СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ВЕНТИЛЬ Российский патент 1996 года по МПК H01P1/38 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в качестве развязывающего устройства в активных приемно-передающих системах СВЧ, а также в пассивных фильтрующих и распределительных СВЧ устройствах, выполненных по гибридно-интегральной технологии и имеющих самое различное назначение, например, в радиорелейных линиях связи и системах самолетной радиосвязи.

Известен микрополосковый вентиль СВЧ, содержащий трехплечный циркулятор, согласованную нагрузку и магнитную систему (Конструирование ферритовых развязывающих приборов СВЧ./Под ред. М.В.Вамберского. М.В.Вамберского. М. Радио и связь, 1982, с. 97-102).

Недостатками данного вентиля являются малая величина вентильного отношения, узкая рабочая полоса частот и ограниченные функциональные возможности. Указанные недостатки обусловлены малым коэффициентом связи между микрополосковым трехплечным циркулятором и согласованной нагрузкой, а также требованием строгой круговой симметрии трехплечного микрополоскового циркулятора.

Известен микрополосковый вентиль СВЧ, содержащий ферритовую подложку, трехплечное сочленение микрополосковых линий и магнитную систему ("Электронная техника", сер. 7. "Ферритовая техника", вып. 4, 1971, с. 61, рис. Г.

Недостатками такого микрополоскового вентиля СВЧ являются узкая рабочая полоса частот и малое вентильное отношение. Указанные недостатки обусловлены замыканием одного края сочленения микрополосковых линий на экранную плоскость.

Наиболее близким к изобретению является микрополосковый вентиль СВЧ, содержащий поперечно намагниченную ферритовую подложку, соединение микрополосковых линий передачи и микрополосковый экран, расположенные по обеим сторонам ферритовой подложки, и преобразователь обратной электромагнитной волны в диссипативные потери (Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ, М. Сов. радио, 1976 г, с. 193-195).

К недостаткам прототипа относятся:
малый уровень вентильного отношения, узкая рабочая полоса частот, обусловленные сравнительно узкополосной связью разветвления микрополосковых линий с преобразователем обратной электромагнитной волны в диссипативные потери, из-за выполнения преобразователя в виде трансформирующего элемента, обладающего как со стороны высоких, так и со стороны низких частот значительной частотной дисперсией;
ограничение функциональные возможностей, обусловленное тем, что преобразователь обратной электромагнитной волны в диссипативные потери выполнен в виде согласованной нагрузки, не обладающей селективными свойствами.

Задачей изобретения заключается в том, что в сверхвысокочастотном вентиле, содержащем поперечно намагничивающую ферритовую подложку, соединение микрополосковых линий передачи и микрополосковый экран, расположенные по обеим сторонам ферритовой подложки, и преобразователь обратной электромагнитной волны в диссипативные потери, согласно изобретению соединение выполнено в виде Т-образного сочленения микрополосковой линии и отрезка микрополосковой линии, а преобразователь обратной электромагнитной волны в диссипативные потери выполнен в виде по крайней мере одного резонатора электромагнитно связанного с отрезком микрополосковой линии. Длина отрезка микрополосковой линии составляет не более 0,75 λ и не менее 0,25 λ где λ средняя длина волны рабочего диапазона в связанных линиях.

Отрезок микрополосковой линии выполнен в виде круга или круга со среза которого расположены симметрично относительно перпендикулярного микрополосковой линии диаметра круга, равного длине отрезка микрополосковой линии.

Отрезок микрополосковой линии может быть выполнен в виде кольца, внешний диаметр которого равен длине отрезка микрополосковой линии, а ширина равна его внутреннему диаметру.

Кольцо может быть выполнено разрезным, концы которого электромагнитно связаны по крайней мере с одним резонатором.

По крайней мере один резонатор может содержать резистивный слой.

Резонатор может иметь лентообразную и/или круглую форму.

Увеличение вентильного отношения, расширение рабочей полосы частот и расширение функциональных возможностей связано с изменением конструкции соединяемых микрополосковых линий и изменением конструкции преобразователя обратной электромагнитной волны в диссипативные потери.

