а)
б)
1 – 4 – входы (плечи) фазового циркулятора; 5 – секция невзаимных фазовращателей; 6 – ферритовые вкладыши; 7 – полюсные наконечники магнитной системы; 8 – секция трёхдецибельного щелевого моста; 9 – переход на сдвоенный волновод; 10 – модифицированный двойной Т-мост
Фазовые циркуляторы конструируют на прямоугольных волноводах для использования на высоких уровнях мощности.
Через циркулятор, изображённый на рис., а, энергия распространяется в направлении 1 3 2 1 или противоположном при смене знака H e , через циркулятор, схема которого соответствует рис. б, 1 3 2 4 1 (или противоположное).
Длина щели 3-децибельного моста LЩ |
|
|
|
|
|
|
0,5 |
|
|
|
|
|
|
, где a – ширина волновода. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
1 |
|
|
2 |
|
1 |
|
2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
4a |
|
|
|
|
|
2a |
||||
Марка феррита выбирается по тем же рекомендациям, что и для резонансного волноводного вентиля. При прочих одинаковых параметрах целесообразно ориентироваться на марки с меньшим значением MS . Ферритовые вкладыши устанавливают так же, как и в волноводных резонансных вентилях: координа-
ты центра пластины t00,25a; рекомендации по выбору m и n те же.
Длина вкладышей Lф должна обеспечивать для каждого из четырёх ферритовых пластин дифференциальный фазовый сдвиг = 0,25π . Это выпол-
няется, если |
LФ |
|
|
1 |
|
, где k` – недиагональная компонента тензора μ. |
|
a |
8k |
2m n |
|||||
|
|
|
|||||
|
|
|
a |
b |
|
||
Обычно выбирают LФ 
a 3 8, при этом требуемое k`<1 , что обеспечивает малые вносимые потери. Внутреннее магнитное поле дорезонансное:
|
|
|
|
|
. |
|
|
1 |
M S |
||
1 p |
|||||
|
|
|
|
|
|
6
Коэффициент использования материала |
BP H PVP |
, где Bp , Hp – соответственно магнитная индукция и напряжённость магнитного поля в рабочем |
||
BH |
V |
M |
||
|
max |
|
|
|
воздушном зазоре; Vp – объём рабочего зазора; Vм – объём магнита.
Две упрощенные схемы фазовых циркуляторов, использующих невзаимный фазовый сдвиг в прямоугольном волноводе, содержащем намагниченный феррит.
Всостав каждого из циркуляторов входят два моста, между которыми в простейшем случае расположена одна ферритовая пластина, находящаяся в области круговой поляризации высокочастотного магнитного поля.
Схема циркулятора, изображенная на рис. б, чаще применяется на практике и отличается от рассмотренной выше схемы заменой двойных тройников на щелевые мосты.
Вместо одной ферритовой пластины большей частью используются две более короткие одинаковые пластины, расположенные в обоих каналах циркулятора и создающие разностный сдвиг фаз, равный π/2.
Вэтом случае в одном из каналов включается также обычный ножевой диэлектрический фазосдвигатель, обеспечивающий взаимный фазовый сдвиг на
π/2.
7
Полосковое исполнение
1 – феррит; 2 – диэлектрический цилиндр; 4 – магнит Их конструируют на базе 120-градусного разветвления полоскового волновода, образованного заземлёнными пластинами 1 и центральным проводником
2. Между ними помещают ферритовые дисковые вкладыши 3, намагниченные магнитной системой 4. Могут работать как в дорезонансных полях ( <1), так и взарезонансной области. Размеры вкладышей и требуемая величина подмагничивающего поля определяются уравнениями циркуляции, решаемыми с учё-
|
|
|
|
|
0,00153 m Z0 |
k |
|
|
|
том зависимости компонент μ от подмагничивающего поля: D |
0,58 |
|
, h |
|
|
|
, где m – число дисковых вкладышей (m=2 при симметрич- |
||
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
Z |
|
|
|
|||
|
Ф |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ном полосковом волноводе, m=1 – при несимметричном); Z0 – волновое сопротивление подводящих волноводов; Z – коэффициент, учитывающий краевые поля. Для полоскового волновода:
симметричного Z 1 0,00456 Z0 |
|
Д |
|
1 |
|
|
|
|
, |
||||||
|
1 0,43 |
2h |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
b |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
несимметричного Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
0,0724 |
b 0.836 |
|
|
|
|
||||||||
|
1 |
1,735 |
|
|
|
|
|
||||||||
|
Д |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
|||
где εд – проницаемость диэлектрического заполнения полоскового волновода.
Для расширения полосы рабочих частот используют четвертьволновые трансформаторы на входах циркулятора, специальные комбинации отрезков линий длиной Л 
8 ( Л 
Д – длина волны в линии,), а также специальные режимы.
Y-циркуляторы высокого уровня мощности выполняют на симметричных полосковых волноводах.
