Невзаимный ферритовый фазовращатель с поперечным подмагничиванием
1 – ферритовые пластины
Невзаимный, или необратимый, фазовращатель основан на различии магнитной проницаемости для двух направлений вращения круговой поляризации или направлений распространения. Это различие приводит соответственно к увеличению или к уменьшению фазовых постоянных для двух противоположных направлений распространения.
Разница по фазе, или так называемый дифференциальный (невзаимный) фазовый сдвиг пропорционален длине участка с ферритом. Устройство с дифференциальным фазовым сдвигом, равным 180°, называется гиратором.
Фазовращатель характеризуется добротностью, равной отношению фазового сдвига к вносимым потерям. Хорошие фазовращатели имеют добротность Q~500-800.
Величина вносимого дифференциального сдвига зависит от параметров феррита, внешнего магнитного поля и параметров волноводной системы.
В фазовращателе на прямоугольном волноводе для увеличения фазового сдвига и уменьшения общей длины обычно используют две ферритовые пластины 1, расположенные по обе стороны от средней плоскости волновода, намагничиваемые в противоположных направлениях.
4
Невзаимный проходной фазовращатель на феррите с прямоугольной петлей гистерезиса
1 - ферритовые вставки; 2 - согласующие диэлектрические вставки; 3 – проводники IУПР - управляющие импульсы тока
Он состоит из прямоугольного волновода, внутри которого размещены три тороидальных ферритовых элемента, имеющих «прямоугольную» петлю гистерезиса (ППГ). Подмагничивание феррита создается импульсами тока, протекающего по проводам, проходящим через тороиды.
Амплитуда импульсов IУПР выбирается такой, чтобы феррит достиг состояния насыщения по величине магнитной индукции B
Значение фазового сдвига, вносимого одним ферритовым тороидом, определяется величиной остаточной магнитной индукции Br .
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.
Основным преимуществом таких фазовращателей является наличие внутренней магнитной памяти.
Ферриты с ППГ сохраняют состояние намагниченности неограниченно долго, а управляющий ток протекает лишь при перемагничивании феррита. Импульсы тока имеют длительность порядка 10-6 с и амплитуду 20-30 А.
Такие ФВ имеют широкое применение и работают в полосе частот 5-10%, внося дополнительные тепловые потери около 1 дБ при КСВ на входе пример-
но 1,2.
Уровень средней мощности СВЧ-колебаний, подводимых к входу фазовращателя, может достигать 0,5 кВт. ФВ невзаимный. Тороидальные фазовращатели имеют время переключения 0,5-2,0 мкс.
5
В полосе частот ±5% тороидальные фазовращатели с полным перекрытием фазы 0-360° имеют уровень вносимого ослабления 0,8-1,2 дБ и характеризуются входным КСВ не более 1,2 во всех фазовых состояниях.
Допустимый уровень средней мощности колебаний СВЧ может достигать 0,2-0,4 кВт, а энергия, требуемая для перевода фазовращателя из одного состояния в другое, составляет 3-10-4-3 10-3 Дж.
Электромеханический стрикционный фазовращатель
Используется электрострикционный эффект, который состоит в деформации некоторых диэлектрических материалов, называемых пьезоэлектриками, под действием приложенного к ним электрического напряжения.
Наиболее сильно этот эффект выражен у диэлектрических образцов, выполненных из керамики на основе цирконат-титанат свинца. Из этой керамики делают тонкие пластинки и склеивают их однополярными сторонами. Такие двухслойные пластинки называются биморфными.
Под действием электрического напряжения, приложенного к металлизированным сторонам биморфной пластинки, она выгибается в направлении, определяемом полярностью приложенного напряжения. Величина прогиба зависит от значения приложенного напряжения.
Прогиб биморфной пластины приводит к уменьшению размера широкой стенки прямоугольного волновода. Из-за изменения фазовой скорости волны на участке расположения биморфной пластины изменяется фаза проходящей волны. Напряжение, приложенное к биморфной пластине, составляет приблизительно сотни вольт.
Такие фазовращатели находят применение в миллиметровом диапазоне волн.
6
Коаксиальное исполнение Коаксиальный тромбонный фазовращатель
Это отрезок линии передачи длиной l, проходя который электромагнитная волна получает фазовый сдвиг ∆φ = 2πl /Λ. Для изменения ∆φ можно или изменять длину отрезка l, или изменять величину фазовой скорости волны в пределах отрезка, т.е. изменять электрическую длину отрезка l/Λ.
Максимальная величина вносимого фазового сдвига определяется величиной 2l - удвоенным ходом подвижной части фазовращателя.
Фазовращатель тромбонного типа создает фазовый сдвиг за счет изменения длины электрического тракта. Коаксиальный фазовращатели вносит фазовый
сдвиг, пропорциональный удвоенному перемещению U-образной подвижной части: 
, где λв – длина волны в волноводе. Отрезки коаксиалов длиною λ/4 представляют собой «металлические изоляторы», так как их входное сопротивление равно бесконечности.
1
Невзаимный ферритовый фазовращатель с поперечным подмагничиванием
1 – ферритовые пластины; 2 - диэлектрик
Невзаимный, или необратимый, фазовращатель также основан на различии магнитной проницаемости для двух направлений вращения круговой поляризации или направлений распространения. Это различие приводит соответственно к увеличению или к уменьшению фазовых постоянных для двух противоположных направлений распространения. Разница по фазе, или так называемый дифференциальный (невзаимный) фазовый сдвиг пропорционален длине участка с ферритом. Устройство с дифференциальным фазовым сдвигом, равным 180°, называется гиратором. Фазовращатель характеризуется добротностью, равной отношению фазового сдвига к вносимым потерям.
