Результаты экспериментального исследования развязывающих, пассивных и активных приборов, работающих на поверхностной ферритовой волне

Выбор параметров развязывающих приборов. Типы конструкции на огнеупорном закрепляющем покрытии. Волноводные циркуляторы. Микрополосковые приборы с касательным подмагничиванием. Электрически управляемые аттенюаторы сверхвысокочастотного излучения.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Результаты экспериментального исследования развязывающих, пассивных и активных приборов, работающих на поверхностной ферритовой волне

1. Развязывающие ферритовые СВЧ приборы на ПФВ

1.1 Физические основы создания развязывающих приборов на ПФВ

ферритовый циркулятор аттенюатор сверхвысокочастотный

В основе работы развязывающих приборов на ПФВ лежит эффект невзаимного смещения электромагнитного поля в СВЧ линиях с поперечно-намагниченным ферритом. Известно [1], что в полосковых линиях с поперечно - намагниченным ферритом основной является поверхностная ферритовая волна, характеризующаяся экспоненциальным распределением поля в поперечном сечении линии.

На рис. 1 схематически изображена структура поля прямой (1) и обратной (2) волн. В полосковой линии, частично заполненной поперечно - намагниченным ферритом (3), поверхностная волна распространяется по краю феррита (рис. 1, а), а в симметричной полосковой длинии, полностью заполненной поперечно - намагниченным ферритом, - по краю центрального проводника (рис. 1, б). Поэтому иногда в литературе ПФВ называют краевой.

E_z - составляющая поля рассматриваемой волны в феррите имеет вид [2]

Е_z = A exp {± 2 ? (1)

где и - недиагональная и диагональная составляющие тензора магнитной проницаемости феррита; - диэлектрическая проницаемость феррита;

= ? (2)

- постоянная распространения ПФВ. В (1) знаки «±» относятся к прямой и обратной волнам соответственно. Из приведённого соотношения видно, что невзаимное смещение напряженности поля пропорционально параметрам феррита k, , и в случае рис. 1, а толщине ферритового слоя, а в случае рис. 1, б ширине центрального проводника.

При нарушении условия распространения ПФВ в одном из направлений можно получить однонаправленные для ПФВ линии передачи.

На рис. 2, а и б показаны полосковая и симметричная полосковая линии, в которых вдоль одного из краёв ферритового вкладыша 1 и центрального проводника 2 установлена электрическая стенка 3. Очевидно, что в рассматриваемых несимметричных линиях ПФВ может распространяться только в одном направлении.

На рис. 3 показана качественная зависимость нормированной постоянной распространения ПФВ (?у/k0, где k0 = ?v(?_0 µ_0 )) от нормированного значения напряженности подмагничивающего поля (?0/?) для взаимных (см. рис. 1) и невзаимных (см. рис. 2) линий передачи без учета потерь.

Из рис. 3 можно сделать важные для создания развязывающих приборов на ПФВ выводы:

1. приборы могут работать только при напряжённости подмагничивающего поля, меньшей резонансного значения, т.е. ?₀/? ? 1;

2. приборы на взаимных линиях могут работать во всей области дорезонансных подмагничивающих полей, т.е. 0 ? ?₀/? ? 1;

3. приборы на невзаимных линиях могут работать только или в области µ_? > 0, или в области µ_? ? 0, где µ_?=(µ² - k²)/ µ - эффективная магнитная проницаемость феррита. В области µ_? > 0 могут распространяться как высшие типы ПФВ, так и волноводные типы волн, поэтому область µ_? ? 0 более предпочтительна: в ней существует только ПФВ - волна низшего типа. (Для простоты постоянные распространения высших и волноводных типов волн на рис. 3 не показаны).

1.2 Выбор параметров настройки развязывающих приборов на ПФВ

К таким параметрам можно отнести:

а). напряженность постоянного подмагничивающего поля Н_i;

б). ширину ферритового слоя (t_ф) или ширину центрального проводника (W) соответственно для волноводных и полосковых линий.

Намагниченность насыщения феррита (4?M_s), с одной стороны, ограничена потерями в слабых подмагничивающих полях, с другой, - малым диапазоном частот, в котором µ_? ? 0. Для расширения области µ_? ? 0 величина 4?M_s берётся несколько большей, чем для широкораспространённых Y - циркуляторов, работающих в дорезонансном режиме в том же диапазоне частот. Оптимальная нормированная намагниченность насыщения феррита для приборов, работающих на ПФВ, определяется как

А = ?4?M_s/? ? 0,8. (3)

Поскольку ПФВ в линиях передачи типа показанных на рис. 1 может существовать во всей области дорезонансных полей, интервал напряжённости подмагничивающих полей для развязывающих приборов, выполненных на этих линиях, можно записать в виде

Н_а ? Н_i ? - ?Н, (4)

где - - напряженность подмагничивающего поля, при которой µ = 0 и в соответствии с выражением (2) ПФВ испытывает отсечку (низкочастотная граница отсечки ПФВ).

