14.3.6. Циркуляторы

Y-циркулятор. Волноводный Y-циркулятор представляет собой Н- плоскостное Y-сочленение прямоугольных волноводов, в центре которого помещен ферритовый цилиндр (рис. 14.63). Все прямо­угольные волноводы, образующие плечи тройника, рассчитаны на одноволновый режим работы. Внешнее магнитное поле, созда­ваемое постоянным магнитом (как показано на рисунке) либо электромагнитом, ориентировано параллельно оси цилиндра. Высота ферритового цилиндра обычно равна высоте волновода, но иногда ис­пользуют ферриты несколько мень­шей высоты. В Y-циркуляторах, пред­назначенных для работы на высоком уровне мощности, для улучшения отво­да тепла ферритовый цилиндр разре­зают на две цилиндрические части, каж­дая из которых приклеивается к соот­ветствующей широкой стенке волноводав центре Y-сочленения. Принцип действия Y-циркулятора заклю­чается в следующем. Предположим, что в плече 1 циркулятора возбуждена волна Н₁₀, распространяющаяся в направлении ферритового цилиндра. В результате дифракции волны на цилиндре возникают две волны, одна из которых (левая) обегает ферритовый цилиндр по часовой стрелке, а другая (правая) - против часовой стрелки (рис.14.64). Как было показано при рассмотрений резонансного ферритового вентиля, направления вращения век­тора магнитного поля волны H₁₀ в правой относительно центра половине волновода и в его левой половине противоположны.

Поэтому магнитная проницаемость ферритового цилиндра для волн, обегающих его справа и слева, различна. Это обусловливает различие коэффициентов распространения для левой (β⁺) и правой (β^-) волн, т.е. проходя одинаковый путь l вдоль поверх­ности цилиндра волны получают разный фазовый сдвиг φ⁺= β ⁺ l и φ^-= β ^-l соответственно. В результате на поверхности ферритового цилиндра устанавливается стоячая волна. При заданной частоте путем подбора марки феррита и его диаметра можно добиться, чтобы по окружности цилиндра укладывалась одна волна с двумя узлами (рис.14.65). Положение узлов и пучностей этой волны зависит от величины намагничивающего поля Н_о, поскольку при изменении Н_о изменяются β⁺ и β ^-для волн, обегающих феррит слева и справа. Величину Н_о подбирают так, чтобы один из узлов стоячей волны напряженности электрического поля располагался напротив плеча 3, как показано на рис. 14.65. В этом случае волна Н ₁₀ в плече 3 не возбуждается, а возбуждаются волны высшего типа, например волна Н ₂₀ Поэтому мощность в плечо 3 не ответвляется. Поскольку пучность электрического поля стоячей

волны на феррите находится вблизи средней линии волновода плеча 2, то в плече 2 возбуждаектся волна Н₁₀ и энергия из плеча 1 практически полностью проходит в плечо 2.

Аналогично можно показать, что при возбуждении плеча 2 вся энергия поступает в плечо 3, и т.д. При изменении направления внешнего магнитного поля направление циркуляции меняется на обратное 1→3→2→1. Это связано с изменением фазовых сдви­гов, получаемых волнами, обегающими феррит слева и справа: для "левой" волны будет сдвиг φ^-, а для "правой" φ⁺. При этом на поверхности феррита возникает стоячая волна, у которой узел электрического поля располагается напротив плеча 2.

Основными параметрами реальных циркуляторов являются: развязка вносимые потери и согласование со стороны каждого из плеч циркулятора, характеризуемое КСВ. Как показывают анализ и эксперимент, частотные характеристики Y-циркулятора имеют резонансный ха­рактер (рис.14.66). При этом L_pa3 и L_BH связаны с КСВ на входе каждого плеча: чем больше КСВ, тем меньше L_pa3 и больше L_BH.Отметим, что L_BH для циркулятора складывается из тепловых потерь в феррите и стенках тройника и потерь за счет отражения от входа. Конструкция, показанная на рис. 14.63, позволяет полу­чить L_раз>20дБ в полосе 3...5% от средней частоты f₀ [58]. Для увеличения рабочей полосы частот расширяют полосу согласо­вания циркулятора на входе. Для этого используют согласующий трансформатор, выполненный в виде диэлектрического кольца, надеваемого на ферритовый цилиндр (рис. 14.67).

