X- и Y-циркуляторы
Условное графическое обозначение
|
Y-циркулятор |
X-циркулятор |
Назначение |
Циркуляторы представляют собой устройства СВЧ, имеющие три или четыре входных линии передачи, причем мощность СВЧ |
|
|
без потерь передается в одном направлении, например, с первого входа на второй, со второго на третий и т.д. |
|
|
Циркуляторы, имеющие три входных линии передачи, называются Y-циркуляторами. |
|
|
Циркуляторы с четырьмя входами называются Х-циркуляторами. На эквивалентной схеме такие циркуляторы отображаются в |
|
|
виде шестиили восьмиполюсника соответственно. |
|
|
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 |
|
|
трактах измерительных стендов СВЧ. |
|
Основные |
Развязка между плечами и прямые потери. |
|
характеристики |
Среди различных видов циркуляторов именно Y-циркуляторы получили наиболее широкое распространение. Это объясняется |
|
|
их простотой, малыми габаритами и массой. Y-циркуляторы весьма широкополосны. |
|
|
Рабочая полоса частот волноводных Y-циркуляторов достигает 30%, полосковых - октавы. |
|
Матрица рассеяния |
|
|
Волноводное исполнение
Y-циркулятор Цилиндрический ферритовый вкладыш 1 заполняет по высоте либо полностью, либо частично (с зазором Δ) 120-градусное разветвление в Н-плоскости 2. Для увеличения широкополосности на вкладыш надевают кольцевой диэлектрический трансформатор 3 и вводят дополнительные диэлектрические штыри 4. В
простейшем случае чисто ферритового вкладыша без зазора (Δ = 0) его диаметр DФ 0,75 
Ф , требуемая
относительная намагниченность материала, который обычно не насыщен, |
p |
|
|
|
|
|
|
Ф |
|
|
. |
|||||||||||||
8,5 |
|
|
|
|
|
|
|
14 |
||||||||||||||||
Ф |
||||||||||||||||||||||||
Требуемая намагниченность M p , соответствующее внутреннее поле H i |
|
определяется для выбранного |
||||||||||||||||||||||
материала по кривой намагничивания M f H i |
. Внешнее поле H e H i N z M . Размагничивающий фактор |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h |
|
2 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
arcsin |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
D |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
Ф |
|
|
|
|
|||||||||||
|
DФ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
h |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
D |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
цилиндрического образца диаметром DФ и высотой h: N z |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ф |
|
|
|
|
|
|
. |
|
|||||||
|
|
|
|
|
h |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
D |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Конструкция такого циркулятора представляет собой симметричный тройник в плоскости Н с намагниченным ферритовым вкладышем в его центре (рис). Величина намагничивающего поля Н0 значительно меньше резонансной.
Действие циркулятора можно объяснить следующим образом. Волна типа Н10, поступающая в плечо 1, дифрагирует на ферритовом цилиндрическом вкладыше и возбуждает равные по амплитуде поверхностные волны, огибающие феррит в противоположных направлениях. Взаимодействие этих поверхностных волн с намагниченным ферритом характеризуется различными значениями магнитной проницаемости. При этом фазовые скорости поверхностных волн оказываются различными. Подбирая диаметр ферритового цилиндра и величину намагничивающего поля Н0, можно при сложении поверхностных волн получить пучность напряжённости электрического поля в центре плеча 2, а узел напряжённости электрического поля в центре плеча 3. При этом энергия из плеча 1 поступит в плечо 2 и не поступит в плечо 3. Если энергия подаётся со стороны плеча 2, то она передаётся в плечо 3 и не поступает в плечо 1. При подаче энергии в плечо 3 она передаётся в плечо 1 и не поступает в плечо 2. В реальных конструкциях циркуляторов имеет место просачивание мощности из плеча 1 в плечо 3 и т.д.
