Описанным методом были определены потери основной волны в волны высших типов на волне 32 мм в переходном устройстве, представляющем собой пирамидальный переходник длиною 250 мм с размерами входа и выхода 23 X 10 мм и 45 X 90 мм соответственно. Полученные результаты приведены ниже:

Тип волны Нп Ни Потери, дб

0,026 0,0118

Eli 0,005

Ей 0,0025

Следует отметить, что полные потери (с учетом омических) были определены в переходном устройстве равными 0,05 дб.

Таким образом, совпадение полученных результатов дает право сделать вывод о приемлемости изложенного метода. Описанный метод позволяет определить уровень потерь основной волны на перерождение в волны высших типов практически в любом вол-новодном элементе. Точность подобного метода составляет примерно 15%.

6. Состав и характеристики волноводного тракта для радиотелескопа

В качестве примера построения волноводного тракта на основе волновода увеличенного сечения можно привести данные тракта сантиметрового диапазона волн, предназначенного для радиотелескопа. В тракте использовался волновод сечением 45 X 90 мм, что давало возможность распространяться в указанном диапазоне волн, помимо основной волны, двадцати волнам высших типов = 4).

В состав тракта входили следующие элементы: плавные пирамидальные переходники - 2 шт., фильтры с рефлекторами - 2 шт., изгибы 90° в плоскости H{Rla 1) - 2 шт., изгиб 130° в плоскости Е {Rja X 2) - 2 шт. Схема тракта представлена на рис. 6.

Тракт содержал 14 стыков и имел протяженность 30 м. В описанном волноводном тракте экспериментально были определены потери и уровень шума. Шумовая температура составила 33° К, потери 1 дб, что в 6 раз лучше по сравнению с волноводным трактом аналогичной сложности и протяженности, выполненным на основе стандартного волновода указанного диапазона 23 х 10 мм.

Выводы

Описанный волноводный тракт проектировался применительно к задачам радиоастрономии, однако выводы и рекомендации, а также разработанные волноводные элементы могут, несомненно, найти широкое применение.

Использование волноводов увеличенного сечения позволяет конструировать элементы волноводного тракта и волноводные тракты

в целом для работы при значительно больших импульсных и средних мощностях, чем это возможно в случае стандартных волноводов.

Известно, что с каждым годом находят все более широкое применение волны миллиметрового диапазона, а между тем изготовление сложных волноводных узлов для этих волн наталкивается на массу конструкторских и технологических трудностей, так как элементы волноводного тракта становятся очень малыми. В этом случае увеличение размеров сечения волновода является тем средством, которое позволяет упростить технологию изготовления узлов, а следовательно, дает возможность применять миллиметровые волны более широко.

Необходимо отметить, что работы по созданию малошумящих трактов на основе увеличенного сечения следует продолжать. Ряд задач здесь еще не нашел сюего решения.

Одной из очередных задач следует считать освоение более коротких диапазонов волн и создание таких функциональных элементов, как вращающиеся соединения, гермопереходники, раз-ветвительные системы и т. д. Это позволит создавать более сложные по составу малошумящие волноводные тракты.

ЛИТЕРАТУРА

1. К о л ь м а н Б. Современное состояние генераторов и техника миллиметровых волн. Радиотехника и электроника за рубежом, 1959, № 4 (52), стр. 52-87.

2. ГОСТ Трубы вштноводные прямоугольного сечення (проект, 2-ая редакция)

3. Волноводные линии передач с малыми потерями. Сб. статен под ред В. Б. Штейншлейгера, М., 1960. « к д-

4. Керженцева Н. П. О распространении электромагнитных волн в изогнутых волноводах круглого сечения. Радиотехника и электроника, 1958, 3, № 5.

5. К а ц е н е л е н б а у м Б. 3. Теория нерегулярных волноводов с медленно меняющимися параметрами. Изд-во АН СССР, 1961.

СОВРЕМЕННАЯ ТЕХНИКА ФЕРРИТОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ТРАКТОВ

А. К. СТОЛЯРОВ

Введение

В настоящее время исследовано и внедрено в технику СВЧ большое число различных ферритовых устройств, перекрывающих диапазон волн от 2 мм примерно до 1 л. В первую очередь это различные типы циркуляторов и вентилей. Коммутаторы и выключатели, широко применявшиеся несколько лет назад, в ряде случаев начинают заменяться более экономичными и компактными полупроводниковыми устройствами.

Ферритовые устройства принято делить на группы в соответствии с тем, какие магнитооптические явления в ферритах использованы при их создании.

В 50-х годах были изучены эффекты Фарадея, невзаимного фазового сдвига и резонансного поглощения в ферритах. Созданные на их основе приборы обладали хорошими электрическими параметрами, но имели большой вес и габариты. В то же время непрерывное усложнение радиотехнической аппаратуры выдвинуло на первый план задачу миниатюризации всех ее элементов.

Переход на транзисторы, пленочные схемы и тем более твердые схемы привел к сокращению объема схемотехнических блоков в несколько десятков раз. На повестку дня встал вопрос миниатюризации антенно-волноводных трактов. Это в значительной мере предопределило основные направления развития техники ферритовых устройств в последние годы. Достижение малых габаритов, обеспечение хороших электрических параметров и высокой надежности - таковы противоречивые требования, предъявляемые современной техникой к ферритовым устройствам.

В качестве первого шага на этом пути следует отметить разработку и внедрение вентилей со смещением поля, которые по сравнению с резонансными имеют несколько меньшие габариты и вес и, главное, более стабильны в работе. Значительно более существенного сокращения габаритов и веса удалось достигнуть в резуль-

тате создания У- и Х-образных циркуляторов. Эти устройства имеют минимально возможные при существующих линиях передачи размеры. Работы последних лет были направлены в основном на совершенствование их электрических параметров. В результате разработаны и внедрены в технику СВЧ широкополосные и температуростабильные трехплечные F-циркуляторы (в волно-водном и полосковом исполнении). По четырех плечным Х-цирку-ляторам успехи менее значительны, однако можно предполагать что в ближайшее время эти устройства найдут широкое применение.

