Ферритовые микроволновые устройства для систем с высоким уровнем мощности

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 A_пр = P₁₊ / P_{2 -} = P₂₊ / P_{3 -} = P₃₊ / P_{1 -} и обратные потери (развязка) A_обр = P₁₊ / P_{3 -} = P₂₊ / P_{1 -} = P₃₊ / P_2-. 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: A_пр ≤ 0,5 дБ; A_обр ≥ 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]

Фазовращатель это устройство, предназначенное для изменения фазы электромагнитных колебаний на выходе относительно фазы колебаний на его входе. Фазовращатели подразделяются на регулируемые и нерегулируемые.

Фазосдвигатель на основе вращающегося магнитного поля, содержащий кольцеобразный феррит в цилиндрическом волноводе, согласователи, а также расположенную на внешней поверхности волновода катушку возбуждения, причем кольцеообразный феррит рассечен по длине на участки определенных размеров и между секциями оставлены либо воздушные прослойки, либо установлены металлические или диэлектрические пластинки определенной формы.

Недостатком такого технического решения является то, что, решая определенные задачи распространения волн микроволнового диапазона в волноводе, в частности подавления высших типов волн, а также согласование ферритовой секции, оно никак не касается улучшения технологичности изготовления фазовращателя, при котором возникают значительные трудности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является ферритовый фазовращатель с поперечным магнитным полем, содержащий ферритовый вкладыш, установленный в полости металлического волновода, толщина стенки которого много меньше его радиуса, и магнитную систему, аналогичную статору асинхронного двигателя.

В этом техническом решении изготовление статора производят отдельно из набора пластин, вырубаемых из листа электротехнического железа или пермаллоя, и обмоток, вкладываемых в этот набор, причем при сборке фазовращателя он должен устанавливаться на волновод с ферритом.

Для включения в тракт фазовращатель на обоих концах должен иметь фланцы, а также, как правило, и увеличение диаметра волновода для расположения, например, согласователей, что требует использования в волноводе съемного фланца (хотя бы одного) или использование ступеньки, которые припаиваются к волноводу после сборки статора с волноводом. Посредством пайки фланца к волноводу добиться необходимого качества шва невозможно без значительного увеличения длины волновода и толщины его стенки, а это резко ухудшает параметры ферритового фазовращателя и, кроме того, при сильном разогреве невозможно сохранить диаметр канала волновода с требуемой точностью. Эту проблему решают изготавливая волновод с двумя фланцами и ступеньками на концах целиком из одной заготовки, в результате чего на нем отсутствуют швы и соединения и можно достаточно точно выдержать все размеры. Таким образом, при низких затратах удается обеспечить минимальную длину волновода и минимальную толщину его стенки, высокую точность выполнения внутреннего и внешнего диаметров, что гарантирует получение наилучших электрических параметров.

При подаче тока в обмотку магнитной системы в волноводе с ферритом образуется поперечное магнитное поле и при определенной его ориентации относительно вектора электромагнитной волны происходит изменение ее фазы, которое увеличивается при увеличении индукции управляющего поля. Наиболее эффективное изменение фазы происходит при создании четырехполюсного магнитного поля [3, с.76-81], причем центральные линии этого поля и линии (или хотя бы их концы), на которых располагаются точки вращения вектора магнитного поля волны, должны совпадать. Для уменьшения потребления энергии управления элементы магнитопровода должны выполняться из материалов с наибольшей магнитной проницаемостью. Кроме того магнитопровод статора изготавливается из простых деталей без применения сложных и дорогих вырубных штампов. В таком статоре резко упрощается укладка катушек, так как это делается снаружи в открытые пазы.

Фазовращатели используют в различных устройствах сверхвысоких частот техники, например в системах с большим числом потребителей - для обеспечения требуемого распределения начальных фаз поступающих к ним сигналов, в фидерах радиосистем - для выравнивания электрических длин фидеров, в фазированных антенных решётках и др. когерентных радиосистемах.

Чаще применяется фазовращатель на основе линии волновода. Ферритовый фазовращатель в прямоугольном волноводе с продольным намагничиванием. По оси волновода расположен ферритовый стержень, круглого или прямоугольного сечения. Управляющее магнитное поле направлено продольно и создается соленоидом, намотанным снаружи непосредственно на волноводе. Изменением управляющего магнитного поля можно менять магнитную проницаемость феррита и соответственно скорость распространения и длину волны высокочастотных колебаний внутри волновода, а следовательно, и фазу поля за ферритовым стержнем. Достоинством такого фазовращателя является его простота и возможность регулировки фазы в широких пределах (0.360⁰) при небольшом ослаблении мощности колебаний (0,5.1,0 дБ).

Ферритовый фазовращатель в прямоугольном волноводе с поперечным полем подмагничивания. Ферритовая пластина прямоугольного поперечного сечения размещается параллельно узкой стенке между ней и серединой волновода (приблизительно на расстоянии а/4 от узкой стенки, где а - размер широкой стороны волновода). Полюса магнита N и S устанавливаются по обе стороны пластины. В таком фазовращателе для увеличения фазового сдвига и уменьшения общей длины обычно используются две ферритовые пластины, располагаемые по обе стороны от средней плоскости волновода и соответственно намагничиваемые.

Возможен коаксиальный вариант фазовращателя, в котором феррит заполняет часть пространства между центральным проводом и экранирующим цилиндром, а поперечное магнитное поле создается магнитом, устанавливаемым снаружи отрезка коаксиальной линии.

Частным случаем фазовращателя является гиратор.

Гиратор - направленный фазовращатель, в котором изменения фаз электромагнитных волн, распространяющихся в противоположных направлениях, отличаются на 180°. Принцип действия гиратора основан на необратимых свойствах намагниченного феррита, вызывающих поворот плоскости поляризации, фазовый сдвиг и т.д.

Простейший гиратор представляет собой отрезок круглого волновода, в который помещён намагниченный ферритовый стержень определённых размеров.

Выводы

Создание микроволновых устройств с быстроуправляемыми параметрами и систем с характеристиками, которые отличаются в различных направлениях распространения микроволнового электромагнитного поля (невзаимных систем), невозможно без ферримагнитных диэлектриков - ферритов. С момента появления ферритов в конце 40-х годов не прекращается совершенствование их параметров и синтез новых материалов, отвечающих требованиям микроволновых систем, в которых они используются. Одним из важнейших преимуществ фертов является возможность построения с их помощью микроволновых устройств рассчитанных на высокие уровни мощности.

При создании и расчете мощных микроволновых устройств необходимо учитывать связанные с процессами возбуждения волн магнитные потери энергии в феррите на высоких уровнях мощностей. Для определения этих потерь используют важный параметр величину ширины спиновых волн в феррите. Чем эта величина больше, тем феррит устойчивее к воздействию высоких мощностей.

Список использованной литературы

1. А.Д. Григорьев Электродинамика и микроволновая техника, 2-е издание. - СПб.: Лань, 2007.708 стр.

2. Сазонов Д.М., Гридин А.М., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ - М: Высш. школа, 1981 298 стр.

3. А. Фокс, С. Миллер, М. Вейчс. Свойства ферритов и их применение в диапазоне СВЧ. Москва, 1956