2. Ферритовые устройства свч

Ферритовые вентили СВЧ. Идеальный вентиль представляет собой развязывающее устройство СВЧ, пропускающее без потерь волну СВЧ колебаний в прямом направлении с входа на выход и полностью поглощающее волну, распространяющуюся в обратном направлении с выхода на вход. Идеальный вентиль имеет матрицу рассеяния вида:

,

где φ – фазовый сдвиг, вносимый вентилем при прохождении волны с входа 1 на вход 2.

Матрица рассеяния вентиля – несимметрическая и не унитарная. Следовательно, вентиль является невзаимным диссипативным устройством СВЧ. Наибольшее распространение на практике получили резонансные вентили, вентили со смещением поля и поляризационные вентили.

Резонансный вентиль на прямоугольном волноводе с волной Н₁₀ (рис. 4) содержит ферритовую пластину, размещенную параллельно продольной оси волновода на таком расстоянии x₀ от его узкой стенки, где вектор магнитного поля Н вращается в плоскости Н в направлении, определяемом направлением распространения волны. Из электродинамики известно, что для волны Н₁₀ в прямоугольном волноводе существуют два продольных сечения x=const, параллельные узким стенкам волновода, в которых вектор магнитного поля Н имеет круговую поляризацию в плоскости, параллельной широким стенкам волновода, причем направления вращения вектора Н в этих сечениях взаимно противоположны и зависят от направления распространения волны по волноводу. Эти сечения расположены на расстояниях х₀ от узких стенок волновода (a – размер широкой стенки):

Для усиления вентильного эффекта и расширения полосы рабочих частот на одной из сторон ферритовой пластины, обращенной к центру волновода, размещают диэлектрическую пластину, концентрирующую электромагнитное поле волны H₁₀ в области феррита. Поперечное намагничивающее поле Н₀ создается постоянным магнитом.

В основу работы такого вентиля положен описанный выше эффект ферромагнитного резонанса. Рассмотрим подробнее принцип действия и основные электрические параметры волноводного ферритового вентиля.

Рис. 4. Вентиль на прямоугольном волноводе

Внутри отрезка прямоугольного волновода расположена смещенная от его середины продольная пластина феррита, которая заострена с обоих концов для уменьшения отражений и намагничена постоянным магнитом полем Н₀ , направленным перпендикулярно широким стенкам и равным Н_рез. Внутри феррита векторы  Н  двух волн основного типа H₁₀, распространяющихся вдоль волновода в противоположных направлениях, лежат в плоскости, перпендикулярной Н₀, и вращаются по кругу в противоположные стороны.

Следовательно, одна из этих волн (вектор Н  которой вращается по часовой стрелке, если смотреть в направлении Н₀) является волной с круговой поляризацией правого вращения и, поскольку Н₀=Н_рез, интенсивно поглощается ферритом благодаря явлению ферромагнитного резонанса. Волна Н₁₀, распространяющаяся вдоль волновода в противоположном направлении, является волной с круговой поляризацией левого вращения  вектора Н  и ферритом не поглощается.

С изменением частоты  изменяется значение поперечной координаты x₀, при котором векторы Н волн Н₁₀ имеют в волноводе круговую поляризацию. Отсюда следует, что отличие рабочей частоты  от некоторой оптимальной частоты ₀ приводит к нарушению условий существования внутри феррита круговой поляризации Н. Для обеспечения внутри феррита круговой поляризации в более широкой полосе частот обычно применяют специально подобранные диэлектрические пластины, расположенные рядом с ферритом и концентрирующие электромагнитное поле.

Кроме того, постоянное поле Н₀, создаваемое используемым в устройстве магнитом, равно резонансному значению Н_рез  только для определенной частоты ₀. Отсюда следует, что изменение частоты  приводит и к нарушению условия Н₀=Н_рез. Для расширения полосы частот вентиля целесообразно использовать ферриты со сравнительно медленным изменением мнимой части магнитной проницаемости в зависимости от величины Н₀ вблизи частоты ферромагнитного резонанса.

Относительная полоса частот, в которой резонансный вентиль обеспечивает достаточно большое ослабление в обратном направлении (20–25 дБ), обычно не превышает 10–12% от ₀.

