Ферритовые микроволновые устройства для систем с высоким уровнем мощности (стр. 1 из 2)
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
РЕФЕРАТ
По дисциплине: "Средства ТЗИ микроволнового и оптического диапазонов"
По теме: "Ферритовые микроволновые устройства для систем с высоким уровнем мощности"
Проверил: Щербина А.А.
Выполнил: Ст.гр. СТЗИ-07-1
Харьков 2010
На сегодняшний день разработано и выпускается широкая гамма ферритовых приборов микроволнового диапазона, которые позволяют создавать современные системы, удовлетворяющих нынешним и перспективным требованиям микроволновой электроники, программ космических исследований, работ по физике высоких энергий, систем беспроводной связи и других различных систем микроволнового диапазона. Среди всего многообразия можно выделить наиболее важные и часто применяемые. Именно они и будут рассмотрены ниже.
Циркулятор - многоплечее (многополюсное) устройство для направленной передачи энергии электромагнитных колебаний: энергия, подведённая к одному из плеч, передаётся в другое (строго определённое) плечо в соответствии с порядком их чередования.
Различают электронные и ферритовые циркуляторы. Электронные циркуляторы выполняют на основе дискретных элементов - транзисторов, диодов, резисторов. Действие ферритовых циркуляторов основано на способности ферритов, намагниченных во внешнем постоянном магнитном поле, создавать при взаимодействии с электромагнитным полем (волной) невзаимный фазовый сдвиг, невзаимный поворот плоскости поляризации [1, c.645-646] либо такую комбинацию волн, которая обеспечивает их распространение только в одном из плеч.
Различают следующие ферритовые циркуляторы: фазовый У-циркулятор с сосредоточенными параметрами, применяемый в диапазоне частот от сотен до тысяч Мгц, невзаимный фазовый сдвиг в котором осуществляется при помощи намагниченного ферритового образца и системы индуктивно связанных витков; циркулятор на основе разветвленных прямоугольных или круглых волноводов либо полосковых линий (в т. ч. микрополосковых линий) - У-, Т- и Х-циркулятор с распределёнными параметрами, используемые в диапазоне частот от тысяч до десятков тысяч Мгц, например поляризационный Х-циркулятор (рис.1).
Ферритовые циркуляторы не требуют источника питания, и работают на значительно более высоких мощностях, чем активные. Также выше их рабочий частотный диапазон. При этом на низких частотах, их габариты могут оказаться неприемлемо большими.
Ферритовые Х - и У-циркуляторы используют в антенно-фидерных трактах для переключения антенны или модуля сложной фазированной антенной решётки из режима передачи в режим приёма. Ферритовый У-циркулятор, в котором одно из плеч содержит поглощающую нагрузку, представляет собой разновидность вентиля. Образуя из нескольких У-циркуляторов последовательные (каскадные) соединения, можно получать циркулятор с любым заданным числом плеч; такие системы в сочетании с полосно-пропускающими фильтрами позволяют реализовать устройства для сложения или разделения сигналов с различными несущими частотами с использованием при этом минимального числа фильтров.
Рис.1 Поляризационный циркулятор на основе отрезка волновода с круглым сечением
На рисунке 1, 2, 3, 4 - плечи циркулятора в виде отрезков стандартных волноводов с прямоугольным сечением, расположенных под углом 45° последовательно по отношению друг к другу; пунктиром изображён ферритовый образец, обеспечивающий поворот плоскости поляризации волны на 45° в направлении, указанном стрелкой, в результате энергия, если её подвести к плечу 4, поступает только в плечо 1, к плечу 3 - только в плечо 4 т.д.
Главными характеристиками циркулятора являются его вносимые прямые потери Aпр = P1+ / P2 - = P2+ / P3 - = P3+ / P1 - и обратные потери (развязка) Aобр = P1+ / P3 - = P2+ / P1 - = P3+ / P2-. Пример приведён для трёхплечевого циркулятора (Y-циркулятора), знак плюс относится к мощностям, вводимым в циркулятор, а знак минус - к выводимым. В рабочем диапазоне частот хороший циркулятор обладает обычно следующими параметрами: Aпр ≤ 0,5 дБ; Aобр ≥ 30 дБ.
Также выделяют такие характеристики, как рабочая частота (длина волны), полоса пропускания, предельная рабочая мощность, диапазон рабочих температур, способ включения в тракт (вид разъёмов), массогабаритные показатели, устойчивость к внешнему постоянному магнитному полю, срок службы (обусловлен старением постоянного магнита).
