Волноводное исполнение Поляризационный вентиль (вентиль на основе эффекта Фарадея)
1- ферритовый стержень; 2 – переход с круглого на прямоугольный волновод; 3 – поглощающая пластина; 4 - соленоид
Зависимость магнитной проницаемости феррита от величины подмагничивающего поля (+ относится к волне с правой круговой поляризацией, - относится к волне с левой круговой поляризацией)
1 – поле для эффекта Фарадея; 2 – для эффекта смещения поля; 3 – для эффекта ферромагнитного резонанса
2
Вентиль, основанный на эффекте Фарадея, представляет собой круглый волновод, вдоль оси которого расположен тонкий ферритовый стержень, намагниченный в продольном направлении постоянным магнитным полем Н0. Напряжённость магнитного поля Н0 значительно ниже резонансной величины
Нрез.
На входе вентиля расположена поглощающая пластина. Если в волноводе распространяется волна типа Н11 с поляризацией, показанной на рис., поглощающая пластина создаёт минимальные потери для волны, поступающей со стороны входа вентиля. За счёт эффекта Фарадея плоскость поляризации волны на выходе вентиля поворачивается на 45° (при соответствующем подборе длины и диаметра ферритового стержня).
Плоскость поляризации волны обратного направления поворачивается в ту же сторону еще на 45°. В результате электрическое поле отражённой волны оказывается параллельно плоскости поглощающей пластины. Отражённая волна практически полностью поглощается.
Поляризационный вентиль (рис. а) состоит из поляризатора на круглом волноводе с волной Н11, принцип работы которого основан на использовании эффекта Фарадея.
К входам поляризатора подключены плавные переходы 2 на прямоугольные волноводы I и II, являющиеся входом и выходом вентиля. Внутри переходов размещены поглощающие пластины 3.
Параметры ферритового стержня 1 и соленоида 4 подобраны так, чтобы обеспечивать поворот на угол =45º плоскости поляризации, проходящей по
круглому волноводу волны Н11.
При возбуждении входа вентиля I волной Н10 прямоугольного волновода (рис. б) она в плавном переходе 2 преобразуется в волну Н11 круглого волновода. Это преобразование происходит без поглощения мощности СВЧ пластиной 3, так как силовые линии электрического поля проходящей волны перпендикулярны пластине. Пройдя через поляризатор, плоскость поляризации волны Н11 поворачивается по часовой стрелке на 45°, и силовые линии электрического поля оказываются параллельными узким стенкам выходного прямоугольного волновода. Второй плавный переход преобразует без потерь волну Н11 круглого волновода в волну Н10 прямоугольного волновода II. При возбуждении прямоугольного волновода II волной Н10 (рис. в) она без потерь преобразуется в волну Н11 круглого волновода. Пройдя поляризатор, плоскость поляризации волны Н11 поворачивается по часовой стрелке на 45°, так как направление вращения плоскости поляризации в эффекте Фарадея определяется направлением подмагничивающего поля Н0 и не зависит от направления распространения волны. Таким образом, силовые линии электрического поля волны Н11 оказываются параллельными поглощающей пластине и широким стенкам прямоугольного волновода I. Мощность СВЧ, переносимая этой волной, интенсивно поглощается пластиной 3, и на вход 1 волна не проходит.
Достоинством вентиля является малая величина намагничивающего поля Н0. Полоса рабочих частот таких устройств составляет 15…20 % от f0. Недостатки: сложность и громоздкость конструкции.
3
Вентиль на основе эффекта смещения поля
1 – феррит; 2 – постоянный магнит; 3 – поглощающая пластина
Ферритовый вентиль на прямоугольном волноводе включает подмагниченную полем H` ферритовую пластину 1, на боковой поверхности которой нанесён резистивный поглощающий слой 2 с поверхностным сопротивлением ρS =100...200 Ом/м. Положение ферритовой пластины фиксируется диэлектрической прокладкой 3 из материала с невысоким значением εд (кварцевое стекло, стеклотекстолит). Амплитуда СВЧ электрического поля на поглощающем слое при прямом направлении распространения близка к нулю (малые потери), при обратном – максимальна (большие потери). Для работы в сантиметровом диапазоне волн рекомендуют выбирать марки ферритов с достаточно высокой MS ≈ 200...300 кА/м и узкой резонансной кривой H < 10 кА/м. До-
пустимо использовать марки с повышенным значением tg ε. Для широкополосных приборов целесообразно иметь p M S 1.