Вентиль или невзаимный аттенюатор является двухплечным невзаимным устройством, условное графическое обозначение которого в схемах приведено на рис. 4. В вентиле волна при распространении в прямом направлении (в направлении неперечеркнутой стрелки) имеет малое ослабление (например, 0,5 дБ), а в обратном направлении — большое (например, 20 дБ).

Основные электрические параметры вентиля:

1) Ослабление в прямом направлении b_пр — выраженное в децибелах отношение средних мощностей падающей волны во входном плече 1 (рис. 1) и прошедшей из этого плеча волны в выходном плече 2:

(1)

2) Ослабление в обратном направлении b_обр — выраженное в децибелах отношение средних мощностей падающей волны во входном плече 2 и прошедшей из этого плеча волны в выходном плече 1:

(2)

3) Эффективность вентиля, характеризуемая вентильным отношением (дБ):

где P_2- и P_1- — соответственно средние мощности в выходных плечах при распространении волны в прямом и обратном направлениях, причем входная мощность в обоих случаях должна быть одной и той же (P₁₊ = P₂₊).

При учете (1) и (2) вентильное отношение (дБ) можно определить с помощью выражения:

B=b_обр-b_пр (3)

4) Коэффициент стоячей волны напряжения (КСВ) во входном плече при распространении волны в прямом направлении.

Недостатком резонансного вентиля является большая напряженность намагничивающего поля Н₀=Н_рез и, следовательно, большой вес постоянного магнита и самого вентиля.

Этот недостаток в значительной степени устраняется в вентиле, построенном на основе эффекта смещения поля.

Рис. 5. Распределение поперечного электрического поля в волноводе вентиля со смещением поля

Конструктивно он выполняется так же, как и резонансный вентиль. Отличие состоит в том, что вместо диэлектрической пластины на боковой поверхности феррита имеется поглощающая резистивная пленка. Место расположения ферритовой пластины выбирается так, чтобы для падающей волны оно соответствовало правому вращению вектора Н. В этом случае магнитная проницаемость феррита отрицательная, постоянная распространения в феррите становится чисто мнимой и поле волны вытесняется из феррита (рис. 5 а). Волна распространяется по волноводу практически без потерь, так как в месте расположения поглощающей пленки образуется ноль поперечного электрического поля Е_y. Для волны, распространяющейся в обратном направлении и имеющей круговую поляризацию левого вращения, феррит имеет положительную магнитную проницаемость и поле волны концентрируется в феррите (рис. 5 б). Поэтому в месте расположения поглощающей пленки образуется максимум поперечной составляющей электрического поля Е_y , и она интенсивно поглощается этой пленкой, что и приводит к ослаблению мощности прошедшей волны.

Вентили используются как элементы развязки в трактах СВЧ, например, для устранения вредного воздействия отраженной волны на источник СВЧ колебаний.

Циркуляторы СВЧ. Циркуляторы представляют собой устройства СВЧ, имеющие три или четыре входных линии передачи (рис. 6), причем мощность СВЧ без потерь передается лишь в одном направлении, например, с входа 1 на вход 2, с входа 2 на вход 3 и т.д.

Рис. 6. Условные обозначения циркуляторов:

а – Y-циркулятор, б – X-циркулятор

Циркуляторы, имеющие три входные линии передачи, называются Y-циркуляторами. Циркуляторы с четырьмя входами называются X-циркуляторами. На эквивалентной схеме такие циркуляторы отображаются в виде шестиполюсника или восьмиполюсника соответственно и имеют матрицы рассеяния:

, ,

где φ – фазовый сдвиг, вносимый циркулятором при прохождении волны с одного входа на другой. Видно, что матрицы рассеяния цируляторов – несимметрические, но унитарные. Следовательно, циркулятор является невзаимным устройством СВЧ без потерь. Наибольшее практическое применение имеют Y-циркуляторы, использующие различие магнитных проницаемостей феррита для волн круговой поляризации поля правого и левого вращений, а также поляризационный и фазовый X-циркуляторы.

Волноводный Y-циркулятор (рис. 7) выполнен на основе Н-плоскостного Y-тройника, на оси которого размещены ферритовый диск 1 и диэлектрическое кольцо 2. Сверху и снизу ферритового диска размещены постоянные магниты (на рис. 7 не показаны). Диэлектрические штыри 3^’ предназначены для согласования входов циркулятора.

