Сечение по Ак

Диэлентрик Феррит

Рис. 12. Полосковый Y-циркулятор

На основе описанного принципа в настоящее время созданы в сантиметровом диапазоне волн циркуляторы, работающие при мощности более 100 квт, а в случае трактов с повышенымдавлением-до 500 квт [7].

7-циркуляторы могут быть созданы не только на волноводных, но и на полосковых линиях. Такой циркулятор (рис. 12) представляет У-образное полосковое разветвление, в центре кого-рого установлены два ферритовых диска с надетыми на них диэлектрическими кольцами. Все три плеча циркулятора заканчиваются обычно коаксиальными разъемами, с помощью когорых производится его включение в тракт. Переход на коаксиальные разъемы вызван только тем, что в настоящее время полосковые

разъемы не применяются. 0 Разработка полосковых

•1" циркуляторов, как и вол-

новодных, сводится к изысканию методов широкополосного согласования всех трех каналов. Наиболее широко используется сейчас метод, изложенный в работе [8]. Суть его сводится к тому, что путем соответствующего выбора параметров (в первую очередь намагниченности) и размеров ферритовых дисков можно создать полосковое У-раз-

20 2.2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 Ггу

Рис. 13. Частотная характеристика полоскового Y-циркулятора

Таблица 4

ветвление, у которого входной импеданс слабо зависит от частоты. При этом он существенно отличается от волнового сопротивления линии, узел не согласован и по (6) не является цир-кулятором. Согласование осуществляется с помощью диэлектрического кольца, размеры и диэлектрическая проницаемость которого выбираются так, чтобы оно выполняло роль четвертьволнового трансформатора.

Такие циркуляторы перекрывают полосу частот от 20 до 75% и разработаны в настоящее время как для сантиметрового, так и для дециметрового диапазонов волн. Характеристики одного из таких циркуляторов [8] показаны на рис. 13, а в табл. 4 приведены данные по некоторым циркуляторам, рекламируемым зарубежными фирмами.

3. Четырехплечные малогабаритные циркуляторы

Описанные выше У-циркуляторы исключительно компактны, имеют хорошие электрические параметры, однако в ряде случаев использование их затрудняется по схемным соображениям. Например, на рис. 14 изображена схема работы параметрического (ППУ) или туннельного усилителя с трех- и четырех плечными циркуля-торами. Подлежащий усилению сигнал подается в плечо 1, усиленный сигнал поступает в канал 3, к которому подключен смеситель (или второй каскад усилителя). Отраженная от него часть мощности в случае трехканального циркулятора поступает снова в плечо /, а оттуда - в 2, т. е. в усилитель. В четырех плечном циркуляторе это явление исключено, так как отраженная от смесителя мощность рассеивается в согласованной нагрузке, уста-

новленной в четвертом канале. Необходимость исключить кольцевую передачу энергии через циркулятор возникает в целом ряде и других применений.

В связи с этим большой практический интерес представляет создание циркуляторов на Х-образных волноводных разветвле-* ниях (рис. 15). Они должны быть столь же компактны, как

V г

1 г 1 ; Г / цилиндр I /

Металлический, штирь

Реррит а о

Рис. 14. Схема построения ППУ на трех-и четырехплечномциркуляторе

Рис. 15. Схемы четырехплечных X-циркуляторов

и У-циркуляторы, НО имеют четыре канала. Первые экспериментальные попытки создания такого устройства были предприняты Чей-том и Керри [4]. Им, как и в случае У-циркуяятора, удалось показать, что волноводное У-разветвление с ферритом может обладать свойствами циркулятора. Однако за прошедшее время усилия исследователей не увенчались успехами. Параметры Х-цирку-ляторов еще существенно уступают параметрам У-циркуляторов и поэтому они пока не находят широкого применения. Но мы убеждены, что в ближайшее время отставание в этой части удастся преодолеть и Х-циркуляторы станут наиболее массовым ферритовым устройством сантиметрового диапазона волн.

Трудности совершенствования Х-циркулятора обусловлены тем, то для его настройки нужно управлять тремя свободными параметрами. Дополнительный параметр существенно усложняет работу устройства, а условие (6) о необходимости и достаточности согласования узла со всех плеч для превращения его в циркулятор теряет силу.

. В четырехплечном разветвлении приходится изыскивать независимые способы обеспечения развязок между каналами и согласования, а затем искать пути их совмещения.

В настоящее время наиболее хорошо исследованы циркуляторы, в которых в качестве дополнительного параметра использовались тонкий металлический стержень, введенный внутрь фер-

рита (рис. 15, б), и толстый металлический цилиндр, ввернутый в широкую стенку волновода над ферритовым диском (рис. 15, а). В обоих случаях настройка осуществляется изменением диаметра и глубины погружения металлического цилиндра.

