Ферритовые устройства. 
Антенны и устройства (свч): расчет и измерение характеристик

Рассмотренные эффекты используются для построения различного типа невзаимных ферритовых устройств СВЧ. На рис. 2.4 приведены схематичные изображения основных типов устройств и их идеализированные матрицы рассеяния.

Рис. 2.4. Основные невзаимные ферритовые устройства СВЧ и их идеализированные матрицы рассеяния: а) невзаимный аттенюатор; б) невзаимный фазовращатель; в) У-циркулятор; г) Х-циркулятор.

Вентиль (рис. 2.4, а) — это, по сути, невзаимный аттенюатор. Он служит для устранения влияния нагрузки на выходные цепи генератора и для согласования произвольных нагрузок. Невзаимный фазовращатель (рис. 2.4, б) создает различный фазовый сдвиг для волн двух направлений. Циркулятор — невзаимный распределитель — многополюсное устройство, обеспечивающее прохождение электромагнитных волн через его зажимы в определенной последовательности (например, Н2-КЗ-Ч). На рис. 2.4, в приведена схема Y-циркулятора (шестиполюсника), а на рис. 2.4, г — Х-циркулятора (восьмиполюсника). Коммутатор может быть получен из циркулятора, если изменять в нем направление подмагничивания, а следовательно, и направление циркуляции волн. В реальных ферритовых устройствах модули коэффициентов передачи отличны от 0 или 1, и их величины определяются в децибелах по формуле (1.3). Обычно прямое затухание составляет 0,1 -Ю, 5 дБ, развязка или обратное затухание 20^-40 дБ, а коэффициенты отражения от входов |5_Л| = 0,05-^0,1.

Помимо коэффициентов матрицы рассеяния параметрами ферритовых устройств являются допустимый уровень мощности и рабочая полоса частот, в которой переходное ослабление, развязка и коэффициенты отражения находятся в заданных пределах.

Вентиль. Конструкция вентиля показана на рис. 2.5. В этом вентиле используется эффект смещения поля (рис. 2.3). Ферритовая пластинка приклеена к диэлектрической пластине, а та, в свою очередь, приклеена к боковой стенке волновода. Концы ферритовой пластины скошены для согласования секции с волноводом. На внешней боковой грани пластины нанесена поглощающая пленка. Прямое направление передачи указано стрелкой на кожухе вентиля. При прямом направлении передачи в области расположения поглотителя находится минимум поля и затухание отсутствует. При обратном распространении волны поглотитель находится в максимуме поля и обратная волна интенсивно затухает.

Рис. 2.5. Конструкция вентиля на эффекте смещения поля:

1) диэлектрическая пластинка; 2) феррит; 3) поглощающая пленка; 4) постоянный магнит Существуют также конструкции вентилей на эффекте резонансного поглощения. В таких вентилях поглощающим элементом выступает сам феррит. При этом вентиль на смещении поля требует гораздо меньшего внешнего подмагничивания, чем вентиль, использующий резонансное поглощение. Однако он работает на небольших уровнях мощности, поскольку поглощающий слой имеет небольшой объем.

Коммутатор. Коммутатор (рис. 2.6) основан на использовании эффекта Фарадея в квадратном волноводе. Ферритовый стержень с коническими концами укреплен на оси квадратной секции с помощью диэлектрической втулки. Ступенчатые переходы служат для согласования волноводов прямоугольного и квадратного сечения. Продольное подмагничивание феррита создается соленоидом, питающимся постоянным током. К квадратной секции подсоединен разветвитель, имеющий два развязанных по поляризации выхода. Если сигнал подается на вход 1, то при отсутствии подмагничивания возбуждается выход 2, так как при прохождении ферритовой секции волна не меняет своей плоскости поляризации; на выходе 3 сигнал отсутствует. Если подобрать подмагничивание такой величины, что вследствие эффекта Фарадея плоскость поляризации волны при прохождении ферритовой секции поворачивается на 90°, то сигнал появляется на выходе 3 и отсутствует на выходе 2. При исследовании коммутатора следует учесть, что ферритовый стержень может иметь небольшое остаточное намагничивание. Поэтому в случае передачи сигнала в направлении 1-*2, соленоид должен создавать небольшое компенсирующее его магнитное поле.