Рис. 7. Волноводный Y-циркулятор

Диэлектрическое кольцо предназначено для повышения температурной стабильности и устойчивости характеристик Y-циркулятора к изменению подмагничивающего поля. Упрощенно принцип действия Y-циркулятора можно объяснить следующим образом. При возбуждении, например, входа 1 волной Н₁₀ прямоугольного волновода она разделяется на две волны, огибающие ферритовый диск. Направления вращения вектора Н этих волн в месте расположения феррита оказываются противоположными. Поэтому магнитные проницаемости ферритов для этих волн μ₊ и μ_– оказываются различными. Это обуславливает различие фазовых скоростей волн, огибающих ферритовый диск с разных сторон. Размеры и параметры феррита подбирают такими, чтобы эти волны на входе 2 циркулятора складывались по фазе, а на входе 3 – в противофазе. Из-за поворотной симметрии Y-циркулятора аналогичные процессы будут происходить при возбуждении входов 2 и 3.

Величину намагничивающего феррит постоянного поля Н₀ делают значительно меньше резонансного значения Н_рез. При этом условии не только волна с круговой поляризацией левого вращения вектора Н распространяется в феррите без поглощения, но и волна с круговой поляризацией правого вращения, однако значения относительной магнитной проницаемости феррита для этих волн оказываются различными: _r+<_r– . Следовательно, различными будут коэффициенты фазы этих волн _ и их фазовые скорости v_ф = /_, причем

₊ < _– и v_ф+ > v_ф–..

Условное графическое обозначение Y-циркулятора в схемах приведено на рис. 6, причем стрелка указывает последовательность возбуждения плеч: 1231. При противоположном направлении постоянного поля Н₀, намагничивающего феррит, последовательность возбуждения плеч (и направление стрелки) изменяется на обратную: 1321.

Основные параметры Y-циркулятора:

1. Вносимые потери между связанными плечами — выраженное в децибелах отношение средних мощностей падающей волны во входном плече 1 (см. рис. 6) и прошедшей из этого плеча волны в выходном плече 2:

   (4)

2. Развязка между входным и изолированным плечами — выраженное в децибелах отношение средних мощностей падающей волны во входном плече 1 и прошедшей из этого плеча волны в изолированном плече 3:

  (5)

Из (4) и (5) следует, что вносимые потери равны ослаблению между входным и выходным плечами, а развязка равна ослаблению между входным и изолированным плечами циркулятора.

3. Коэффициент стоячей волны (КСВ) во входном плече.

Современные серийные волноводные Y-циркуляторы в полосе частот 15–20 % имеют потери L = 0,2–0,4 дБ, обеспечивают развязку Т = 30–40 дБ и имеют КСВ=1,05–1,15.

Вместо вентиля, непосредственно поглощающего падающую на него обратную волну (которая обычно возникает в результате отражения от нагрузки), часто используют Y-циркулятор, направляющий эту волну из плеча 2 в плечо 3, к которому присоединена поглощающая оконечная нагрузка. Эту схему в особенности целесообразно использовать при работе мощного генератора на плохо согласованную нагрузку, когда обеспечение поглощения большой мощности отраженной от нагрузки волны непосредственно в вентиле становится проблематичным.

Очевидно, что в случае вентиля, реализованного по такой схеме, его ослабление в прямом направлении будет равно вносимым потерям циркулятора, а ослабление в обратном направлении будет совпадать со значением развязки циркулятора.

Циркуляторы применяются в трактах приемопередающих радиотехнических систем для работы на прием и передачу с помощью общей антенны. Они используются также в схемах суммирования мощности нескольких генераторов СВЧ и в тракте измерительных стендов СВЧ.

Следует отметить, что кроме рассмотренных устройств СВЧ с применением ферритов (фазовращателей, вентилей, циркуляторов), существуют также управляющие устройства на ферритах в виде выключателей, коммутаторов, аттенюаторов, управляемых делителей мощности, перестраиваемых фильтров и т.п. Принципы работы и конструкции таких устройств описаны в специальной литературе.

Поляризаторы СВЧ. Поляризаторы СВЧ предназначены для изменения поляризации проходящей волны в антенно-фидерном тракте. На эквивалентной схеме они отображаются в виде восьмиполюсника, имеющего по две пары входных и выходных клемм. Каждая пара клемм на входе или выходе такого восьмиполюсника соответствует волнам в волноводе с ортогональными поляризациями. Такие устройства выполняют обычно на круглом волноводе или на волноводе квадратного поперечного сечения с волнами Н₁₀ и Н₀₁. Простейший поляризатор на круглом волноводе показан на рис. 8, а).