Подробное изложение результатов исследования Х-циркуля--торов можно найти в работе [9]. Здесь мы лишь заметим, что в настоящее время разработаны четырехплечные циркуляторы

6 канале /бканалЗ

"2,8 2,9 3,0 3,i Рис. 16. Частотные характеристики четырехплечных X-циркуляторов

В диапазоне волн от 2500 до 25 ООО Мгц. Типичные электрические характеристики для обеих описанных выше конструкций приведены на рис. 16 [9!. Как видим, более широкая полоса (около 7%) получается при использовании феррита с введенным внутрь металлическим стержнем (рис. 16, б).

4. Некоторые перспективные направления развития ферритовых устройств

В соответствии с общей направленностью статьи мы рассмотрим здесь лишь те вопросы, которые связаны с задачами миниатюризации.

В первую очередь заслуживает внимания недавно предложенный [10] исключительно малогабаритный вентиль, конструкция которого схематически изображена на рис. 17, а, б, а принцип действия поясняется рис. 17, в.

Ферритовый цилиндр установлен в волноводе асимметрично. Его размеры и внешнее магнитное поле выбраны таким образом, что волна, проходящая в направлении «выход - вход», изменяет в месте расположения феррита направление распространения на 90° и поглощается нагрузкой.

Волны прямого направления (вход - выход) слабо взаимодействуют с ферритом и практически не затухают в нагрузке. Как

видим, этот вентиль по принципу действия напоминает 7-цир-кулятор, в котором один из каналов выродился в миниатюрную нагрузку. Размеры такого вентиля определяются диаметром феррита который, в сантиметровом диапазоне волн составляет 8-10 мм. Следовательно, и длина описываемого вентиля равна 8-10 мм, т. е. внешне он похож на утолщенный фланец и поэтому назван вентиль-фланец.

Поглощающая нагррзт

Дизлектрии

Втход

Ооглотител!, "н

Рис. 17. Малогабаритный волноводный вентиль и схема его работы

Созданные в настоящее время на этом принципе вентили довольно узкополосны (2-3%) и не могут работать в интервале температур. Проводимые в этом направлении исследования направлены на совершенствование их электрических параметров.

Большой практический интерес представляют работы по изысканию способов создания СВЧ ферритовых устройств на ферритах с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ). Ферриты с ППГ требуют для перемагничивания минимальной затраты энергии (около 200 мкдж на одно перемагничивание), а будучи намагниченными, сохраняют это состояние неограниченно долгое время. Использование их в СВЧ устройствах позволило бы создать циркуляторы без постоянных магнитов и очень экономичные коммутаторы.

Основная трудность на пути реализации таких устройств состоит в том, что прямоугольную петлю гистерезиса можно получить только в том случае, если ферритовый элемент имеет замкнутую тороидальную форму. Создать же устройство с ферритрвым элементом замкнутой формы достаточно сложно. Из многочисленных опробованных вариантов наиболее подготовленным к практическому использованию является один, схема которого изображена на рис. 18, а. В прямоугольном волноводе на равном расстоянии от широких стенок установлен диэлектрический цилиндр, на ко-

»1*

торый надеты ферритовые кольца. Вдоль оси диэлектрического цилиндра проложен проводник, вывода от которого пропущены через узкие стенки волновода. Пропуская по проводнику импульса тока положительной или отрицательной полярности, мы будем намагничивать ферритовые кольца по часовой или против часовой стрелки. От направления намагничивания зависит набег фазы на участке волновода с ферритом, т. е. описанное устройство представляет собой невзаимный фазовращатель. Наиболее подробные

Рис. 18. Быстродействующий фазовращатель иа ферритах с ППГ:

/ - днэлектрнческнй стержеиь; 2 - кольца нз феррита с прямоугольной петлей гистерезиса

сведения о результатах его экспериментального исследования приведены в работе [11]. В настоящее время можно считать реальной разработку таких фазовращателей в сантиметровом диапазоне волн с набегом фазы 90-180° и вносимыми потерями 0,5- 1,0 дб. Приэтом время переключения составляет [11] менее 100«сс/с при затрате энергии на одно перемагничивание-около 150лкйяс.

По имеющимся сведениям, указанные параметры фазовращатель сохраняет при импульсной мощности до 200 KSm \ \\\.

Описанный фазовращатель представляет большой интерес для антенных систем с электрическим качанием луча. В этом случае от центрального проводника делается несколько выводов, так что весь фазовращатель разбивается на ячейки (рис. 18, б). Последовательным перемагничиванием ферритов в каждой ячейке осуществляется ступенчатое регулирование фазы. Кроме того, этот фазовращатель может быть использован в существующих фазовых устройствах [2] для создания на их основе быстродействующих коммутаторов.

Миниатюризация ферритовых устройств приводит к существенным затруднениям при использовании их на высоких уровнях мощности из-за пробоя и теплового перегрева. В последнее время рядом авторов опробовалась возможность заполнения ферритовых устройств жидкими диэлектриками. Это обеспечивает, с одной