СПОСОБ НАСТРОЙКИ ФЕРРИТОВЫХ ВОЛНОВОДНЫХ ЦИРКУЛЯТОРОВ Российский патент 1998 года по МПК H01P1/39 

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для настройки ферритовых волноводных циркуляторов при их серийном изготовлении.

Известен способ настройки ферритовых волноводных циркуляторов [1] заключающийся в следующем. При серийном производстве предварительно определяют частоты собственных резонансов ненамагниченного ферритового элемента и подбирают ферритовый элемент, чтобы разность между частотой настройки и ближайшей частотой собственного резонанса лежала в пределах 1.20% В дальнейшем подмагничивают ферритовый элемент, подают измерительный сигнал в плечи и подбирают местоположение ферритового элемента до обеспечения требуемых электромагнитных характеристик. Известный способ [1] наиболее близок к предлагаемому изобретению по принципу настройки, поэтому он выбран в качестве прототипа.

При предварительном отборе по собственной частоте ненамагниченного ферритового резонатора в [1] предлагается для попадания в наиболее широкую частотную область выполнения условий циркуляции выбрать разность частот настройки и собственного резонанса ненамагниченного ферритового элемента, близкую к 20% Недостатком известного способа является большая вероятность ошибки при предварительном отборе и неоптимальность выбора ферритовых элементов, что связано с учетом спектра собственных колебаний ненамагниченного резонатора.

Целью изобретения является оптимизация электродинамических характеристик циркулятора и сокращение времени настройки при серийном производстве.

Цель достигается тем, что при серийном производстве предварительно рассчитывают и экспериментально сравнивают спектры собственных колебаний намагниченного ферритового резонатора при двух противоположных направлениях подмагничивания, при этом геометрию ферритового резонатора, его физические параметры и величину подмагничивающего поля выбирают из следующих условий.

1. ) Условия совпадения частоты f_n колебания намагниченного ферритового резонатора единичной азимутальной вариации с центральной частотой f_ц рабочей полосы Δ f при направлении подмагничивания, обеспечивающем заданное направление циркуляции: f_n=f_ц;
2. В интервале частот от f_n до f_-n, где f_-n - частота колебания намагниченного ферритового резонатора единичной азимутальной вариации с противоположным по отношению к частоте f_n вращением, не попадают другие собственные колебания подмагниченного ферритового резонатора.

3. Для заданной рабочей полосы частот D f должно быть справедливо условие Df < 2Δf_max, где f_б ближайшая частота собственного колебания намагниченного ферритового резонатора к частоте f_n.

При таком способе настройки циркулятора геометрия ферритового резонатора, его физические параметры и величину подмагничивающего поля выбирают по спектру собственных колебаний намагниченного ферритового резонатора. Благодаря этому обеспечиваются оптимальные электродинамические характеристики циркулятора. Предлагаемый способ настройки определяет другой, более близкий к практике, по сравнению с [1] критерий оптимизации, так как он учитывает свойства намагниченного ферритового резонатора.

Как показали патентные исследования, признаки заявляемого способа, отличающие его от прототипа, отсутствуют и в других принципах настройки данного типа устройств, что позволяет считать эти признаки новыми, а заявляемый способ соответствующим критерию "новизна". Вместе с тем, лишь наличие отличительных признаков во всей их совокупности обеспечивает достижение цели изобретения, что позволяет считать заявляемый способ настройки соответствующим критерию "существенные отличия".

Существенными отличиями предлагаемого способа настройки ферритовых волноводных циркуляторов являются:
предварительный расчет и экспериментальное сравнение спектров собственных колебаний намагниченного ферритового резонатора при двух противоположных направлениях подмагничивания;
выбор геометрии ферритового резонатора и его физические параметры осуществляются из условий:

где
f_n собственная частота колебания единичной азимутальной вариации намагниченного резонатора, обеспечивающая заданное направление циркуляции.

В [1] центральная частота f_ц рабочей полосы частот Δ f определялась из условия 20% отстройки от одной из собственных частот ненамагниченного ферритового резонатора. В работе [2]

где
f_n, f_-n собственные колебания намагниченного ферритового резонатора с противоположными направлениями азимутальной вариации. Так как значения f_n и f_-n могут значительно различаться (в КВЧ диапазоне разность может достигать десятки ГГц), то соотношение (2) не может оптимизировать параметры циркулятора.

