Рис. 7.12. Принцип работы Y-циркулятора
На частотах, соответствующих дециметровому диапазону и ниже, волноводные Y-циркуляторы характеризуются большими габаритами, поэтому в таком случае целесообразно применять полосковые Y-циркуляторы. Эти устройства, как и ВУФ на эффекте Фарадея, работают как при H0 ˂ Hрез, так и при H0 ˃ Hрез, но последние имеют более узкий рабочий диапазон частот.
Х-циркуляторы (поляризационные) по своей конструкции
(и соответственно по использованию эффекта Фарадея) аналогичны поляризационным вентилям, за исключением отсутствия в переходах поглощающих пластин и наличия двух дополнительных входов (III и IV).
Коаксиальные, полосковые и микрополосковые вентили и цир-
куляторы отличаются компактностью конструкции, малой массой и малыми габаритами по сравнению с волноводными, что позволяет эффективно использовать их в дециметровом диапазоне.
§ 7.5. Управляемые вспомогательные устройства фидеров
Характеристики управляемых ВУФ можно изменять с помощью управляющего воздействия. К управляемым ферритовым устройствам относятся фазовращатели, переключатели, фильтры и другие устройства, диапазон рабочих частот которых составляет 0,5…50 ГГц. По принципу взаимодействия с ЭМВ (в частности, по изменению фазы) можно выделить взаимные и невзаимные фазовращатели.
Невзаимный фазовращатель обеспечивает необратимое изменение фазы электромагнитной волны. Его конструкция (рис. 7.13) представляет собой отрезок прямоугольного волновода 1 длиной l,
263
Рис. 7.13. Конструкция невзаимного волноводного ферритового фазовращателя
содержащего две* ферритовые пластины 2 той же длины, установленные на расстоянии х1 ≈ а/4 от узких стенок прямоугольного вол-
новода, и управляющий электромагнит 3, который намагничивает ферритовые пластины перпендикулярно направлению распространения ЭМВ (на рисунке указано стрелками). Напряженность поля подмагничивания соответствует области I на рис. 7.1, в которой значения действительных компонент комплексной магнитной проницаемости право- и левополяризованных волн μ+′ и μ−′ положительны и
различны. Изменение фазы волны при прохождении не содержащего феррит участка фидера длиной l рассчитывается по формуле
l |
2 |
l , |
(7.16) |
|
|||
|
|
|
|
где – коэффициент фазы; λ – длина волны в фидере.
Если участок фидера заполнен подмагниченным ферритом, то значение коэффициента фазы зависит от действительных компонент комплексных магнитной ( ) и диэлектрической ( ) проницаемостей феррита, и тогда (7.16) преобразуется следующим образом:
* Использование одной ферритовой пластины приводит к меньшему изменению фазы проходящей ЭМВ.
264
|
2 |
|
|
. |
|
|
|
l |
|
(7.17) |
|||
|
||||||
|
|
|
|
|
||
В реальных устройствах ферритовые пластины частично заполняют волновод, и для расчетов используют усредненные значения, которые существенно меньше, чем и феррита. Значение
феррита зависит от поляризации Н~, поэтому ЭМВ, распростра-
няющиеся по направлению Оz и противоположно направлению Оz, характеризуются различным изменением фазы.
Невзаимные фазовращатели могут использоваться для изменения фазы ЭМВ со средним уровнем мощности несколько сотен ватт и более.
Взаимный фазовращатель обеспечивает одинаковое изменение фазы волн, распространяющихся как в прямом, так и в обратном направлении. Это устройство представляет собой отрезок прямоугольного волновода 1 (рис. 7.14), внутри которого с помощью диэлектрической втулки 2 закреплен ферритовый стержень 3, продольно намагниченный электромагнитом 4. Напряженность поля подмагничивания соответствует об-
ласти I на рис. 7.1.