Ферритовый вентиль - устройство с односторонним прохождением электромагнитной волны, то есть с очень малым затуханием волны, проходящей в одном направлении и очень большим - для волны обратного направления.
Вентили применяют для поглощения отраженных волн в линии передачи, улучшая тем самым согласование различных элементов цепи. Их эффективность определяется вентильным отношением В, то есть отношением ослаблений обратной и прямой волн, выраженным в децибелах:
| B = αобр / αпр | (1.1) |
где α - коэффициенты затухания обратной и прямой волны.
Принцип действия вентилей основан на том, что намагниченная ферритовая пластина является невзаимной средой. То есть при прямом прохождении волны вектор ее поляризации поворачивается из положения А в положение А΄, а при обратном прохождении, он не возвращается в исходное положение А
Наиболее широко применяются вентили трех типов: резонансные, со смещением поля и фарадеевские.
Вентиль с резонансным поглощением на прямоугольном волноводе (рис.2) с волной типа H10 основан на использовании поперечно намагниченной ферритовой вставки 1, расположенной в области волновода с вращающимся полем
. 
Рис.2 Волноводный резонансный вентиль
1 - ферритовая вставка; 2 - постоянный магнит; 3 - диэлектрическая пластина
Поперечное поле подмагничивания создают постоянным магнитом 2, причём величину поля подбирают равной полю гиромагнитного резонанса для право поляризованной волны. Падающая волна, при прохождении которой на феррит действует вектор H с левым вращением относительно поля подмагничивания, распространяется через вентиль с небольшим затуханием. Отражённая волна, при прохождении которой на феррит действует правовращающийся вектор
, интенсивно затухает из-за больших потерь в феррите при гиромагнитном резонансе.Поле подмагничивания необходимое для существования гиромагнитного резонанса, и требуемое положение ферритовой пластины в волноводе зависят от частоты, что ограничивает диапазонные свойства резонансного вентиля. Расширить рабочую полосу частот резонансного вентиля удаётся с помощью диэлектрической пластины 3, скрепленной с ферритовой пластиной. Диэлектрическая пластина способствует сохранению в полосе частот условий вращения вектора
в зоне расположения феррита.Основную долю прямых потерь составляют магнитные потери в феррите, появляющиеся вследствие ферромагнитного резонансного поглощения (рис.3).
Рис.3 Зависимость потерь в феррите от магнитного поля
При конструировании резонансных вентилей выбирается область работы вблизи резонанса. Потери на "хвосте" резонансной кривой составляют заметную величину и в основном определяют потери в ферритовом устройстве.
Вентили со смещением поля используют то, что распределения переменного электрического поля в волноводе с намагниченной ферритовой пластиной различаются для разных направлений распространения. И может быть найдено положение пластины, для которого электрическое поле на ее поверхности равно нулю для одного из направлений распространения. На эту поверхность помещается поглотитель, например тонкая пленка металла.
Фарадеевский вентиль состоит из отрезка круглого волновода с ферритовым стержнем, расположенным по оси, и внешнего соленоида, создающего продольное поле подмагничиваиия. С обеих сторон круглый волновод оканчивается плавными переходами к прямоугольным волноводам. Внутри переходов параллельно широким стенкам входного и выходного прямоугольных волноводов установлены поглощающие пластины. Выходной прямоугольный волновод повернут по отношению к входному на угол 45°. Волна, поданная на вход 1, не испытывая ослабления в поглощающей пластине, преобразуется в волну H11 круглого волновода с вертикальной поляризацией. Диаметр и длина ферритового стержня и напряженность подмагничивающего поля выбраны так, что плоскость поляризации волны при распространении по отрезку круглого волновода с ферритом поворачивается по часовой стрелке на угол 45°, и волна без потерь проходит через переход с поглощающей пластиной в выходной прямоугольный волновод, узкие стенки которого оказываются параллельными вектору E. Для уменьшения отражений концы ферритового стержня и поглощающих пластин имеют скосы. Волна, поступающая на вход 2, без ослабления преобразуется в волну H11 круглого волновода. При распространении на участке с ферритовым стержнем плоскость поляризации волны поворачивается по часовой стрелке на 45° (направление поворота плоскости поляризации при эффекте Фарадея не зависит от направления распространения волны и определяется только направлением поля подмагничиваиия). На выходе участка с ферритом вектор E оказывается параллельным широким стенкам прямоугольного волновода входа 1 и поглощающей пластине. На вход 1 волна не проходит, и вся переносимая ею мощность рассеивается в поглощающей пластине. Такой вентиль может рассматриваться как частный случай фарадеевского циркулятора. [2, с 65-67]