Рис. 2.6. Конструкция коммутатора:

• 1) переход от прямоугольного волновода к квадратному; 2) диэлектрическая втулка;
• 3) ферритовый стержень; 4) соленоид; 5) разветвитель; 6) переход от квадратного волновода

к прямоугольному Х-циркулятор. Используемый в работе фазовый Х-циркулятор (рис. 2.7) образован двумя связанными прямоугольными волноводами, имеющими общую узкую стенку, и состоит из двух щелевых волноводных мостов, двух невзаимных фазовращателей, имеющих невзаимный фазовый сдвиг Дф = 90°, и изогнутой секции, обеспечивающей разницу длин волноводов на четверть длины волны и являющейся в данной конструкции взаимным фазовращателем (обеспечивает одинаковый сдвиг фаз для волн обоих направлений) со сдвигом фазы 90° в верхнем волноводе.

Рис. 2.7. Х-циркулятор:

1) волноводно-щелевой мост; 2) ферритовая пластинка; 3) постоянный магнит Рассмотрим работу фазового Х-циркулятора на следующем примере. Пусть мощность подается на вход 1. Тогда сигнал, проходящий на вход 2 через верхний волновод, получает сдвиг фазы —90° в изогнутой секции за счет большей длины пути. Сигнал, прошедший через нижний волновод, получает фазовый сдвиг —90° при прохождении первого щелевого моста, +90° за счет невзаимного фазовращателя и —90° за счет второго щелевого моста. Таким образом, сигналы на входе 2 синфазны. Аналогичным образом можно убедиться, что на входе 4 сигналы противофазны. Поскольку амплитуды сигналов равны, то мощность со входа 1 полностью передается на вход 2 и не попадает на вход 4. Вход 3 остается невозбужденным в силу развязки первого щелевого моста. Повторив вышеприведенные рассуждения для случая возбуждения других входов, можно показать, что в данном циркуляторе осуществляется передача мощности в направлении 1-«2-*3-*4.

Другая модификация фазового Х-циркулятора показана на рис. 2.8. Основное отличие данной конструкции от предыдущей заключается в том, что вместо второго волноводно-щелевого моста установлен двойной Т-образный мост (4 на рис. 2.8) и отсутствует дополнительный взаимный фазовращатель. Роль Я-плоскостного тройника в двойном Т-образном мосте играют плечо 1 (вход) и выходы невзаимных фазовращателей в верхнем и нижнем волноводах (выходы). Вход Я-плоскостного тройника — продольная щель связи (5 на рис. 2.8). Таким образом при синфазном возбуждении соседних плеч двойного Т-образного моста вся мощность поступает на вход 1 циркулятора. При противофазном возбуждении этих плеч возбуждается продольная щель связи, и через нее мощность поступает на вход 3, а вход 1 не возбуждается. Сдвиг фаз между волнами, пришедшими на вход двойного Т-образного моста, зависит от того, с какого входа поступает мощность в Х-циркулятор. Например, при возбуждении входа 2 Х-циркулятора соседние плечи двойного Т-образного моста возбуждаются противофазно, и вся мощность поступает на вход 3 устройства. Аналогично рассматривается прохождение СВЧ мощности с других входов устройства.

Рис. 2.8. Х-циркулятор:

1) волноводно-щелевой мост; 2) ферритовые пластины; 3) постоянный магнит; 4) двойной Т-образный мост; 5) щель связи.

Y-циркулятор. Y-циркулятор (рис. 2.9) представляет собой симметричный Я-плоскостной волноводный тройник с помещенным в центре разветвления ферритовым цилиндром. Магнитное поле перпендикулярно плоскости разветвления. Если подать сигнал на вход 1, то волны, огибающие феррит слева и справа, имеют различные направления вращения векторов напряженности магнитного поля и, следовательно, различные фазовые скорости. При определенном направлении подмагничивания эти волны на входе 2 складываются синфазно, а на входе 3 — противофазно. Таким образом, мощность со входа 1 передается на вход 2, а вход 3 остается невозбужденным. Аналогичным образом происходит передача мощности в направлениях 2-«3, 3-«1. Диэлектрическая втулка вокруг феррита расширяет рабочую полосу циркулятора, а диэлектрические стержни применяются для согласования каждого плеча.

Рис. 2.9. Y-циркулятор:

• 1) волноводный тройник; 2) феррит; 3) диэлектрическая втулка; 4) согласующие стержни;
• 5) магнитная система