Расширение функциональных возможностей заключается в том, что микрополосковый вентиль может выполнять функции невзаимного полосно-заграждающего или полосно-пропускающего фильтра СВЧ.

Увеличение вентильного отношения и расширение рабочей полосы частот достигается за счет того, что соединение выполнено в виде Т-образного сочленения микрополосковой линии и отрезка микрополосковой линии, а преобразователь обратной электромагнитной волны в диссипативные потери выполнен в виде по крайней мере одного резонатора электромагнитно связанного с отрезком микрополосковой линии. Введение между отрезком микрополосковой линии и резонатором электромагнитной связи обеспечивает по сравнению с прототипом более широкополосное преобразование обратной волны в диссипативные потери. Последнее основано на плавной деформации связанных волн.

При этом длина отрезка микрополосковой линии составляет не более 0,75 λ и не менее 0,25 λ. При длине отрезка микрополосковой линии более 90,75 λ происходит уменьшение вентильного отношения и сужение рабочей полосы частот за счет возбуждения высших типов волн в отрезке микрополосковой линии. При длине отрезка микрополосковой линии менее 0,25 λ происходит уменьшение вентильного отношения, обусловленное снижением обратного затухания за счет конечной составляющей электрической компоненты СВЧ поля на удаленном от преобразователя конце отрезка микрополосковой линии.

Выполнение отрезка микрополосковой линии в виде круга или круга со срезанными сегментами, линии среза которого расположены симметрично относительно диаметра круга, величина которого равна длине отрезка микрополосковой линии, обеспечивает дополнительное расширение рабочей полосы частот прибора за счет более плавного согласования микрополосковой линии и отрезка микрополосковой линии, а также дополнительное увеличение вентильного отношения за счет уменьшения электрической компоненты СВЧ поля обратной поверхностной ферритовой волны на входе микрополоскового вентиля.

Выполнение отрезка микрополосковой линии в виде кольца, ширина которого равна его внутреннему диаметру, приводит к дополнительному увеличению вентильного отношения за счет подавления высших типов волн, возбуждающихся в отрезке микрополосковой линии, выполненной в виде круга. Если ширина кольца не равна его внутреннему диаметру, происходит уменьшение вентильного отношения, обусловленное, с одной стороны (при уменьшенном внутреннем диаметре), снижением обратного затухания за счет электромагнитной связи между выходом и входом прибора через сравнительно малое центральное отверстие в круге, а с другой (при увеличенном внутреннем диаметре), увеличением вносимых потерь за счет возбуждения кольца поверхностной ферритовой волной, распространяющейся в прямом направлении.

Сверхвысокочастотный вентиль, в котором кольцо имеет разрез, концы которого электромагнитно связаны по крайней мере с одним резонатором, функционирует как невзаимный полосно-пропускающий фильтр с высоким уровнем затухания вне полосы пропускания. Последнее обусловлено селективной связью преобразователя с концами разрезного кольца, что расширяет функциональные возможности микрополоскового вентиля.

Введение по крайней мере в один резонатор резистивного слоя дополнительно увеличивает вентильное отношение за счет более активного поглощения обратной поверхностной ферритовой волны в низкодобротном резонаторе.

Сверхвысокочастотный вентиль, в котором резонатор имеет лентообразную и/или круглую форму, функционирует как невзаимный полосно-заграждающий фильтр с высокой частотной селекцией обратной поверхностной ферритовой волны, что дополнительно расширяет функциональные возможности предлагаемого прибора. Последнее достигается за счет селективной связи преобразователя с отрезком микрополосковой линии.

На фиг. 1 представлен сверхвысокочастотный вентиль, отрезок микрополосковой линии, в котором выполнен в виде круга, а преобразователь имеет лентообразную форму; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3, 4 сверхвысокочастотный вентиль, отрезок микрополосковой линии, в котором выполнен в виде круга со срезанными сегментами; на фиг. 5 то же, в виде кольца; на фиг. 6 сверхвысокочастотный вентиль, в котором кольцо выполнено разрезным, а преобразователь имеет круглую форму; на фиг. 7 сверхвысокочастотный вентиль с двумя резонаторами круглой формы; на фиг. 8 сверхвысокочастотный вентиль, резонатор которого содеpжит резистивный слой; на фиг. 9 свеpхвысокочастотный вентиль, лентообразный резонатор которого по всей длине имеет одинаковую электромагнитную связь с отрезком микрополосковой линии, выполненной в виде круга.

