12.2 Классификация устройств свч с намагниченными ферритами и их матрицы рассеяния

В технике СВЧ находят широкое применение, следующие типы ферритовых устройств: вентили, невзаимные фазовращатели, циркуляторы.

Вентилем называется четырехполюсник, пропускающий ЭМВ в одном направлении без потерь и поглощающий волны, распространяющиеся в обратном направлении. Схематическое представление и матрица рассеяния идеального вентиля представлены на рисунке 12.5.

Рисунок 12.5 – Вентиль

Невзаимный фазовращатель – четырехполюсник, фазы проходящих волн через который зависят от направления распространения (рисунок 12.6).

Рисунок 12.6 – Невзаимный фазовращатель

Циркулятор – многополюсник, движение СВЧ мощности в котором происходит по определенному закону. На рисунке 12.7 в качестве примера приведены схема и матрица рассеяния [S] трехплечевого циркулятора.

Рисунок 12.7 – Трехплечий циркулятор

В технике широкое применение находят также четырехплечие циркуляторы.

Вентили используются для защиты СВЧ генераторов от отраженных волн. Невзаимные фазовращатели применяются для управления фазами ЭМВ, например, в фазированных антенных решетках. Циркуляторы используются, например, для подключения двух генераторов к общей антенне или одной антенны последовательно то к генератору, то к приемнику.

12.3 Примеры конструктивного выполнения ферритовых устройств свч

Опишем несколько реальных конструкций устройств СВЧ, использующие намагниченные ферриты.

1 Резонансные вентили. В ферритовых резонансных вентилях используется различия затухания волн, распространяющихся в противоположных направлениях вдоль волновода с ферритовой пластиной вдоль узкой стенки волновода. Для достижения ферромагнитного резонанса постоянное магнитное поле должно быть достаточно большим. Параллельно ферритовой пластине вводится параллельная диэлектрическая пластина, которая увеличивает напряженность электромагнитного поля у феррита. Поперечное сечение устройства изображено на рисунке 12.8.

Рисунок 12.8 – Сечение волноводного резонансного вентиля с постоянным магнитом

Недостатком такой конструкции является большой вес, определяемый, главным образом, весом постоянного магнита.

Резонансные вентили могут быть сконструированы на базе коаксиальной линии с волной типа T. Образец феррита имеет вид сектора, который крепится к диэлектрической втулке. Внешнее магнитное поле создается постоянным магнитом.

2 Циркулятор на эффекте Фарадея. На рисунке 12.9 схематически показана конструкция четырехплечего волноводного циркулятора. В круглом волноводе помещается ферритовый стержень, намагниченный продольным полем , которое создается соленоидом. В круглом волноводе должна распространяться волна , а в четырех прямоугольных волноводах – волна .

Рисунок 12.9 – Поляризационный циркулятор: а – конструкция; б, в, г – структура поля в круглом волноводе при различных поляризациях

Параметры ферритового стержня и выбираются таким образом, чтобы на длине стержня плоскость поляризации волны поворачивалась на . Если поляризация волны такая, как показана на рисунке 12.9 б, то боковой волновод 3 находится в положении пропускания, а торцевой волновод 1 – в положении запирания. При поляризации волны , изображенной на рисунке 12.9 в, в положении пропускания находится торцевой волновод 1, а положении запирания – боковой волновод 3. Аналогичные рассуждения можно провести для возбуждения с других боковых плеч.

Рассмотрим передачу электромагнитной энергии через циркулятор при подключении генератора к плечу 1. Плечо 3 при этом будет развязано. Пройдя феррит, волна повернется против часовой стрелки на и будет иметь поляризацию, при которой плечо 4 находится в положении запирания, плечо 2 – в положении пропускания.

Аналогичные рассуждения можно сделать для подключения генератора к плечам 2, 3, 4 и мы приходим к выводу, что циркуляция происходит в последовательности .

3 Фазовый циркулятор (рисунок 12.10).

Рисунок 12.10 – Фазовый циркулятор

Устройство состоит из двух трехдецибельных волноводно-щелевых мостов I и II, двух невзаимных ферритовых фазовращателей и и диэлектрической пластины Д. Параметры ферритовых пластин и поперечное поле подобраны так, что в одном направлении создается фазовый сдвиг, равный , а в другом направлении – нулевой фазовый сдвиг. Диэлектрическая пластина Д создает дополнительный взаимный фазовый сдвиг .

При подключении генератора к плечу 1 энергия делится поровну между верхним и нижним волноводами и не поступает в плечо 3 в силу направленности моста. При делении в первом мосте, фаза волны в верхнем волноводе отстаёт на угол , а проходя далее по невзаимному фазовращателю, получает дополнительное отставание по фазе на и еще на за счет диэлектрической пластины, в то же самое время в нижнем волноводе эти фазовые сдвиги отсутствуют. Проходя деление во втором щелевом мосте обе волны испытывают дополнительный сдвиг на . В результате в плече 4 обе волны получают сдвиги фаз и соответственно, то есть оказываются в противофазе, а плече 2 сдвиг фаз и , то есть волны синфазны. Таким образом, энергия из плеча 1 поступает только в плечо 2. Рассуждая аналогично, можно показать, что из плеча 2 энергия поступает в плечо 3 и.т.д. Следовательно, циркуляция энергии происходит по правилу .