расположены поперечно намагниченные в противоположных направлениях прямоугольные ферритовые вкладыши Рис.1, [15].

Такое распределение СВЧ поля позволяет включить вдоль оси волновода в Е-плоскости тонкую металлическую пластину, практически не вызывающую возмущение поля ПФВ и в то же время отражающую объёмную волну типа Н₁₀ (Рис.2) [4]. Е-плоскостная электрическая стенка (металлическая пластина п.1, Рис2), разделяющая отрезок волновода на два параллельных волноводных канала, существенно усиливает эффект невзаимной предельности.

2. Ферриты в развязывающих СВЧ-приборах часто имеют форму цилиндров или прямоугольных пластин. Из-за неэллипсоидальной формы ферритовых образцов, находящихся в однородном внешнем магнитном поле, внутреннее магнитное поле в феррите неоднородно. Неоднородное распределение намагниченности приводят к возбуждению в феррите магнитостатических типов волн (МСВ) Рис.3, [13].

Для прямого направления распространения энергии эти колебания являются паразитными, т.к. отбирают энергию от ПФВ и их частотный диапазон частично перекрывает частотный диапазон существования ПФВ. Поэтому возбуждение МСВ приводит к увеличению вносимого прямого затухания и сужению рабочей полосы частот вентиля.

На рис.4(а) схематично показано качественное распределение Н_z – компоненты внутреннего постоянного магнитного поля вдоль и поперёк прямоугольной ферритовой пластины, находящейся в однородном внешнем магнитном поле.

Убрать отрицательное влияние МСВ удаётся путём уменьшения внутренней магнитной неоднородности вдоль продольной границы феррит-воздух, по которой распространяется ПФВ в прямом направлении. Это достигается за счет использования магнита клинообразной формы (Рис.4б), [5]. На Рис.5 приведено качественное распределение Нz –компоненты внутреннего постоянного магнитного поля вдоль (п.1) и поперёк (п.2) ферритовой пластины, находящейся в поле клинообразного магнита.

Эксперимент показал, что примерно такое же распределение внутреннего магнитного поля можно получить более простым способом – незначительным смещением магнитов в поперечном направлении корпуса прибора (или относительно друг друга). Величина смещения определяется экспериментально и для 2-х см. диапазона длин волн составляет не менее 0,2 от ширины феррита. Клинообразная форма магнита или незначительное смещение магнитов в поперечном направлении прибора, с одной стороны, ликвидирует условия возбуждения МСВ по границе «феррит-воздух», вдоль которой распространяется ПФВ в прямом направлении, а с другой – не препятствует возбуждению МСВ по границе «феррит-металл», вдоль которой затухает ПФВ, распространяясь в обратном направлении. Опыт показывает, что погонную величину затухание ПФВ в обратном направлении и снижение уровня отраженного сигнала можно существенно увеличить, если по границе «феррит-металл» изменить направление подмагничивания феррита с поперечного вертикального на поперечное горизонтальное. Изменение направления подмагничивания вдоль границы распространения с затуханием ПФВ создаёт условия более эффективной трансформации ПФВ в быстро затухающие спиновые и магнитостатические типы волн. В работе [6] приведена конструктивная схема, позволяющая обеспечить это условие. На Рис.6 приведено поперечное сечение конструктивной схемы такого прибора.

На внешних боковых поверхностях прямоугольных магнитов (п.2) расположены с возможностью перемещения вдоль поперечной оси прямоугольные пластины из магнитного материала (п.3). Продольная ось пластин параллельна оси волновода, при этом внешние боковые поверхности магнитов и боковые поверхности прямоугольных ферритовых вкладышей, обращенные к узким стенкам волновода, размещены в одной плоскости. Длина каждой пластины (п.3) равна длине ферритового вкладыша, а толщина «∆» выбрана в пределах [6]:

где: λ₀– средняя длина рабочего диапазона волн; λ_c– наибольшая длина спиновой волны.

3. В работе [7] автор предлагает еще один эффективный метод снижения электромагнитных потерь, заключающийся в ведении между ферритом и экранирующей плоскостью линии передачи (т.е. в рассматриваемом случае одной из широких стенок волновода) диэлектрического зазора (см. Рис.7), величина которого (t) должна соответствовать соотношению:

где: Hе – внешнее магнитное поле, направленное вдоль оси Z, (э);

M₀– намагниченность насыщения феррита, (Гс.);

Физическая интерпретация данного метода заключается в следующем. Из-за неоднородной внутренней намагниченности ферритовой пластины, обусловленной размагничивающими факторами формы прямоугольного феррита, частотный диапазон существования паразитных объёмных МСВ, как уже выше отмечалось, частично перекрывает частотный диапазон существования ПФВ. При введении между ферритом и экранирующей плоскостью зазора, происходит сужение частотного диапазона существования объёмных МСВ за счет исчезновения МСВ с большими волновыми числами. Спектр МСВ смещается в область частот, расположенную ниже частотной области существования ПФВ. Явление смещения спектра МСВ в зависимости от толщины диэлектрического зазора между возбудителем и ферритом подробно описано в работе [1]. Смещение паразитных МСВ из частотной области существования ПФВ приводит к уменьшению электромагнитных потерь и расширению рабочей полосы частот СВЧ – вентиля.