На рис.14.68 показана конструкция микрополоскового Y-циркулятора. В центре микрополоскового Y-сочленения располагается металлический диск, под кото­рым в подложке размещен ферритовый диск, намагниченный вдоль своей оси (на рис. 14.68 магнитная система не показана). Обычно диаметр металли­ческого диска или равен или несколько меньше диаметра ферритового диска. Наиболее простой конструкция такого У-циркулятора получается, если в качестве подложки микрополосковой

линии используется ненамагниченный феррит. В этом случае для образования циркулятора с помощью внешнего магнита намагничивают часть подложки под металлическим диском. При этом целостность подложки не нарушается.

Принцип действия циркулятора (рис.14.68) такой же, как и в случае волноводного Y-циркулятора. Расширение рабочей полосы частот циркулятора обычно обеспечивают, включая во все плечи согласующие четвертьволновые трансформаторы.

Вопросы проектирования волноводных и полосковых Y-циркуляторов изложены в [58, 59, 62]. Отметим, что из всех видов циркуляторов, существующих в настоящее время, Y-циркуляторы получили наибольшее распространение, что объясняется прос­тотой их конструкции, малыми размерами и весом, а также воз­можностью использования в интегральных схемах.

Циркулятор на эффекте Фарадея. Конструкция циркулятора показана на рис.14.69. Все отрезки прямоугольного и круглого волноводов рассчитаны на одноволновый режим. Плечо 1 образовано отрезком прямоугольного волновода, кото­рый с помощью плавного перехода соединяется с отрезком круглого волновода. При возбуждении плеча 1 волна Н_1о, распространяющаяся в этом плече, с помощью плавного перехода трансформируется в волну Н₁₁ круглого волновода с верти­кально ориентированным вектором Е в центре поперечного сечения волновода. Прямоугольный волновод, образующий плечо 3, составляет с круглым волноводом Т-тройник (см. рис.13.30). Благодаря такому расположению Т-тройника волна Н₁₁, распространяющаяся по круглому волноводу, в плечо 3 не ответвляется (см. 13.4.2), проходит на вход отрезка круглого волновода, содержащего продольно намагниченный ферритовый стержень, расположенный на оси круглого волновода. Внешнее намагничивающее поле создается с помощью электромагнита. Пара­метры ферритового стержня и величина внешнего намагничивающего поля подо­браны так, чтобы на средней частоте рабочего диапазона плоскость поляризации волны, прошедшей отрезок волновода с ферритом, повернулась бы на 45° вокруг оси волновода (явление Фарадея). Причем если вектор Но постоянного магнитного

поля направлен от плеча 2 к плечу 1, то плоскость поляризации волны пово­рачивается по часовой стрелке, если смотреть вдоль Н_о. Плечи 2 и 4 на выходе циркулятора выполнены аналогично плечам 1 и 3. Однако Т-тройник, имеющий плечи 2 и 4, повернут на угол 45° по часовой стрелке вокруг оси круглого волновода относительно Т-тройника на входе с плечами 7 и 3, если смотреть от плеча 2 к плечу 1. Поэтому волна Н ₁₁с выхода отрезка волновода с ферритом будет с помощью плавного перехода трансформироваться в волну Н₁₀, и энергия поступит в плечо 2. При этом энергия в плечо 4 ответвляться не будет, поскольку вектор Е волны Н₁₁ направлен параллельно продольной оси прямоугольного волновода, образующего плечо 4. ,

Рассуждая аналогично, нетрудно показать, что при подаче сигнала в плечо 2 он выйдет в плечо 3 без ответвления в плечи 1 и 4, т.е. при указанном направлении постоянного магнитного поля устройство обеспечивает следующую циркуляции потока энергии: 1→2→3→4→1. При изменении направления внешнего поля ни обратное изменяется направление циркуляции потока энергии в устройстве 1→4→3→2→1. Это связано с тем, что плоскость поляризации волны, проходящей; отрезок волновода с ферритом, будет поворачиваться на 45° против часовой стрелки, если смотреть в направлении от плеча 2 к плечу 1.

Сложность конструкции, значительные габариты и относительная узкополосность обусловили сравнительно редкое применение подобного циркулятора.