Сверхвысокочастотный вентиль содержит поперечно намагниченную полем Не ферритовую подложку 1 (фиг. 1), соединение 2 микрополосковых линий передачи и микрополосковый экран 3 (фиг. 2), расположенные по обеим сторонам ферритовой подложки 1. Вентиль имеет преобразователь 4 обратной электромагнитной волны в диссипативные потери. Соединение 2 выполнено в виде Т-образного сочленения микрополосковой линии 5 и отрезка 6 микрополосковой линии. Длина отрезка 6 микрополосковой линии (7, 8, 9, 10) составляет не более 0,75 λ и не менее 0,25 λ, где λ средняя длина волны рабочего диапазона в связанных линиях 4,6; 4,7; 4,8 (см. соответственно фиг. 1, 3, 4) 4,9; 11,10; 12,13,6; 14,6; 6 и 15 (см. соответственно фиг. 5-9).

Отрезок микрополосковой линии может быть выполнен в виде круга (см. фиг. 1), круга со срезанными сегментами 7 и 8 (см. фиг. 3, 4) или кольца 9 (см. фиг. 5). При этом линии среза ММ' и NN' расположены симметрично относительно перпендикулярного микрополосковой линии 5 диаметра круга D, величина которого равна длине отрезка 6 микрополосковой линии. Ширина W кольца 9 равна его внутреннему диаметру d (см. фиг. 5), а внешний диаметр равен длине отрезка микрополосковой линии.

Кольцо может быть выполнено разрезным 10 (см. фиг. 6), концы которого электромагнитно связаны с резонатором 11.

Резонатор имеет лентообразную 4, 14, 15 или круглую форму 11, 12, 13 (см. соответственно фиг. 1, 3, 4, 5, 8, 9 и фиг. 6, 7). Кроме того, резонатор может содержать резистивный слой 16 (см. фиг. 8).

Резонатор 15 лентообразной формы может быть расположен по всей своей длине на одинаковом расстоянии Р от края отрезка 6 микрополосковой линии (см. фиг. 9).

Сверхвысокочастотный вентиль работает следующим образом.

При возбуждении микрополосковой линии 5 со стороны входа вентиля, например как на фиг. 1 (вход прибора определяется направлением внешнего магнитного поля Не) СВЧ сигнал с малым затуханием распространяется по микрополосковой линии 5 и поступает на выход прибора. Последнее обусловлено тем, что рабочим типом волны является поверхностная ферритовая волна (ПФВ), доминирующая часть СВЧ энергии которой распространяется по краю микрополосковой линии 5, не соединенному с отрезком 6 микрополосковой линии. При возбуждении микрополосковой линии 5 со стороны выхода вентиля основная часть СВЧ энергии ПФВ распространяется по краю микрополосковой линии 5, соединенному с отрезком микрополосковой линии, имеющей форму, например, круга 6 (см. фиг. 1), круга со срезанными сегментами 7, 8 (см. фиг. 3, 4), кольца 9 (см. фиг. 5) или размерного кольца 10 (см. фиг. 6), что обуславливает концентрацию основной части энергии ПФВ на краю отрезка микрополосковой линии, имеющей вышеперечисленные формы. За счет электромагнитной связи резонатора 4 с отрезком 6 микрополосковой линии через зазор Р (см. фиг. 1) происходит активное и широкополосное преобразование ПФВ, распространяющейся в обратном направлении, в диссипативные потери, что обуславливает высокое широкополосное обратное затухание, а следовательно, и большое вентильное отношение предлагаемого вентиля в широкой полосе частот. Широкая рабочая полоса частот вентиля достигается за счет того, что преобразователь обратной волны в диссипативные потери выполнен в виде резонатора 4, электромагнитно связанного с отрезком 6 микрополосковой линии, а следовательно, имеющего малую частотную дисперсию. Отметим, что в прототипе преобразователь имеет сильную частотную дисперсию, а следовательно, и уже рабочую полосу частот.