Внутреннее магнитное поле должно обеспечивать выполнение следующего условия: μ 0. Этому соответствует такая область:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
p |
p2 |
1 |
|
p |
2 . Внешнее магнитное поле ввиду слабого размагничивания из-за вертикального расположения пластины ненамного больше |
|||
4 |
|
2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
внутреннего H i |
|
|
. |
|
|||||
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4
Резистивный слой наносится напылением термостойких нихромовых и других плёнок и защищается от окисления при разогреве термостойкими покрытиями.
Геометрические размеры: длина поглощающего слоя (вдоль волновода) 1,5λ, длина согласующих скосов на концах феррито-диэлектрического вклады-
ша 0,5λ, высота ферритовой пластины h 0,7b, толщины 1 (0,03...0,04)a, 2 (0,15...0,16)a , 3 <(0,001...0,002)a.
Ферритовая пластинка 1 размещена параллельно продольной оси волновода на таком расстоянии от его узкой стенки, где амплитуды продольной и поперечной составляющих магнитного поля равны. В этом сечении вектор магнитного поля вращается в плоскости Н в направлении, задаваемом направлением распространения волны. Поперечное подмагничивающее поле Н0 создается постоянным магнитом 2. Боковая поверхность феррита покрывается радиопоглощающей пленкой 3. Место расположения ферритовой пластинки выбирают таким, чтобы для падающей волны оно соответствовало правому вращению вектора Н. В этом случае магнитная проницаемость феррита отрицательная, коэффициент фазы в феррите становится чисто мнимым и поле волны вытесняется из феррита. Волна распространяется по волноводу практически без потерь, так как в месте расположения поглощающей пленки образуется ноль поперечного электрического поля. Отраженная волна в месте расположения феррита имеет положительную магнитную проницаемость. Для этой волны в месте расположения поглощающей пленки образуется максимум поперечной составляющей электрического поля, и она интенсивно поглощается этой пленкой.
Вес и габариты вентиля определяются в значительной степени весом и габаритами постоянного магнита, который создает намагничивающее поле. Поскольку намагничивающее поле в вентиле, основанном на эффекте смещения поля, меньше резонансного, то вентиль, основанный на эффекте смещения поля, меньше по весу и более компактен, чем аналогичный резонансный вентиль. Такой вентиль способен работать только с небольшими мощностями обратной волны.
5
Резонансный вентиль
1 – феррит; 2 – постоянный магнит; 3 – диэлектрическая пластина
В прямоугольном волноводе, работающем на волне Н10, существуют две продольные плоскости х = const, параллельные узкой стенке волновода, где магнитное поле имеет круговую поляризацию.
Эти плоскости находятся на расстоянии x a arctg 2aB от узких стенок волновода.
Направление вращения вектора Н в каждом из указанных продольных сечений взаимно противоположно и зависит от направления движения волны по волноводу.
Намагниченная ферритовая пластинка помещается в волновод в одной из двух указанных плоскостей перпендикулярно широкой стенке волновода. Если напряжённость постоянного магнитного поля выбрать равной или близкой к величине Нрез, то феррит поглощает мощность волны, создающей
правополяризованное высокочастотное магнитное поле.
Волна, распространяющаяся вдоль волновода в противоположном направлении (прямая волна), испытывает малое затухание.
Серийно выпускаемые ферритовые вентили обеспечивают в полосе частот 10…15 % f0 затухание в прямом направлении не более 0,5 дБ, затухание в обратном направлении 20 дБ и имеют Kcт=1,08…1,1 (Kcт – коэффициент стоячей волны).