Для обеспечения принципа взаимности ферритовый стержень
устанавливается в центре волново- |
|
|
да, т. е. в области, |
в которой маг- |
Рис. 7.14. Конструкции |
нитное поле ЭМВ |
поляризовано |
взаимного фазовращателя |
|
||
линейно и может быть представлено в виде суперпозиции равных по амплитуде волн с противоположными направлениями вращения. В этом случае значение феррита не зависит от направления распростране-
ния волны и соответственно изменение фазы одинаково для волны, распространяющейся как в прямом, так и в обратном направлении.
Взаимные фазовращатели используются для изменения фазы волн, средняя мощность которых не превышает 10 Вт.
Если для подмагничивания феррита используется постоянный магнит, то фазовращатель из управляемого устройства превращается в неуправляемое, частный случай которого с изменением фазы на π радиан называется гиратором.
265
Фазовращатели с магнитной памятью используются в си-
стемах, требующих высокого быстродействия и малых значений массы и габаритов фидеров. Конструкция фазовращателя, обеспечивающего изменение фазы с шагом π/4, представляет собой отрезок прямоугольного волновода 1 (рис. 7.15), внутри которого установлена диэлектрическая втулка 2, на которой расположены кольцевые сердечники 3, изготовленные из феррита с прямоугольной петлей гистерезиса. Через диэлектрическую втулку проходит металлический проводник 4. Кольцевые сердечники собраны секциями, длина которых зависит от требуемого изменения фазы ψ, на каждую из которых может подаваться управляющий ток.
Кольцевые сердечники перемагничиваются пропусканием импульсов тока управления, амплитуда которых выбирается такой, чтобы феррит намагничивался до насыщения (т. е. B = ±BS). Если индукция в ферритовых сердечниках B = +BS, то это состояние может быть принято за нулевое изменение фазы проходящей волны. Перемагничивание сердечников одной или нескольких секций обеспечивает соответствующее изменение фазы ψ, например на π, π/2, π/4 или на сумму этих изменений в различных сочетаниях (рис. 7.15). Значение ψ сохраняется после отключения тока управления (за счет большого значения Br ≈ BS), поэтому такие фазовращатели называются фазовращателями с магнитной памятью.
Рис. 7.15. Конструкция фазовращателя с магнитной памятью
266
В дециметровом диапазоне длин волн применяют ферритовые фазовращатели на коаксиальных или полосковых линиях, в сантиметровом и миллиметровом диапазонах – волноводные фазовращатели.
Фазовращатели применяются при создании фазированных антенных решеток (ФАР), т. е. антенных решеток*, направление излучения и (или) форма соответствующей диаграммы направленности которых регулируются изменением амплитудно-фазового распределения токов или полей возбуждения на излучающих элементах. Принцип работы ФАР схематически изображен на рис. 7.16.
Рис. 7.16. Принцип работы ФАР
ЭМВ поступает на вход ФАР, разделитель каналов обеспечивает разделение ее мощности на заданное количество каналов, соответствующее количеству излучателей. В цепи каждого излучателя расположен фазовращатель. Сигнал с блока управления фазовращателями обеспечивает изменение фазы, необходимое для формирования требуемой диаграммы направленности ФАР. Такие конструкции применяются при создании радиолокационных станций различного назначения (рис. 7.17).
* Антенная решетка – антенна, содержащая совокупность излучающих элементов, расположенных в определенном порядке, ориентированных и возбуждаемых так, чтобы получить заданную диаграмму направленности.
267
а б Рис. 7.17. Примеры использования фазированных антенных решеток
сферритовыми фазовращателями в различной технике: а – РЛС «Дон-2Н»;
б– зенитный ракетно-пушечный комплекс «Панцирь С1»
Переключатели встраиваются в фидер для обеспечения коммутации мощности ЭМВ. Принцип их работы основан на вышеописанных эффектах: эффекте Фарадея, эффекте необратимого изменения фазы и эффекте изменения фазовой скорости. Конструкция волноводного Y-переключателя аналогична конструкции Y-циркулято- ра (см. рис. 7.12), за исключением того, что поле, подмагничивающее феррит, создается не постоянным магнитом, а электромагнитом. За счет этого, изменяя направление намагниченности феррита, можно изменять порядок следования мощности ЭМВ: с входа 1 на вход 2 или с входа 1 на вход 3.
