Невзаимные фазовращатели на основе поперечно подмагниченного феррита

Ферритовые фазовращатели с поперечным полем подмагничивания наиболее распространены. Фазовращатели с поперечным полем подмагничивания невзаимные, так как направление вращения вектора Н в области ферритовых вставок оказывается различным для волн, распространяющихся в противоположных направлениях.

На рис. 14.5б показана ферритовая пластина в области круговой поляризации магнитного поля в прямоугольном волноводе. При напряжённости поля подмагничивания, отличной от резонансного значения (район точки а на рис.14.1; ), поглощение в феррите незначительно, однако ферритовая вставка создаёт различное замедление для волн, распространяющихся в противоположных направлениях. Обозначим соответствующие коэффициенты фазы β₊ и β_-. Если длина ферритовой вставки равна l, то фазы коэффициентов передачи для волн, движущихся во встречных направлениях и проходящих отрезок с подмагниченным ферритом, отличаются на величину невзаимного фазового сдвига Δφ=( β_--β₊ )l. В частности, длина ферритовой вставки может быть выбрана такой, что Δφ =180°, и тогда секция прямоугольного волновода с ферритом обладает свойствами гиратора (см. табл. 14.1).

 

Фазовые циркуляторы.

 

Невзаимные фазосдвигатели в сочетании с волноводными мостами позволяют строить так называемые фазовые циркуляторы по схеме рис.14.8. Два моста СВЧ с равным делением мощности соединяются каскадно, причем в одном или двух соединительных каналах размещаются невзаимные фазосдвигатели. Невзаимные фазовые сдвиги должны быть подобраны в зависимости от типа применяемых мостов (квадратурные или синфазно-противофазные) и направления циркуляции.

 

Рис. 14.8 Фазовый циркулятор

Рис. 14.9 Циркулятор на основе щелевого моста и двойного Т-моста

 

В циркуляторе, показанном на рис.14.9, применены щелевой мост 1 и двойной Т-мост 2, а в соединительных каналах включены невзаимные фазосдвигатели, образованные одинаковыми ферритовыми пластинами 3, расположенными вблизи общей узкой стенки волноводных каналов и поперечно намагниченные от общего постоянного магнита.

Фазовые сдвиги в отрезках волноводов с ферритовыми пластинами для волн, распространяющихся в противоположных направлениях, различаются на π/2. При распространении волн в одном направлении, например слева направо, в канале А фазовый сдвиг составляет (-φ₀+π/2), а в канале В -φ₀. При распространении волн в противоположном направлении в канале А фазовый сдвиг равен -φ₀ и в канале В -(φ₀+π/2). Отсутствие передачи сигналов между входами I и III, а также между входами II и IV обусловлено свойствами развязки мостов. Поданный на вход I сигнал с одинаковыми фазами делится между каналами А и В, и волны, проходящие по этим каналам на вход II, имеют одинаковое запаздывание - (φ₀+π/2) и суммируются на этом входе. На вход IV от входа I волны по каналам А и В приходят с фазами - (φ₀+π) и -φ₀, т. е. оказываются в противофазе и компенсируются.

Сигнал, поданный на вход II, делится между каналами А и В с фазами 0 и — π/2 и получает в этих каналах дополнительное запаздывание —φ₀ и — (φ₀+π/2) соответственно, так что ко входам двойного Т-моста сигналы приходят в противофазе и суммируются в его Е-ответвлении, т. е. на входе III циркулятора. Аналогично осуществляется передача сигнала со входа III на вход IV и со входа IV на вход I.

 

Рис.14.10 Циркулятор на основе двух щелевых мостов

 

Циркулятор, показанный на рис. 14.10 содержит два одинаковых щелевых моста, гиратор, образованный поперечно намагниченной ферритовой пластиной в соединительном канале А и взаимный фазосдвигатель в виде диэлектрической пластины в соединительном канале В. При передаче сигналов слева направо канал А создает фазовое запаздывание -(φ₀+π) и при обратной передаче -φ₀. Диэлектрическая пластина подобрана таким образом, чтобы запаздывание в канале для обоих направлений передачи составляло - φ₀ . Если фазы коэффицентов передачи щелевого моста на противолежащий вход и по диагонали равны соответственно нулю и —π/2, то при передаче сигналов от входа I ко входу II фаза сигнала, прошедшего по каналу А, будет -(φ₀+π) и фаза сигнала, прошедшего по каналу В, будет (-π/2-φ₀-π/2). Таким образом, эти фазы оказываются одинаковыми и прошедшие сигналы суммируются на входе II. Фазы сигналов, проходящих от входа I ко входу IV, различаются на π: по каналу А фазовый сдвиг будет -(φ₀+π)-π/2, по каналу В фазовый сдвиг составит -π/2-φ₀ . Поэтому прошедшие сигналы на входе IV взаимно компенсируются.

Передача от входа II происходит на вход III, так как при этом фазы сигналов, прошедших по каналам А и В, оказываются одинаковыми. Сигналы, проходящие от входа II на вход I по каналам А и В, оказываются противофазными и взаимно компенсируются. Рассуждая аналогичным образом, обнаружим, что со входа III сигнал передается только на вход IV и со входа IV — только на вход I.

Преимуществом фазовых циркуляторов перед циркуляторами на эффекте Фарадея является лучшая широкополосность и способность работать при более высоких мощностях. Последнее объясняется тем, что ферритовые пластины наклеивают на широкие стенки волноводов и этим обеспечивают хороший теплоотвод. Основной недостаток фазовых циркуляторов - увеличенные габариты и масса из-за наличия двух мостов.

 

Волноводный Y-циркулятор.

 

Y-циркулятор выполняют на основе Н-плоскостного тройника из прямоугольных, волноводов в центре которого помещают поперечно-намагниченный ферритовыи цилиндр 1 с диэлектрической втулкой 2 (рис. 14.11). Поле подмагничивания создается внешними дисковыми постоянными магнитами.

Принцип действия Y-циркулятора состоит в следующем. Поступающая на вход I волна разветвляется на две волны, огибающие феррит с двух сторон. Области существования вращающегося вектора Н для этих волн попадают в ферритовый образец, причем направления вращения вектора Н относительно направления поля подмагничивания оказываются противоположными. Из-за различия магнитных проницаемостей феррита μ₊ и μ_- волны, огибающие ферритовыи образец, имеют различные фазовые скорости. Размеры и параметры ферритовой вставки выбирают таким образом, чтобы эти волны приходили на вход II в фазе, а на вход III—в противофазе.

При этом волна, огибающая феррит по часовой стрелке при проходе со входа 1 на вход 2 приобретает фазовый набег (путь от 1-го входа до 3-го и от 3-го до 2-го), а волна огибающая феррит против часовой стрелки - (путь от 1-го входа до 2-го)

Рис. 14.11 Волноводный Y-циркулятор

 

Условие синфазности требует, чтобы  Условие противофазности на входе 3 требует, чтобы . Отсюда  

Таким образом, передача колебаний со входа I происходит только на вход II. Так как Y-циркулятор обладает поворотной симметрией, можно утверждать, что будет иметь место передача со входа II на вход III и со входа III на вход I.

Диэлектрическая втулка, окружающая ферритовый образец, способствует повышению устойчивости характеристик Y-циркулятора к значению напряженности подмагничивающего поля, а также способствует повышению температурной стабильности. Диэлектрические стержни 3 обеспечивают широкополосное согласование входов.