Y-циркуляторы чувствительны к колебаниям окружающей температуры, величине магнитного поля, размерам ферритов и т.д. Для устранения этого феррит помещают в диэлектрическую втулку, которая может являться своеобразным элементом настройки циркулятора, так как подбором ее диаметра можно регулировать ширину рабочей полосы. Y-циркуляторы имеют прямые потери около 0,1 дБ, развязку между плечами 30 дБ и
|
|
|
Kст≥ 1,04. |
Х-циркулятор |
1- ферритовый стержень; 2 – переход с круглого на прямоугольный волновод; 3 – боковые ответвления к |
(поляризационный циркулятор) |
прямоугольному волноводу; 4 - соленоид |
|
Поляризационный циркулятор (рис. а) имеет конструкцию, аналогичную конструкции поляризационного |
|
вентиля. |
|
Отличие состоит в том, что поглощающие пластины заменены волноводными входами III и IV циркулятора. |
|
Причем вход IV развернут относительно входа III на 45° по часовой стрелке, если смотреть в направлении поля |
|
Н0. На рис.б-д схематично показаны взаимное расположение входов циркулятора и структура полей в |
|
различных сечениях при возбуждении каждого из его входов. |
|
При возбуждении входа I мощность СВЧ проходит на вход II так же, как в поляризационном вентиле. |
|
Входы III и IV оказываются развязанными, так как при ориентации силовых линий поля, показанной на рис. б, |
|
в них возбуждаются Е-волны, которые находятся в закритическом режиме. |
|
При возбуждении входа II мощность СВЧ передается на вход III, так как после прохождения поляризатора |
|
плоскость поляризации волны Н11 повернется на 45° по часовой стрелке и силовые линии электрического поля |
|
станут перпендикулярными широким стенкам волновода входа III. При этом входы I и IV оказываются |
|
развязанными, так как в них не возбуждается основной волны Н10 |
|
Аналогично объясняется передача мощности СВЧ с входа III на вход IV и с входа IV на вход I (рис. г и д |
|
соответственно). |
Фазовый циркулятор |
Фазовый циркулятор является Х-циркулятором, и его схема показана на рис. |
|
Он состоит из двух мостов, между которыми включен невзаимный фазовращатель. |
|
При прохождении волны через такой фазовращатель слева направо ее фаза не изменяется, а при обратном |
|
прохождении фаза изменяется на 180°. |
|
При возбуждении входа I фазового циркулятора мощность делится поровну между плечами 5 и 6 моста. |
|
Причем в плече 5 фаза волны 5 =0°, а в плече 6 6 =-90° . |
|
Фазовые соотношения в плечах 7 и 8 второго моста сохраняются, т.е. фазы волн, возбуждающих эти плечи |
|
моста, 7 5 =0°, 8 6 =-90°, так как невзаимный фазовращатель не изменяет фазу проходящей волны. |
|
Второй мост делит мощность, подводимую к каждому из плеч 7 и 8 поровну между входами циркулятора 4 и 2. |
|
При этом на входе 4 волны складываются в противофазе, на входе 2 - в фазе. |
|
Таким образом, при возбуждении первого входа циркулятора мощность СВЧ передается на его второй вход. |
|
При возбуждении второго входа циркулятора мощность делится мостом поровну между плечами 7 и 8, причем |
|
7 =-90°, 8 =0°. |
|
При переходе через невзаимный фазовращатель с плеча 7 на плечо 5 фаза волны изменится: 7 5 -180°=- |
|
|
Фазовый циркулятор |
Две упрощенные схемы фазовых циркуляторов, использующих невзаимный фазовый сдвиг в прямоугольном |
|
волноводе, содержащем намагниченный феррит. |
|
В состав 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. |
|
В этом случае в одном из каналов включается также обычный ножевой диэлектрический фазосдвигатель, |
|
обеспечивающий взаимный фазовый сдвиг на π/2. |
|
|
Полосковое исполнение
Y-циркулятор 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 учётом зависимости компонент μ от
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,00153 m Z0 |
|
|||
подмагничивающего поля: D |
0,58 |
|
, h |
|
|
|
, где m – число дисковых вкладышей (m= 2 |
||
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
Z |
|
|
|
|||
|
Ф |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
при симметричном 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 |
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b 0.836 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
0,0724 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
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 |
|
– длина волны в |
||||||||||||
|
Д |
||||||||||||||
1 – феррит; 2 – диэлектрический цилиндр; |
линии,), а также специальные режимы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
4 – магнит |
Y-циркуляторы высокого уровня мощности выполняют на симметричных полосковых волноводах. |
||||||||||||||
В керамическую подложку 1 врезан ферритовый вкладыш 2, подмагниченный постоянным магнитом 3. Нанесенный на подложку металлический пленочный диск 4 обеспечивает необходимую структуру волнового поля.
Четвертьволновые трансформаторы сопротивлений 5 служат для согласования циркулятора с внешними линиями передач 6.
Направленные ответвители
Условное графическое обозначение
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
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 10 lg P4 P2 |
; |
|||||||||
|
- рабочим затуханием c31 |
10 lg 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
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. |
|
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, поскольку в плече 2 связанного волновода ответвленные волны уже не будут |
|
полностью гасить друг друга. |
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.
|
В плече 4 волны |
синфазны и суммируются арифметически, что изображено на |
|
векторной диаграмме рис. а. |
|
|
В плече 2 векторная диаграмма полей представлена на рис. б. |
|
|
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 . |
|
|
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. |
|
Направленный ответвитель |
Представляет собой два пересекающихся под прямым углом прямоугольных волновода, в общей широкой |
|
на перекрещивающихся волноводах |
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. |
|
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.