4. Вышеуказанные методы [5], [6], [7] увеличения обратного затухания и уменьшения вносимых электромагнитных потерь имеют разный механизм действия на спектр паразитных МСВ и поэтому дополняют друг друга. Практика показывает, что эти методы с успехом могут быть использованы не только при конструировании ферритовых приборов, работающих на ПФВ, но и при конструировании ферритовых невзаимных приборов, работающих на объёмных колебаниях в феррите [8].

5. При конструировании приборов на ПФВ необходимо учитывать различие в структуре поля падающей (Н₁₀) и распространяющейся волны (ПФВ). Проводя экспериментальное исследование возбуждения ПФВ в линиях СВЧ, содержащих один или несколько ферритовых образцов, позволило автору найти простой и эффективный преобразователь волны Н₁₀ в ПФВ (см. Рис.8) [9]. Преобразователь содержит линию передачи (п.1), частично заполненную поперечно намагниченным ферритовым вкладышем (п.2) и реактивный элемент (п.3). Реактивный элемент выполнен в виде металлического штыря, перемещающегося вдоль своей продольной оси, перпендикулярной широким стенкам отрезка волновода. Для ферритового вкладыша, имеющего прямоугольную форму, реактивный элемент лежит в плоскости, проходящей через торец феррита, при этом боковая поверхность реактивного элемента прилегает к поверхности ферритового вкладыша.

Диаметр штыря составляет λ₀/8, где λ₀ – центральная длина волны рабочего диапазона длин волн в свободном пространстве. Величина зазора между торцом штыря и противоположной широкой стенкой отрезка волновода выбирается из условия обеспечения на центральной частоте рабочего диапазона преобразователя последовательного резонанса. Преобразователь работает следующим образом. При возбуждении отрезка волновода энергия волны Н₁₀ из-за последовательного резонанса в контуре, образованном металлическим штырём и зазором, локализуется в реактивном элементе. Близость реактивного элемента к поверхности феррита позволяет обеспечить сильную электромагнитную связь отрезка волновода с ферритовым вкладышем. Эквивалентность плотности СВЧ тока в реактивном элементе и структуры поля рабочего типа волны (ПФВ) в феррите позволяет преобразовать волну Н₁₀ в ПФВ с высоким коэффициентом передачи. Таким образом, малые размер металлического штыря, согласование плотности СВЧ тока в контуре с полем ПФВ в ферритовом элементе и близость расположения штыря к поверхности, вдоль которой распространяется ПФВ, обуславливают уменьшение электромагнитных потерь и расширение рабочей полосы частот преобразователя волны Н₁₀ в ПФВ. Очевидно, что данный преобразователь может быть использован не только в СВЧ вентилях на ПФВ, но и в абсолютном большинстве ферритовых приборов на ПФВ. В качестве примера, на Рис.9 и Рис.10 показано использование описанного преобразователя волн в 4-х плечном волноводном циркуляторе и в волноводном невзаимном делителе с неравномерным распределением мощности. Оба прибора работают на ПФВ.

6. Использование диэлектрического эффекта в волноводе с двумя ферритовыми слоями намагниченными в противоположные стороны. Известно [14], что в некоторых случаях между ферритовыми пластинами внутри волновода существует практически идеальная плоская волна (см.Рис.11).

В этом случае доминирующая часть СВЧ энергии в прямом направлении распространяется в воздушном слое между ферритовыми вкладышами и следовательно имеет малое затухание. Создавая условия препятствующие распространению обратных волн (ПФВ и Н₁₀), автору удалось получить вентильное отношение равное 180. На рис.12 приведена конструктивная схема СВЧ-вентиля с указанным вентильным отношением [10].

Прибор содержит отрезок прямоугольного волновода (1), два одинаковых прямоугольных ферритовых вкладыша (2) и идентичные металлические пластины(3), прилегающие к узким внешним боковым поверхностям ферритовых вкладышей. Длина металлических пластин (L_м) выбирается из условия:

где: L_ф – длина ферритовых вкладышей;

λ₀ – центральная длина волны рабочего диапазона длин волн в свободном пространстве.

Расстояние (d) от металлической пластины до узкой стенки волновода выбирается из условия:

0,1 λ₀ ≤d≤ 0,2 λ₀

Наличие двух металлических слоёв, расположенных продольно в волноводе нормального сечения в области максимального электрического поля обратной ПФВ, расчленяет волновод на три параллельных запредельных слоя. Это позволяет трансформировать обратную волну Н₁₀ в волну высшего типа Н₃₀, имеющую по сравнению с обратной волной низшего типа, распространяющуюся в волноводе с одним ферритовым вкладышем, втрое больше погонное обратное затухание (не менее 90дБ/см).

