Работа № 1 «Исследование волноводного ферритового вентиля»
Волноводные Y-циркуляторы применяются как в миллиметровом (КВЧ), так и в сантиметровом (СВЧ) диапазонах.
Конструктивная простейшая схема волноводного Y-циркулятора (рис. 6) включает в себя симметричное 3-плечное волноводное разветвление в Н-плоскости, круглый цилиндрический феррит, металлический согласующий трансформатор и магнитную систему.
Наиболее просто физический принцип работы циркулятора может быть объяснён явлением дифракции плоской электромагнитной волны на круглом ферритовом цилиндре. При возбуждении в одном из входных плеч волноводного разветвления волны типа на ферритовый карандаш падает «почти» плоская волна. Электрическое поле вне феррита может быть представлено суммой падающей и рассеянной волны. Его амплитудное распределение на внешней поверхности цилиндра определяется длиной волны, диаметром феррита и электромагнитными параметрами его материала. При соответствующем подборе этих величин дифракционная картина стоячих волн на поверхности цилиндрического феррита приобретает вид как на рис. 7а.
Эта картина соответствует наличию в спектре электрического поля двух амплитудных пространственных гармоник, имеющих одинаковые амплитуды и разные направления распространения. При подмагничивании ферритового цилиндра происходит изменение фазовых соотношений между этими гармониками, и узлы дифракционных картин смещаются по углу. При соответствующем подборе величины подмагничивающего поля можно добиться, чтобы узел картины стоячей волны соответствовал центру волновода развязанного плеча (рис. 7б).
Рис.6. Конструкция
Y-
циркулятора: 1- волноводное разветвление;
2- ферритовый
цилиндр;
3- согласующий
трансформатор
Рис.7. Распределение
электрического поля падающей и рассеянной
волн на поверхности ненамагниченного
(а) и намагниченного (б) ферритового
цилиндра.
В центрах входного и выходного волноводов амплитудные значения электрического поля приблизительно равны друг другу (хотя и противофазные), и СВЧ волна распространяется с малыми потерями в направлении, указанном на рис. 7б стрелками.
Схематичное изображение 3-плечного циркулятора показано на рис. 8.
Стрелкой показано направление циркуляции. Каждый канал циркулятора характеризуется параметрами:
1
)
прямое затухание (вносимые потери)
канала
(16)
2) обратное затухание
(развязка)
канала
(17)
где
-
мощность на входе
– плеча (
=1,3)
-
мощность на выходе
-
плеча.
3) коэффициент стоячей волны каждого из плеч ( ).
Основные параметры
симметричного волноводного Y-циркулятора
– развязка
вносимые потери
связаны между собой и определяются
согласованием плеч циркулятора:
,
(18)
где
-
коэффициент стоячей волны каждого из
плеч циркулятора,
-
потери в феррите.
Для расширения
полосы рабочих частот ципкулятора
необходимо улучшить его согласование.
Для этой цели служит металлический
согласующий трансформатор, диаметр
который равен
(19)
где
-
диаметр ферритового цилиндра,
-
среднее значение длины волны рабочей
полосы частот.
Высота трансформатора
обычно выбирается из соотношения
(20)
где
-
высота волновода.
Для КВЧ диапазона
компоненты магнитной проницаемости
феррита равны
,
.
Поэтому размеры (высота
,
радиус
)
ферритового цилиндра можно определить
из простой формулы
(21)
где
- 1 корень уравнения
;
-
диэлектрическая и магнитная проницаемости
феррита;
-
скорость света; параметр
определяет вариацию поля вдоль радиуса
феррита; параметр
характеризует число вариаций по
азимутальной координате
,
параметр
-
число вариаций поля вдоль оси
.
Из соотношения (21) следует, что при
определённых размерах
и
в рабочей полосе устройства может
возникнуть сразу несколько колебаний,
в том числе и нежелательных.