Резонансный вентиль на прямоугольном волноводе с волной Н10 состоит из ферритовой пластинки 1, размещенной параллельно продольной оси волновода на таком расстоянии от его узкой стенки, где амплитуды продольной и поперечной составляющих магнитного поля равны. В этом сечении вектор магнитного поля вращается в плоскости Н в направлении, задаваемом направлением распространения волны. Поперечное подмагничивающее поле Н0 создается постоянным магнитом 2.
В основу работы такого вентиля положен эффект ферромагнитного резонанса. Для падающей волны в месте расположения феррита вектор магнитного поля вращается против часовой стрелки, что соответствует волне левого вращения. Такая волна распространяется по волноводу с ферритом практически без потерь. Отраженная волна в месте расположения феррита имеет вектор магнитного поля правого вращения и интенсивно поглощается ферритом. Диэлектрическая пластина 3 предназначена для расширения рабочей полосы частот вентиля. Недостатком резонансного вентиля является большая напряженность подмагничивающего поля Н0 и, следовательно, большой вес постоянного магнита и самого вентиля.
6
Чтобы ослабить зависимость структуры поля от частоты, в волновод вводят пластину из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью и весьма малыми потерями, а тонкую ферритовую пластину наклеивают либо непосредственно на диэлектрик, либо на широкую стенку волновода рядом с диэлектриком. При этом значительная часть энергии, распространяющейся по волноводу, проходит через область, где размещена диэлектрическая пластина.
Благодаря этому зависимость структуры поля от частоты, характерная для обычного волновода, становится менее выраженной.
Одновременно возрастает концентрация энергии электромагнитной волны в ферритовой пластине, расположенной рядом с диэлектриком, что приводит к существенному увеличению вентильного эффекта.
Толщина диэлектрической пластины, ее положение в волноводе и параметры диэлектрика подбираются таким образом, чтобы у той грани диэлектрика, где расположен феррит, поляризация магнитного поля была близка к круговой.
Такие вентили с относительно громоздкой магнитной системой рекомендуется использовать в трактах с уровнем средней мощности до 100 кВт.
7
Коаксиальное исполнение Резонансный вентиль
1 – диэлектрический вкладыш; 2 – ферритовые пластины
Резонансный ферритовый вентиль на коаксиальном волноводе является широкополосным прибором со сравнительно малыми габаритами. Основной тип волны – поперечная Т-волна. Областей с круговой поляризацией СВЧ магнитного поля в обычных условиях в таком волноводе нет. Для их создания частично заполняют коаксиальный волновод диэлектриком с большой проницаемостью εд=10...20. Круговая поляризация на поверхности диэлектрика возни-
кает, если |
|
|
|
. |
|
2 |
D d |
||||
|
|
|
Диаметры проводников волновода должны также обеспечивать заданное волновое сопротивление. Марка феррита выбирается, как указывалось выше.
Толщина вкладыша для стандартных размеров волноводов (16х6,95 мм, 16х4,6 мм, 10х4,34 мм) t 1...2 мм, длина lф0,5 . Диэлектрический вкладыш имеет согласующие полуконусы длиной также ~0,5λ .
Выполняется из алюминооксидной керамики. Требуемую εд при заданных D, d, t и определяют из соотношения
t |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
. |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Д Ф |
|
|
|
|
|||||
|
|
2 |
Д Ф |
tg 4,94 D d |
|
|
2 |
Ф 1 |
|
|
||
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Требуемое внешнее магнитное поле Н |
|
|
2 N x N y 2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
Nx N y |
, |
||||
|
M |
S |
|
|
|
|
|
M |
S |
N |
z |
|
|
|
||
|
|
|
||||||||||||||
РЕЗ |
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где Nx∙Ny∙Nz=1 – размагничивающие факторы ферритовых пластин по осям, выбранным так, что ось y совпадает с направлением распространения СВЧ энергии (с осью волновода), ось z – с направлением постоянного магнитного поля.