На фиг. 1 показана конструкция Y-циркулятора в его продольном (а) и поперечном (б) сечении; на фиг. 2,4-8 дисперсионные характеристики TM-колебаний: ферритового и диэлектрического цилиндров (фиг.2); ферритовых цилиндров с различными значениями диэлектрической проницаемости ε_ф (фиг.4); ферритовых резонаторов для различных марок ферритов: 1СЧ4 и 1СЧ3 (фиг. 6); ферритового резонатора при различных подмагничивающих полях: H₀= 1200 Э и H₀=500 Э (фиг. 5). Фиг. 2,4-6 справедливы для случая, когда вариации полей по оси z (ось феррита) не учитываются. На фиг. 7,8 представлены дисперсионные характеристики TM- и ТЕ- колебаний ферритового и диэлектрического резонатора с учетом вариаций полей по высоте цилиндров: L= 1,49 мм (фиг. 7); L= 1,1 мм (фиг. 8), где L-высота цилиндрического резонатора. Частотные зависимости КСВН и коэффициента прохождение T (из работы [3]) волноводного Y-циркулятора в 2-см диапазоне длин волн представлены на фиг. 3. Фиг. 9 поясняет способ настройки Y-циркулятора. Экспериментальные частотные характеристики ослабления T и КСВН представлены на фиг. 10, 11.

Пусть для конкретности Y-циркулятор представляет собой симметричное H-плоскостное сочленение фиг. 1 трех прямоугольных волноводов 1, в центре которого помещен ферритовый цилиндр 2. Внешнее магнитное поле ориентировано параллельно оси цилиндра. Высота ферритового цилиндра может быть меньше высоты волновода.

Работает ферритовый волноводный циркулятор следующим образом. Под влиянием подмагниченного ферритового цилиндра 2 (фиг. 1) в Y-сочетании существуют области невзаимности. В области невзаимности может быть возбуждено только одно TM-колебание на рабочей частоте, или с вариацией поля по координате ϕ n= 1, или n=-1. При этом при подаче сигнала в плечо I будет осуществляться передача энергии вблизи частоты f₁ в плечо II, а вблизи частоты f_-1 в плечо III. Направление циркуляции определяется выбором собственной частоты намагниченного ферритового резонатора (f_n или f_-n). При смене направления подмагничивания меняется и направление циркуляции т.е. f_n→ f_-n. Уравнения для определения собственных частот TM-колебаний намагниченного ферритового резонатора имеют вид [2]

где

J_n(х) функция Бесселя первого рода. Собственные частоты колебаний ТМ-полей, кроме колебаний при n=0 (n -число вариаций по v, расщепляются.

На фиг. 2 для сравнения штриховыми линиями изображены характеристики для диэлектрического резонатора с e_д 11,1 и μ_д 1, а сплошными линиями - характеристики для ферритового резонатора марки 1СЧ4 с такой же диэлектрической проницаемостью и намагниченностью насыщения M₀=382 кА/м и подмагничивающим полем Н₀ 500 Э Собственные колебания структуры классифицированы (фиг. 2) тремя целыми числами (i, n, m), где i (i=1,2,3,) характеризует вариацию поля вдоль координаты ρ; n (n=0, ±1, ±2,) определяет число вариаций по v m число вариаций поля вдоль оси z. Графики на фиг. 2 и формула (3) соответствуют колебаниям без учета вариаций поля по z. Расщепление собственных частот колебаний ТМ-полей, кроме колебаний типа (i, 0, m), обусловлено тем, что колебаниям n=1 и n=-1 соответствуют разные дисперсионные уравнения (1). Знак перед параметром n зависит от направления подмагничивающего поля и обуславливает направление циркуляции собственных колебаний. Анализ зависимостей на фиг. 2 показывает, что собственные частоты колебаний ТМ (1, +n, m) лежат по частоте значительно ниже, чем частоты колебаний ТМ (1, n, m). Поэтому можно всегда указать некоторый интервал частот Δ f, в котором будет возбуждаться, например, только колебание (1,+1,1), которое вращается вполне в определенном направлении. Экспериментальное подтверждение этого получено в работе [3] При определенном значении подмагничивающего поля в некотором диапазоне частот 12-18 ГГц существуют области невзаимности. На кривых фиг. 3 они отмечены стрелками. Различие между этими областями заключается в противоположном направлении циркуляции мощности СВЧ-поля. Вид частотных зависимостей развязок носит резонансный характер. Созданное таким образом устройство можно использовать как развязывающий диплексер. Аналогичные результаты в миллиметровом диапазоне были получены авторами этой заявки.

Способ настройки ферритовых волноводных циркуляторов состоит в следующем. Предварительный расчет собственных колебаний позволяет определиться с геометрией ферритового резонатора, его физическими параметрами (e_ф диэлектрической проницаемостью, M₀ намагниченностью насыщения) и величиной подмагничивающего поля. Сравнение спектров собственных колебаний намагниченного ферритового резонатора при двух противоположных направлениях подмагничивания позволяет оптимизировать электродинамические характеристики устройства.