Выполнение отрезка микрополосковой линии в виде круга со срезанными сегментами (см. на фиг. 3 и фиг. 4 соответственно п. 7 и п. 8) позволяет дополнительно расширить рабочую полосу частот вентиля за счет ликвидации паразитных связей между линиями Т-образного сочленения, ограничивающих частотный диапазон по согласованию со стороны входа и выхода вентиля.

Выполнение отрезка микрополосковой линии в виде кольца (см. на фиг. 5 п 9) позволяет дополнительно увеличить обратное затухание вентиля за счет подавления высших типов волн, возбуждаемых в отрезке микрополосковой линии, имеющей сравнительно большой диаметр.

Выполнение преобразователя в виде по крайней мере одного резонатора, имеющего круглую форму (см. фиг. 7, п. 12, 13, число резонаторов равно двум), позволяет расширить эксплуатационные возможности микрополоскового вентиля, так как в этом случае он выполняет функцию невзаимного полосно-заграждающего фильтра СВЧ. Последнее обусловлено тем, что резонаторы круглой формы осуществляют селективный отбор энергии обратно ПФТ. Частота режекции определяется диаметром резонатора и величиной связи.

Дополнительное расширение функциональных возможностей микрополоскового вентиля достигается за счет выполнения микрополоскового кольца разрезным 10 (см. фиг. 6), причем резонатор 11 электромагнитно связан с концами разрезного кольца. В этом случае вентиль выполняет функцию невзаимного полосно-пропускающего фильтра СВЧ. Последнее обусловлено тем, что концы разрезного кольца 10 связаны между собой через резонатор 11, обладающий частотно избирательными свойствами.

Включение в резонатор 14 резистивного слоя 16 (см. фиг. 8) приводит к более активному преобразованию обратной ПФВ в диссипативные потери, что обеспечивает дополнительное увеличение обратного затухания сверхвысокочастотного вентиля.

Необходимо отметить, что предлагаемый вентиль имеет более простую конструкцию за счет изготовления по однослойной тонкопленочной технологии и меньше габаритные размеры за счет уменьшения поперечных размеров преобразователя обратной ПФВ в диссипитивные потери.

Изготовленный сверхвысокочастотный вентиль в 2-х сантиметровом диапазоне длин волн (фиг. 1) имеет вентильное отношение не менее 180 в полосе частот 25%

Использование: в качестве развязывающего узла в активных приемопередающих системах СВЧ. Сущность изобретения: вентиль содержит поперечно намагниченную ферритовую подложку, одна сторона которой металлизирована, а на другой расположен микрополосковый проводник и резонатор. Микрополосковый проводник выполнен в форме круга и соединен в точке касания с отрезком регулярного полоскового проводника. Приведено соотношение для выбора диаметра круга. 5 з. п. ф-лы, 9 ил.

1. СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ВЕНТИЛЬ, содержащий поперечно намагниченную ферритовую подложку, на одной стороне которой расположен микрополосковый проводник, с которым связан по меньшей мере один резонатор, а на другой стороне расположен микрополосковый экран, отличающийся тем, что микрополосковый проводник выполнен в форме круга, с которым соединен в точке касания отрезок регулярного полоскового проводника, при этом диаметр d круга выбран из соотношения 0,25λ ≅ d≅ 0,75λ, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона. 2. Вентиль по п. 1, отличающийся тем, что круг выполнен со срезанными сегментами, причем линии среза перпендикулярны отрезку регулярного полоскового проводника. 3. Вентиль по п.1, отличающийся тем, что в круге выполнено концентричное отверстие, диаметр которого равен ширине образованного кольца. 4. Вентиль по п.3, отличающийся тем, что кольцо выполнено разрезным и концы его связаны по меньшей мере с одним резонатором. 5. Вентиль по п. 1, отличающийся тем, что каждый резонатор выполнен лентообразной и/или круглой формы. 6. Вентиль по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один резонатор снабжен резистивным слоем.