Расположение ферритовых вкладышей на расстоянии 0,1 λ₀ ÷ 0,2 λ₀от узких стенок волновода позволяет сформировать между ферритами при прямом распространении сигнала, плоскую волну, у которой основная часть энергии распространяется вне феррита, что позволяет, при существенно увеличенном обратном затухании, сохранить достаточно малый уровень погонного прямого затухания (не более 0,5 дБ/см). Отметим,что СВЧ-вентиль, выполненый по описанной схеме, имеет вентильное отношение не менее 180.

III. Конструктивная схема и электрические характеристики вентиля СВЧ с гигантским невзаимным эффектом.

На рис.13 представлена конструктивная схема прибора. Вентиль содержит прямоугольный отрезок запредельного волновода, по узким стенкам которого приклеены прямоугольные поперечно намагниченные в противоподложные стороны ферритовые вкладыши. По оси отрезка волновода в Е-плоскости между ферритовыми вкладышами включена металлическая пластина, гальванически связанная с широкими стенками волновода. Длина пластины меньше длины ферритовых вкладышей на величину λ₀/4, где λ₀ – центральная длина волны рабочего диапазона длин волн в свободном пространстве. Между ферритовыми вкладышами и одной из широких стенок волновода имеется воздушный зазор, величина которого определяется в соответствии с п.3 (см.выше). Трансформация волны Н₁₀ в ПФВ (и обратно), а также согласование с волноводной линией нормального сечения осуществляется с помощью преобразователя типов волн, состоящего из металлических штырей с регулируемой глубиной погружения, и четвертьволнового трансформатора.

Принцип работы вентиля заключается в следующем. При возбуждении входа волна типа Н₁₀ с помощью преобразователя типов волн, состоящего из штырей, преобразуется в ПФВ, имеющую антисимметричную структуру поля (см.выше п.1, рис.1). Распространяясь по границам «феррит – воздух», ПФВ поступает на выход прибора с малыми потерями. По сравнению с широкоизвестными ферритовыми развязывающими приборами на ПФВ рассматриваемый вентиль имеет меньший уровень электромагнитных потерь. Уменьшение потерь в прямом направлении обусловлено зазором между ферритовыми вкладышами и одной из широких стенок волновода (см. выше п.3). По мнению автора, это связано со смещением спектра МСВ, возбуждающихся на внутренних магнитных неоднородностях, обусловленных размагничивающими факторами формы ферритового вкладыша, в область частот, расположенную ниже рабочей полосы частот вентиля. Вторым фактором, позволившим уменьшить вносимые потери, является использование эффективного преобразователя волны Н₁₀ в ПФВ (см.выше п. 5).

В обратном направлении сигнал испытывает сильное затухание, обусловленное включением между ферритовыми вкладышами в Е-плоскости металлической пластины (см. выше п.1), а также введением локальной горизонтальной намагниченности ферритов по границе «феррит-металл» (см. выше п. 2). По сравнению с известными приборами на ПФВ величина погонного обратного затухания в этом случае достигает большей величины в более широкой полосе частот.

Конструктивные параметры приборов для К_u— и К- диапазонов длин волн соответственно составляют: намагниченность насыщения феррита 4800 Гс (марка феррита 1СЧ-4), внутреннее намагничивающее поле 2500 Э и 3000 Э (марка магнита КС-37); размеры ферритовых вкладышей 10х4х0,9 мм и 10х3х0,95мм; марка клея, крепившего ферритовые пластины вдоль узких стенок волновода, ВТ-25-200. Допуски на высоту корпуса, толщину ферритовых пластин и клеевого шва задаётся из условия обеспечения между ферритами и крышкой гарантированного вышеуказанного зазора. Размеры металлических пластин, расположенных в Е-плоскости между ферритовыми вкладышами составляют: 5х1х0,75мм и 6х1х0,7мм; величина зазора между ферритовыми вкладышами и широкой стенкой волновода 0,1 и 0,5 мм.

На рис.14 приведены электрические параметры приборов.

На рис.15 изображен внешний вид разработанного СВЧ-вентиля.

Величина вентильного отношения разработанных приборов составляет не менее 200, тогда как в широкоизвестных развязывающих приборах на ПФВ эта величина почти втрое меньше и составляет 60.

IV. Заключение.

По мнению автора, описанная конструкция может быть использована не только для создания вентилей с гигантским невзаимным эффектом, но и малогабаритных многоплечных циркуляторов с высоким вентильным отношением, малогабаритных электрически управляемых аттенюаторов с высоким динамическим диапазоном регулировки ослабления и многокаскадных СВЧ – усилителей отражательного типа с малыми габаритными размерами. Конструктивные аналоги перечисленных приборов приведены в работах [11,12,2].

27.04.2015, 23:11 Каменев Александр Юрьевич
Рецензия: Актуально, наукообразно, доходчиво. Рекомендуется к печати.

Источник

• ← borderlands 3 как поменять персонажа
• какого элемента дороги не существует →