Из работ, которые еще не дали конкретного практического применения,но, по-видимому, определятферритовую технику ближайшего будущего, в первую очередь следует отметить поиски путей-использования ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) на СВЧ. Это даст возможность создать циркуляторы без постоянных магнитов и резко повысить экономичность и быстродействие ферритовых коммутаторов.

Заслуживают также внимания работы по созданию ферритовых устройств, заполненных жидкими диэлектриками. С помощью жидкости удается существенно улучшить отвод тепла от феррита и в несколько раз поднять электрическую прочность узла. В настоящее время это единственный реальный способ, позволяющий решить проблему миниатюризации устройств высокого уровня мощности.

Настоящая статья не преследует цели подробного изложения всех упомянутых направлений. В ней будут лишь сообщены основные результаты, полученные по вентилям и циркуляторам, и обсуждены принципы построения некоторых новых ферритовых устройств, которые, по-видимому, получат распространение в ближайшем будущем.

1. Вентили, использующие эффект смещения поля

Вентили со смещением поля могут быть выполнены как на круглых, так и на прямоугольных волноводах. В настоящее время достаточно хорошо изучены и получили распространение в технике СВЧ лишь последние. В конструктивном отношении такой вентиль представляет собой отрезок прямоугольного волновода, в котором размещена толстая ферритовая пластина, покрытая с одной стороны поглощающим слоем. На волновод надевается постоянный магнит, создающий поперечное магнитное поле (рис. 1).

Первая работа по вентилям со смещением поля была выполнена Вейсбаумом и Сейделем [1]. Они рассмотрели структуру электрического поля в волноводе, частично заполненном ферритом, и показали, что при определенных условиях электрическое поле на поверхности феррита для прямой волны может равняться нулю,

а для обратной в этом же месте оно имеет максимальное значение (рис. 2).

Поместив на поверхности феррита полу проводящую пленку, мы получим вентиль, в котором обратная волна поглоихается пленкой.

В работе [1] было показано, что изображенную на рис. 2 структуру электрического поля можно получить только лишь при p.j < 0.

Рис. 1. Вентиль «со смещением поля»

/ - пленка; 2 - диэлектрическая подложка; 3 - феррит

Рис. 2. Структура электрического поля прямой и обратной волны

/ - обратная волна; 2 - прямая волна

Под (ij понимается эффективная Магнитная проницаемость поперечно намагниченного феррита. В общем случае это комплексная величина, мнимая часть которой (р,) определяет потери в феррите на СВЧ. (Подробные сведения о параметрах ферритов на СВЧ можно найти в монографии А. Л. Микаэляна [2]). В качестве примера на рис. 3 изображена зависимость мнимой и действительной частей от напряженности постоянного магнитного поля Но- Зависимость эта имеет ярко выраженный резонансный характер. Из рисунка легко видеть, что ц принимает отрицательное значение только в дорезонансной области, т. е. при Яо <С Ярез. Пунктирными линиями отмечена область полей, при которых обычно работают вентили со смещением поля. Эта область лежит вблизи ферромагнитного резонанса, поэтому потери в вентилях в первую очередь определяются шириной линий ферромагнитного резонанса (2ДЯ). Проведенный нами анализ показал, что затухание прямой волны в децибеллах ф„р) пропорционально величине 2ДЯ (в эрстедах), т. е.

Рпр = -2ДЯзг (1)

Коэффициент k зависит от толщины феррита (г) и расстояния между ферритом и узкой стенкой волновода. На рис. 4 представлена рассчитанная зависимость относительных потерь прямой волны от места расположения феррита в волноводе. Используя эти кривые и формулу (1), легко определить потери для ферритов с различной шириной резонансной линии.

Из других параметров феррита наибольшее значение для вентилей со смещением поля имеет намагниченность насыщения 4лМо. Ее величина в значительной степени определяет диапазонные свойства вентиля, так как область полей (или диапазон частот),

Рис. 3. Зависимость поперечной магнитной проницаемости феррита от напряженности постоянного магнитного поля (Яо)

0,02 0,04 cioe qoe d,i ij

Рис. 4. Затухание прямой волны в феррите =0,8; 2ДЯ(з)=

= 0,0071 •f(M24)

При которых р < о, зависит в первую очередь от намагниченности феррита [2].

На рис. 3 видно, что область магнитных полей (или частот, что эквивалентно), при которых р<0, заключена между ферромагнитным резонансом и точкой, в которой р = 0. Ширина этой области определяет диапазонные свойства вентиля. Чем она больше, тем широкополоснее вентиль. В работе [2] показано, что

р, = О при = - АлМо, (2)

"1

а резонанс имеет место при

Япез =

Y [4яМоР + 1,43-Р -4л:Мо

рез - 2

Легко видеть, что Ярез - Яо достигает максимума, если намагниченность феррита равна

4яМо = 2{8-

Таким образом, для вентилей сантиметрового диапазона требуются ферриты с высокой намагниченностью.

При выполнении условия (4) рабочая полоса частот идеализированного (2ДЯ = 0) оптимального сконструированного вентиля составляет 25%. В реальных условиях она несколько меньше, так как формулы (2) и (3) не учитывают форму кривой намагничивания феррита, а написаны в предположении, что феррит намагничивается до насыщения в как угодно малом магнитном поле.

* Здесь и во всех последующих формулах На выражено в эрстедах, 4л Мо - в гауссах, а частота / - в мегагерцах.