а) б)

Рис. 8. Поляризатор на круглом волноводе и его эквивалентная схема

Он представляет собой отрезок круглого волновода длиной l с единственной распространяющейся волной Н₁₁, внутри которого под углом Ψ к вертикальной оси расположена диэлектрическая пластина. На рис. 8, б) представлен эквивалентный восьмиполюсник. Клеммы 1 и 3 этого многополюсника соответствуют волне Н₁₁ круглого волновода, вектор Е которой, проходящий через центр окружности поперечного сечения, перпендикулярен пластине. Назовем эту волну волной перпендикулярной поляризации. Клеммы 2 и 4 соответствуют волне Н₁₁, вектор Е которой параллелен пластине. Такую волну назовем волной параллельной поляризации. Наличие диэлектрической пластины в волноводе обуславливает различные фазовые скорости волн параллельной и перпендикулярной поляризации . Поэтому величина фазовых сдвигов, вносимых этой пластиной для волн параллельной и перпендикулярной поляризаций, оказываются различными. При этом разности фаз определяются длиной пластины и размерами ее поперечного сечения. Положив для простоты , запишем матрицу рассеяния поляризатора относительно волн параллельной и перпендикулярной поляризаций:

.

Отсюда следует, что входные и выходные пары клемм восьмиполюсника согласованы и развязаны. Кроме того, s₄₁ = s₃₂ = s₂₃ = s₁₄ = 0, так как волны ортогональной поляризации распространяются по волноводу независимо друг от друга, т.е. в процессе распространения этих волн не происходит обмена энергиями между ними.

Рассмотрим прохождение через такой поляризатор волны Н₁₁, вектор Е которой направлен по оси у. Эту волну можно представить в виде линейной комбинации волн перпендикулярной и параллельной поляризации с амплитудами а_﬩ и а_|| соответственно. Положив амплитуду волны Н₁₁ единичной, используя рис. 8 а), получим а_﬩ = cosΨ; a_|| = sinΨ. Тогда столбец падающих волн а можно записать в виде . Используя соотношение b = Sa, получаем для столбца отраженных волн . Отсюда следует, что на выходе поляризатора изменилась фаза волны параллельной поляризации. Подобрав размеры пластины так, чтобы φ = 90°, и расположив ее под углом Ψ = 45°, получим на выходе такого поляризатора волну с круговой поляризацией. Действительно, на выходе поляризатора , , т.е. волна имеет ортогональные равные по амплитуде составляющие, сдвинутые по фазе друг относительно друга на – 90°. Вектор Е такой волны вращается против часовой стрелки, если смотреть в направлении распространения волны. Рассуждая аналогично, можно показать, что при возбуждении поляризатора волной Н₁₁, вектор Е которой параллелен оси х, на выходе получим волну Н₁₁ с круговой поляризацией противоположного вращения. Следует отметить, что вместо диэлектрической пластины на стенках круглого волновода могут быть выполнены два металлических ребра, располагаемых в той же плоскости, что и пластина. Действие этих ребер эквивалентно действию пластины.

Управляемые поляризаторы СВЧ могут быть выполнены на основе использования эффекта Фарадея в продольно намагниченном феррите (рис. 9). Он состоит из круглого волновода с волной Н₁₁, на оси которого расположен ферритовый стержень. Постоянное намагничивающее поле Н₀ создается соленоидом, размещенным непосредственно на волноводе. Величина этого поля выбирается такой, чтобы магнитные проницаемости феррита для волн круговой поляризации правого и левого вращений были бы различными.

Из-за различия магнитных проницаемостей феррита для этих волн они имеют разные фазовые скорости в волноводе с ферритом. Поэтому при распространении волн вдоль волновода между ними образуется сдвиг по фазе, величина которого определяется длиной стержня и напряженностью продольного магнитного поля, создаваемого при пропускании электрического тока через соленоид. Этот фазовый сдвиг определяет поворот плоскости поляризации волны Н₁₁, образованной сложением этих двух волн круговой поляризации на выходе поляризатора. Рассмотренные поляризаторы СВЧ используются как самостоятельно для изменения поляризации проходящей волны, так и в качестве элемента сложных устройств СВЧ.