Вращающееся поле Н в ферритовых образцах обеспечивается частичным заполнением диэлектриком 2 поперечного сечения линии передачи.
Хорошие фазовращатели имеют Q~500-800. Величина вносимого дифференциального сдвига зависит от параметров феррита, внешнего магнитного поля и параметров волноводной системы.
2
Полосковое исполнение
Трехразрядный бинарный ФВ на p-i-n диодах
Эта конструкция является примером гибридной интегральной микросхемы СВЧ.
Характерным свойством гибридных микросхем является наличие навесных элементов -диодов, блокировочных емкостей и др.
Проходной фазовращатель по рассматриваемой схеме обеспечивает точность установки фазовых сдвигов 5-8° в полосе частот 5-10% при вносимом ослаблении 1,0-1,5 дБ и входном КСВ не выше 1,3.
3
Поляризаторы СВЧ
УГО
Каждая пара клемм на входе или выходе такого восьмиполюсника соответствует волнам в волноводе с ортогональными поляризациями. Назначение Поляризаторы СВЧ предназначены для изменения поляризации проходящей волны в тракте.
Матрица
рассеяния
1
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 рисунке.
Он представляет собой отрезок круглого волновода длиной l с единственной распространяющейся волной H11 внутри которого под углом к вертикальной оси расположена диэлектрическая пластина.
Клеммы 1 и 3 этого многополюсника соответствуют волне H11 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 H11 вектор Е которой параллелен пластине. Такую волну назовем волной параллельной поляризации.
Наличие диэлектрической пластины в волноводе обусловливает различные фазовые скорости волн параллельной Ф|| и перпендикулярной Ф поляризаций: Ф|| Ф . Поэтому фазовые сдвиги, вносимые этой пластиной для волн параллельной и перпендикулярной поляризаций, оказываются различными. При этом величина разности фаз || определяется длиной пластины и размерами ее поперечного сечения.
Вектор Е волны на выходе поляризатора вращается против часовой стрелки, если смотреть в направлении распространения волны.
При возбуждении поляризатора волной H11 вектор Е которой параллелен оси х, на выходе получим волну H11 с круговой поляризацией противопо-
ложного вращения.
Входные и выходные пары клемм восьмиполюсника согласованны 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 энергией между ними.
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, только волна, у которой вектор Е параллелен пластинам, будет иметь фазовую скорость больше, чем волна, у которой вектор Е перпендикулярен пластинам
2
Поляризаторы СВЧ могут быть выполнены также на основе использования эффекта Фарадея в продольно подмагниченном феррите (рис. 9.16).
рис. 9.16 
рис. 9.17
Он состоит из круглого волновода с волной H11 на оси которого расположен ферритовый стержень.
Постоянное подмагничивающее поле создается соленоидом, намотанным непосредственно на волновод. Величина этого поля выбирается такой, чтобы магнитные проницаемости феррита для волн круговой поляризации правого и левого вращений были бы различными.
Известно, что линейно поляризованная волна может быть представлена в виде суммы волн круговой поляризации противоположного вращения. Тогда, возбуждая вход рассматриваемого поляризатора волной H11 вектор Е которой параллелен оси у (рис. 9.17), раскладываем ее на две волны правого и левого вращений.
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. Этот фазовый сдвиг
определяет поворот на угол плоскости поляризации волны H11 , образованной сложением этих двух волн круговой поляризации на выходе поляриза-
тора.
Рассмотренные поляризаторы СВЧ используются как самостоятельно для изменения поляризации проходящей волны, так и в качестве элемента сложных устройств СВЧ.
3
Вентили СВЧ
УГО |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Назначение |
Вентилем (или изолятором) в технике СВЧ называют четырехполюсник, обладающий тем свойством, что величина вносимого им затухания |
|||
|
зависит от направления движения волны через вентиль. В зависимости от рабочего диапазона, конструкции и уровня рабочей мощности по- |
|||
|
тери в вентиле при распространении волны в одном направлении обычно лежат в пределах от 0,1 до 1 дБ, а при распространении в обрат- |
|||
|
ном направлении достигают 10-70 дБ. |
|
||
|
Вентили используются как элементы развязки в трактах СВЧ, например, для устранения вредного воздействия отраженной волны на гене- |
|||
|
ратор СВЧ-колебаний. |
|
||
|
Невзаимные четырёхполюсники с малыми потерями в прямом направлении (lпр, дБ) и большим в обратном (lобр, дБ). |
|||
Основные |
|
lОБР |
f |
|
характеристики Характеризуются величиной вентильного отношения B |
|
и согласованием (КСВН) в полосе рабочих частот |
f . |
|
lПР |
||||
Основными характеристиками являются: вносимые потери в прямом направлении Спр, затухание в обратном направлении Cобр, диапазон и полоса рабочих частот, коэффициент стоячих волн (КСВ) Ксв входа в полосе рабочих частот.
Эффективность вентиля (качество развязки) можно характеризовать вентильным отношением В (добротностью) - отношением ослаблений обратной и прямой волн, выраженных в децибелах
BCОБР 
СПР ,
CПР 10log PВХ 
PВЫХ , дБ (при прямом прохождении волны);
CОБР 10log PВХ 
PВЫХ , дБ (при обратном прохождении волны).
Вреальных конструкциях вентилей СПР обычно составляет величину от 0,1 до 1 дБ, а СОБР – от 10 до 70 дБ. Коэффициент стоячей волны при этом не превышает 1,1.
Матрица
рассеяния
1