Для приборов, создаваемых на линиях передачи типа показанных на рис. 2, интервал подмагничивающих полей ограничен областью µ_? ? 0, т.е.

Н₀ - 4?M_s ? Н_i ? - - ?Н, (5)

где (Н₀ - 4?M_s) - напряжённость подмагничивающего поля, при которой µ_? = 0 и в соответствии с рис. 3, б ПФВ испытывает отсечку (высокочастотная граница отсечки ПФВ).

Ширина ферритового слоя t_ф и ширина центрального проводника W ограничены, с одной стороны, распространением высших типов волн в области µ_? > 0, с другой, - сильной частотной дисперсией постоянной распространения ПФВ как в области µ_? > 0, так и в области µ_? ? 0 [1] и уменьшением эффекта смещения поля (1).

Таким образом, эти параметры определяются из соотношений

0,1 ?₀ ? t_ф ? 0,2 ?₀; 0,1 ?₀ ? W ? 0,2 ?_0. (6)

На рис. 4 показана экспериментальная частотная зависимость ширины центрального проводника симметричной полосковой линии (см. рис 2, б) при достижении однонаправленности более 35 дб. При этом 4?M_s и Н_i выбирались в соответствии с выражениями (3) и (5).

1.3 Типы конструкции приборов на ПФВ

На однонаправленной линии с ПФВ могут быть реализованы различные типы конструкций развязывающих СВЧ приборов: вентили с вентильным отношением не менее 200, многоплечные циркуляторы, работающие в режиме «бегущей волны», многоплечные вентили - циркуляторы с электрической стенкой, многоплечные вентили - циркуляторы с поглощающим элементом, невзаимные делители свч мощности, невзаимные волноводно - коаксиальные и волноводно - микрополосковые СВЧ переходы.

Режим «бегущей волны» относится ко всем развязывающим приборам, работающим на ПФВ. Выделение развязывающих приборов с поглощающим элементом и с электрической стенкой в отдельные типы является чисто условным и связано только с конструктивным исполнением этих устройств и их выходными электрическими параметрами.

Как будет показано далее, однонаправленные линии с ПФВ могут успешно использоваться (вместо У-циркуляторов) и при создании активных приборов: невзаимных аттенюаторов и модуляторов, с неизменяющимся входным импедансом, усилителей мощности и малошумящих усилителей отражательного типа.

1.4 Волноводный СВЧ вентиль, с вентильным отношением более 200

На рис. 5 изображена конструктивная схема вентиля 2-х см. диапазона длин волн [2]. Прибор состоит из корпуса 1 и притёртой к нему крышки 2.

В корпусе вдоль продольной оси выполнена металлическая перегородка 3, расчленяющая волновод на два параллельных слоя, что позволяет трансформировать обратную ПФВ в предельную волну высшего (второго) типа, имеющую по сравнению с обратной волной низшего типа вдвое больше погонное обратное затухание. По узким стенкам корпуса приклеены прямоугольные ферритовые вкладыши 4. Марка феррита 1СЧ-4, марка клея ВТ-25-200. Допуски на высоту корпуса, толщину ферритовых вкладышей и клеевого шва задают из условия обеспечения между ферритовыми вкладышами и крышкой гарантированного зазора 0,03 - 0,07 мм.

Введение диэлектрического зазора позволяет значительно снизить уровень вносимого прямого затухания. Впервые такой метод снижения вносимого затухания был показан в работе [3].Физическое обоснование данного метода заключается в следующем. Из-за неэллипсоидальной формы ферритовых образцов внутреннее магнитное поле в образцах неоднородно.

На рис. 6, а) показана Н_z - компонента внутреннего подмагничивающего поля вдоль и поперёк ферритового образца. Известно [4], что внутренние магнитные неоднородности приводят к возбуждению паразитных магнитостатических волн (МСВ). Частотный диапазон существования этих МСВ (в нашем случае паразитных) частично перекрывает частотный диапазоном существования ПФВ, что и приводит к увеличению вносимого затухания вентиля. При введении между ферритом и экранирующей плоскостью зазора, происходит сужение частотного диапазона существования объёмных МСВ за счет исчез...