8
Для длинных пластин с размерами t lФ 2mN y 0 , Nz |
t |
, N y |
2m |
. |
|
t 2m |
|
t 2m |
|
Такие вентили при использовании иттриевых феррогранатов имеют в диапазоне ДЦМ
Lобр20 дБ, B20, Kcт≤1,3 в двухкратной полосе частот.
Для коаксиальных фазовращателей Спр=1…1,5 дБ, Собр=15…20 дБ.
Полосковое исполнение Вентиль на основе эффекта смещения поля
Вентили на полосковом волноводе на смещении поля очень широкополосны (достигаются перекрытия частот от 3:1 до 5:1), малогабаритны (особенно на несимметричном полосковом волноводе). Используют сложные феррито-диэлектрические вкладыши, в которых диэлектрический материал с большими потерями (ферроэпоксид и др.) является поглотителем.
Для достижения широкополосности ферритовая часть вкладыша набирается из феррита трёх-четырёх разных марок.
Слой, прилегающий к поглотителю, должен иметь самую высокую M S max 0,8 max 
, где νmax – максимальная частота рабочего диапазона; в дальнем от
поглотителя слое используют материал с M S min 1,3 min . |
|
|
|
|
|
Ширина полоскового проводника на ферритовом заполнении, мм: WФ |
|
250 |
|
, νmax в ГГц. |
|
max |
|
|
|||
Ф |
|||||
Ширина проводника на поглотителе Wд 0,03...0,05·λ . Длина поглотителя lп3Wд. Требуемое внутреннее относительное подмагничивание 1, а внешнее поле He MS.
Согласование вентиля обеспечивается многоступенчатыми или плавными переходами, длина и радиус кривизны последних 
Ф .
9
Резонансный вентиль
1 – заземлённые пластины; 2 – ферритовые вкладыши; 3 – центральный проводник с гребенчатой замедляющей структурой
Резонансный ферритовый вентиль на полосковом волноводе используют для создания области с круговой поляризацией СВЧ магнитного поля гребенчатую замедляющую структуру на центральном полосковом проводнике, образованную рядом разомкнутых шлейфов, длины которых на основной части вен-
тиля l 0,125 , а на концах вентиля для широкополосного согласования l плавно уменьшается.
Выбор размеров: длина ферритовой пластины lФ 0,5 0,7 , h 0,1 0,2 D , 0,05 0,1 , 1 2 , 3 D , 1 2 .
Выбор марки феррита производят так же, как и для волноводных вентилей, внешнее подмагничивающее поле H e H i M S , H i 
.
Эти вентили широкополосны, имеют относительно малые габариты и хорошие условия для отвода тепла от ферритовых вкладышей, могут работать на высоком уровне мощности.
10
ФИЛЬТРЫ СВЧ
УГО
общее обозначение;
фильтр верхних частот ФВЧ;
фильтр нижних частот ФНЧ;
полосно-пропускающий фильтр ППФ (полосовой фильтр ПФ);
полосно-заграждающий фильтр ПЗФ (режекторный фильтр РФ)
Назначение Фильтрами СВЧ называют пассивные четырехполюсники, осуществляющие передачу колебаний СВЧ в согласованную нагрузку в соответствии с заданной частотной характеристикой.
|
|
|
|
|
|
|
Основные |
Указывается частотная полоса пропускания, в пределах которой вносимое ослабление фильтра |
L 20 lg |
|
|
|
не должно превы- |
|
|
|||||
характеристики |
|
s21 |
|
|||
шать некоторого допустимого значения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вне полосы пропускания (в полосе запирания) вносимое ослабление должно быть как можно большим. |
|
|
|||
|
Иногда оговаривается также частотное поведение фазы коэффициента передачи фильтра (обычно в виде отклонений от линейно- |
|||||
|
го закона при изменении частоты в полосе пропускания). |
|
|
|
|
|
Фильтры СВЧ обычно имеют вид каскадного соединения ряда, звеньев. Звеньями фильтров могут быть резонаторы, шлейфы, отрезки связанных линий передачи и др.
1