8
Направленные ответвители
УГО
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Назначение |
Направленные ответвители (НО) широко применяются в измерительной технике для раздельного измерения падающей и отражённой волн, |
|||||||||
|
а также для построения СВЧ устройств, где требуется ответвление волны определенного направления. |
|||||||||
Основные |
Направленные ответвители характеризуются следующими параметрами, определяемыми в режиме возбуждения плеча 1: |
|||||||||
характеристики - переходным ослаблением c41 10 lg P1 P4 ; |
|
|
|
|
|
|||||
|
- направленностью c24 N 10lg P4 P2 ; |
|
|
|
|
|
||||
|
- рабочим затуханием c31 С 10lg P1 P3 ; |
|
|
|
|
|
||||
|
- развязкой c21 10 lg P1 P2 ; |
|
|
|
|
|
||||
|
- коэффициентом стоячей волны (КСВ) на входе КСВ= KCB 1 |
|
s11 |
|
|
1 |
|
s11 |
|
. |
|
|
|
|
|
||||||
|
0< c41 <60 дБ; c24 >20 дБ; c31 >0 дБ; KCB 1,1 |
|
|
|
|
|
||||
Матрица рассеяния Направленные ответвители условно можно рассматривать как устройства, состоящие из двух линий передачи, связанных между собой, 1-3 – основной и
2-4 – вспомогательной. Направление распространения волны в основной линии передачи 1-3 определяет направление распространения волны во вспомогательной линии передачи 2-4.
При возбуждении плеча 1 волна ответвляется в плечо 4, а при возбуждении плеча 3 – в плечо 2.
1
Волноводное исполнение Двухдырочный НО
Представляет собой два прямоугольных волновода, в общей узкой стенке которых на расстоянии B 
4 друг от друга прорезаны два отверстия связи.
Пусть энергия поступает в плечо 1. Каждое из отверстий возбуждает в связанной линии по две волны, одна из которых поступает в плечо 2, а вторая – в плечо 4.
Вплече 4 волны от двух отверстий складываются в фазе, так как общая длина пути, проходимого этими волнами от плеча 1 до плеча 4, одинакова.
Вплечо 2 волны приходят в противофазе, так как путь волны из плеча 1 в плечо 2 через отверстие 1 короче пути волны, приходящей из плеча 1 в плечо 2
через отверстие 2, на B 
2. Вся ответвившаяся энергия поступит в плечо 4. В плече 2 амплитуда прошедшей волны равна нулю. Неответвившаяся часть
энергии пройдет в плечо 3.
При возбуждении плеча 1 мощность СВЧ в основном проходит в плечо 3, и небольшая ее часть ответвляется в плечо 4. Плечо 2 при этом остается развязанным, т.е. волны, ответвившиеся через отверстия, расстояние между которыми B 
4 , оказываются в этом плече противофазными и гасят друг друга.
Недостатком данного устройства является его узкополосность. Для устранения этого недостатка направленный ответвитель делают многодырочным. За счет этого удается также подобрать требуемую частотную характеристику переходного ослабления c41 .
В двухдырочном ответвителе затруднительно получить коэффициент связи K[дБ]>-5...-8 дБ, что связано с физическими ограничениями на максимальную величину отверстий, прорезаемых в общей стенке волноводов.
Отклонение рабочей частоты от расчетного значения приводит к уменьшению величин направленности и развязки ответвителя, т.к. в плече 2 связанного волновода ответвленные волны уже не будут полностью гасить друг друга.
2
Многодырочный НО
Число отверстий в направленном ответвителе и расстояние между ними подбираются так, чтобы электромагнитные волны от отдельных отверстий сложились в фазе в плече 4 и скомпенсировали друг друга в плече 2.
Пусть возбуждается плечо 1.
Цифрами в скобках обозначены порядковые номера отверстий.
Вплече 4 волны Е41 , Е42 , ..., Е4N синфазны и суммируются арифметически, что изображено на векторной диаграмме рис. а.
Вплече 2 векторная диаграмма полей представлена на рис. б.
3
Амплитуда суммарного поля в плече 2 равна длине вектора E2 , замыкающего многоугольник.
Если подобрать число отверстий либо расстояние между ними, чтобы векторная диаграмма полей имела вид замкнутого правильного многоугольника, изображенного на рис. в, то напряженность поля в плече 2 станет равной нулю, т. е. рассматриваемое устройство будет идеальным направленным ответвителем.
Амплитуда E2 0 , когда сдвиг по фазе между полями от первого и последнего отверстий равен 2 2 l , т. е. l N 
2 . Расстояние между отверстиями одинаковые и равны l 2N .
Многодырочные волноводные направленные ответвители применяют для расширения рабочей полосы частот и увеличения реализуемых значений коэффициента связи К.
Подбирая размеры отверстий и их количество, удается получить практически любое допустимое значение К (даже 0, что соответствует полной связи между волноводами P4=P1) и требуемые направленность и развязку в широком диапазоне частот.
4
Направленный ответвитель на перекрещивающихся волноводах
Представляет собой два пересекающихся под прямым углом прямоугольных волновода, в общей широкой стенке которых на расстоянии a
4 от узких стенок прорезано отверстие связи какой-либо формы.