Фильтры на основе ферритовых резонаторов являются уст-
ройствами, полоса пропускания* которых перестраивается за счет изменения напряженности постоянного подмагничивающего поля.
Принцип работы ферритовых фильтров основан на явлении ФМР в намагниченном феррите, представляющем собой полированную сферу из монокристаллического ЖИГ диаметром около 1 мм, установленную при помощи полимерного держателя. Вход и выход фильтра связаны между собой с помощью индуктивных петель (рис. 7.18, а, б), находящихся во взаимно-перпендикулярных плоскостях или в отверстиях в стенках ортогонально расположенных прямоугольных волноводов (рис. 7.18, в). При отсутствии подмагничивающего поля распространяющаяся по фидеру ЭМВ не может пройти с входа на выход фильтра, так как на входе ее магнитное поле
* Полоса пропускания – область частот, в которой логарифм коэффициента передачи фильтра не превышает заданного значения.
268
не имеет продольной компоненты, способной возбудить волну основного типа на выходе (аналогично принципу распространения ЭМВ в поляризационном вентиле, см. § 7.4). Если частота ЭМВ соответствует частоте ФМР, то возникает продольная компонента магнитного поля и происходит передача ЭМВ с входа на выход. Полоса пропускания фильтра может перестраиваться в некоторых пределах при изменении напряженности подмагничивающего поля Н0.
а б в Рис. 7.18. Конструкции ферритовых фильтров при использовании:
а– в коаксиальной линии передачи; б – в микрополосковой линии;
в– в прямоугольном волноводе
Резонансные частоты ферритовых фильтров относятся к диапазону 0,1…90,0 ГГц. Промышленно выпускаемые ферритовые фильтры содержат несколько фильтрующих звеньев из близкорасположенных ферритовых резонаторов (например, четырех), что приводит к расширению полосы пропускания фильтра, а также к увеличению минимальных вносимых потерь (с 0,6 до 4…8 дБ) и потерь вне полосы пропускания (60…80 дБ и более). Верхняя граница частотного диапазона перестройки определяется конструкцией электромагнита (максимально возможным током через обмотку, формой и материалом сердечника), а нижняя граница – тем значением напряженности поля Н0, при котором достигается насыщение феррита (это значение
зависит от его формы и химического состава).
К недостаткам фильтров на основе ферритовых резонаторов относятся:
–низкая температурная стабильность*;
*Температурная стабильность таких фильтров может быть повышена за счет ориентирования ферритовой сферы относительно подмагничивающего поля и выбора материала магнита.
269
–низкое быстродействие (время перестройки полосы пропускания составляет единицы-десятки миллисекунд);
–ограничение мощности передаваемой ЭМВ значениями
0,1…0,01 Вт;
–необходимость применения стабилизированных источников питания;
–высокие требования к точности изготовления индуктивных
петель.
Ферритовые фильтры применяются, например, в составе анализаторов радиочастотного спектра (телеметрических панорамных приемников, частотных фильтров, предназначенных для приема радиосигнала (преселекторов) и т. п.).
Устройства передачи спиновых волн включают в себя маг-
нитные пленки (например, ЖИГ), нанесенные на подложки галийгадолиниевого граната (ГГГ). Магнитная компонента электромагнитной волны, распространяющейся по полосковой линии, преобразуется в МСВ с использованием проволочных, полосковых или микрополосковых проводников, поперечные размеры которых (в направлении распространения волны) не превышают 1/k, где k – волновое число. Принцип действия такого устройства иллюстрирует рис. 7.19. Входящая ЭМВ распространяется по несимметричной полосковой линии.
Вслое ЖИГ, намагниченном полем Н0 в направлении y, магнитная
компонента ЭМВ возбуждает прямую объемную магнитостатическую волну. После прохождения по структуре «ЖИГ/ГГГ» происходит обратное преобразование МСВ в выходящую ЭМВ.
Рис. 7.19. Фидер, использующий эффект МСВ
270