а) б)

Рис. 9. Ферритовый поляризатор на эффекте Фарадея (а); поворот плоскости поляризации волны Н₁₁ в круглом волноводе с продольно подмагниченным ферритом (б)

Ферритовые фазовращатели СВЧ находят широкое применение в фазированных антенных решетках, фазовых модуляторах СВЧ колебаний, в измерительной СВЧ технике. Рабочие частоты современных ферритовых фазовращателей достигают 50-60 ГГц. На рис. 10 представлен проходной волноводный ферритовый фазовращатель. Он состоит из отрезка прямоугольного волновода, внутри которого помещен продольно подмагниченный ферритовый стержень. Поскольку плоскость поляризации вектора Е волны Н₁₀ фиксирована волноводом и волна с поляризацией параллельной широким стенкам волновода распространяться в нем не может, эффект Фарадея не возникает и волна, прошедшая через фазовращатель, получает лишь взаимный фазовый сдвиг.

Рис. 10. Взаимный ферритовый фазовращатель

Продольное магнитное поле в стержне создает соленоид, размещенный непосредственно на волноводе. Величина фазового сдвига такого фазовращателя зависит от величины намагничивающего поля, которое определяется величиной тока, протекающего через соленоид. При изменении тока в соленоиде изменяется и намагничивающее поле, что приводит к изменению магнитной проницаемости стержня и, следовательно, фазовой скорости проходящей волны.

Фазовращатели с плавным изменением фазы называются аналоговыми. Недостатком ферритового аналогового фазовращателя является низкая точность установки фазы и необходимость постоянного пропускания управляющего тока через соленоид для поддержания требуемого фазового сдвига.

На рис. 11, а показан дискретный ферритовый фазовращатель с Δφ = – π/4. Он состоит из прямоугольного волновода, внутри которого размещены три тороидальных ферритовых элемента, имеющих «прямоугольную» петлю гистерезиса (ППГ), показанную на рис. 11, б. Намагничивание феррита производится при пропускании импульсов тока по проводам, проходящим через тороиды. Амплитуда импульсов I_упр выбирается такой, чтобы феррит достиг состояния насыщения по величине магнитной индукции В. Значение фазового сдвига, вносимого одним ферритовым тороидом, определяется величиной магнитной индукции ±B_r.

Основным преимуществом таких фазовращателей является наличие внутренней магнитной памяти. Она проявляется в том, что ферриты с ППГ сохраняют состояние намагниченности неограниченно долго, а управляющий ток протекает лишь при перемагничивании феррита.

а) б)

Рис. 11. Невзаимный проходной фазовращатель на феррите с ППГ:

а – конструкция фазовращателя; б – петля гистерезиса и управляющие импульсы тока

Причем, импульсы тока имеют длительность порядка 10^-6 с и амплитуду 20-30 А. Такие фазовращатели имеют широкое практическое применение и работают в полосе частот 5-10 % от средней частоты, внося дополнительные тепловые потери примерно 1 дБ при КСВ на входе порядка 1,2. Уровень средней мощности СВЧ-колебаний, подводимых к входу фазовращателя, может достигать 0,5 кВт. Следует отметить, что рассмотренный ферритовый фазовращатель является невзаимным устройством, т.е. величина вносимого фазового сдвига изменяется при изменении направления распространения волны в волноводе. Сохранение фазового сдвига для волны с противоположным направлением распространения достигается изменением направления управляющего тока в проводах. Невзаимность фазовращателя объясняется тем, что феррит, подмагниченный поперечно относительно распространения волны СВЧ колебаний, имеет разные значения магнитной проницаемости для волн с противоположным направлением вращения вектора магнитного поля. Участки ферритовых тороидов, параллельные узким стенкам волновода, расположены в областях, в которых вектор магнитного поля волны Н₁₀ в каждой фиксированной точке вращается параллельно широкой стенке волновода. Направление вращения задается направлением распространения волны. При изменении направления распространения волны в волноводе меняется направление вращения вектора Н этой волны относительно направления намагничивающего поля Н₀ (рис. 12). Поэтому изменяется магнитная проницаемость феррита и величина вносимого фазового сдвига.

Рис. 12. Поперечные сечения фазовращателя на феррите с ППГ