Возможные формы отверстий, применяемые в таких ответвителях, показаны на рисунке ниже. 
Форма и размеры отверстий существенно влияют на значение переходного ослабления.
В направленных ответвителях элементами резонансного типа (щели, крестообразные отверстия) удается получить малые значения переходного ослабления.
Принцип работы такого ответвителя основан на том, что точка расположения отверстия связи является точкой круговой поляризации вектора магнитного поля волны H10 .
Направление вращения вектора Н однозначно определяет направление распространения волны H10 в волноводе.
Направленное ответвление мощности объясняется сохранением направления вращения вектора Н в верхнем и нижнем волноводах. Для уменьшения переходного ослабления в таких ответвителях делают два диагонально расположенных крестообразных отверстия связи.
Противофазные волны в одном из плеч направленного ответвителя можно также создать с помощью двух щелей, расположенных в одном поперечном сечении волновода (рис. 17.5.2), из которых одна – продольная, а вторая – поперечная.
Так как продольная щель эквивалентна рамке, то она возбуждает в верхнем волноводе синфазные волны, разбегающиеся от отверстия. Поперечная щель, эквивалентная рамке, возбуждает в верхнем волноводе противофазные волны, разбегающиеся от отверстия.
В плече 3 эти волны складываются в фазе, а в плече 4 – в противофазе. В результате энергия из плеча 1 ответвляется в плечо 3, где она распространяется в направлении, противоположном направлению движения входящей в плечо 1 энергии. Такой направленный ответвитель называют противонаправленным.
5
Полосковое исполнение
Направленный ответвитель с электромагнитной связью
Влинии 1-3 слева направо распространяется бегущая волна (генератор подключен к плечу 1). В линии 2-4 возбуждаются четные и нечетные волны. В плечо 2 они приходят в противофазе, а в плечо 4 – в фазе.
Чем меньше величина переходного затухания, тем шире полоса частот.
Всвязанных линиях величина переходного затухания зависит в первую очередь от зазора между полосками S.
Вмикрополосковых линиях получить значение С14<6 дБ не удается из-за технологических трудностей обеспечения необходимой величины зазора S. По этой причине такие ответвители получили название ответвителей со слабой связью.
НО на связанных микрополосковых линиях
Состоит из отрезка связанных линий длиной l, имеющего ширину полосок w и расстояние s между ними. Для устранения связи между подводящими линиями использован уголковый поворот на 90° в месте соединения подводящих линий с отрезком связанных линий.
Если в основной линии ответвителя от плеча 1 к плечу 3 распространяется волна, переносящая мощность Р1 то в связанной линии за счет распределенной электромагнитной связи в отрезке связанных линий также появится волна, переносящая ответвленную мощность Р4=К2Р1 в направлении плеча 4; при этом в плечо 2 ответвленная мощность не поступает: Р2 = 0.
В направленных ответвителях на основе связанных линий передачи, работающих на ТЕМ-волнах или квази-ТЕМ, ответвленная часть мощности в связанной линии распространяется в противоположном направлении по отношению к направлению распространения мощности в основной линии.
6
В идеальном случае при обеспечении согласования с подводящими линиями мощность Р, из плеча 1 делится между плечами 3 и 4, в плечо 2 мощность не поступает.
Величина коэффициента связи К ответвителя зависит как от параметров заполняющего диэлектрика, от величин W и S, так и от длины l отрезка связанных линий. Наибольший коэффициент связи обеспечивается при l=0,25Λ; 0.75Λ и т.д. При l=0,5Λ; 1,0Λ и т.д. К=0, т.е. мощность при этом полностью передается из плеча 1 в плечо 3, не ответвляясь в связанную линию.
Обычно длину области связи l выбирают равной 0,25Λ0, где Λо-длина волны в отрезке связанных линий на расчетной частоте f0. Этим обеспечивается как наибольшая величина К при фиксированных w и s, так и минимальные геометрические размеры ответвителя.
Сдвиг по фазе между векторами Е волн на выходах 3 и 4 плеч составляет 90°, в связи с этим подобные ответвители иногда называют квадратурными. Указанный фазовый сдвиг и идеальная направленность сохраняются на любой частоте при условии, что ZB, ZBe и ZB0 не зависят от частоты.
При изменении частоты меняется величина коэффициента связи К ответвителя, что и определяет его рабочий диапазон.
Многосвязная структура
Применяются для увеличения связи.
Принцип работы состоит в том, что направленный переход из основной линии (1-3) во вторичную (2-4) осуществляется за счет ее расположения в поле линии (1-3). Для этого расстояние между линиями делается достаточно малым. Величина переходного затухания в таком ответвителе зависит от зазора между линиями и от длины связанного участка l . В таком направленном ответвителе обеспечивается распределенная по длине связь между линиями
Направленные ответвители такого вида обеспечивают в рабочей полосе частот с коэффициентом перекрытия fmax/fmin=2 величины С142,5 дБ; С4215
дБ, KCB 1,5.
7