Приведем обоснование способа настройки циркуляторов. Дисперсионные уравнения позволяют определить теоретически зависимости спектра собственных колебаний намагниченного ферритового резонатора от геометрии ферритового резонатора, его физических параметров и величины подмагничивающего поля. На фиг. 2 для сравнения штриховыми линиями изображены характеристики для диэлектрического резонатора с ε_д11,1 и μ_д1, а сплошными линиями - характеристики для ферритового резонатора марки 1СЧ4 с такой же диэлектрической проницаемостью и намагниченностью насыщения M₀=382 кА/м и подмагничивающим полем H₀=500 Э ( 1). Из фиг. 4 следует, что на спектр собственных колебаний существенное влияние оказывает значение диэлектрической проницаемости. С ростом параметра ε_ф спектр собственных колебаний смещается в сторону более низких частот. Собственные частоты колебаний ТМ-полей (фиг. 2,4-8), кроме колебаний типа (i, o, m), расщепляются, т.к. колебаниям n=1 и n=-1 соответствуют разные дисперсионные уравнения (3). При этом знак перед параметром n зависит от направления подмагничивающего поля : при смене направления подмагничивающего поля на противоположное меняется знак перед n. Анализ зависимостей на фиг. 2,4-8 показывает, что собственные частоты колебаний ТМ (1,+n, m) лежат по частоте значительно ниже, чем частоты колебаний ТМ (1, -n, m). Поэтому можно всегда указать некоторый интервал частот Δ f, в котором будет возбуждаться, например, только колебание (1, -1, m). Собственные частоты намагниченного ферритового резонатора с m=0 при R=0,5 мм, e_ф 11,1 равны: f₁ 478 ГГц, f_-1 59,2 ГГц (фиг.2). Влияние подмагничивающего поля на смещение собственных частот колебаний ТМ резонатора является менее значительным (фиг. 5). В большей мере влияет на спектр собственных колебаний намагниченность насыщения феррита M₀. На фиг. 6 приведены зависимости собственных частот от радиуса для ферритов 1СЧ4 и 1СЧ3. Учет высоты цилиндрического резонатора и соответственно вариации полей по высоте цилиндра значительно сказывается на дисперсионные характеристики ТМ- и ТЕ- колебаний ферритового и диэлектрического цилиндров (фиг. 7, 8). Чтобы обеспечить максимально возможную рабочую полосу частот геометрию ферритового резонатора, его физические параметры и величину подмагничивающего поля выбирают с тем условием, что в интервале частот от f_n до f_-n не попадают другие собственные колебания и должно быть справедливо условие Δf < 2Δf_max, где f_б- ближайшая частота собственного колебания намагниченного ферритового резонатора к частоте f_n (см. фиг. 9).

Таким образом, анализ спектра намагниченного ферритового резонатора позволил дать новое объяснение механизма работы циркуляторов: направление циркуляции энергии в устройстве определяется только одним собственным колебанием (f_n или f_-n). В [2] принцип работы циркулятора объясняется на основе сложения двух колебаний на частоте, равной среднему арифметическому f_n и f_-n, что является сомнительным.

С целью экспериментального подтверждения справедливости предложенного выше способа настройки ферритовых волноводных циркуляторов исследовались дисперсионные зависимости коэффициента прохождения T в прямом и обратном направлениях распространения волны H₁₀, КСВН в входном плече фиг. 10,11. Сечение используемых волноводов: 5,2•2,6 и 3,6•1,8 мм соответственно. На фиг. 10, 11 нанесены и собственные колебания намагниченного ферритового резонатора. Приведенные частотные зависимости показывают, что при определенном значении подмагничивающего поля существуют области невзаимности, в которых может быть возбуждено только одно ТМ-колебание (1,1,1). Например, для ферритового резонатора (марка феррита 1СЧ4) с К=0,762 мм, L=1,49 мм и диэлектрической проницаемостью ε_ф11.1, намагниченностью насыщения M₀=382 кА/м при H₀=500 Э собственная частота для n=1: f₁=41,5 ГГц и f_-1= 52,5 ГГц для n= -1. Поэтому в области частот f≤52 ГГц возбуждается только одно колебание (1,1,1). Это свойство спектра собственных колебаний и положено в основу объяснения принципа работы волноводного Y-циркулятора. На фиг. 7 с рассчитанными дисперсионными характеристиками отмечен диапазон настройки рассматриваемого Y-циркулятора (фиг. 8 отмечен диапазон настройки Y-циркулятора, дисперсионные характеристики которого представлены на фиг. 11. При возбуждении плеча I устройства (см. фиг. 1) при внешнем подмагничивающем поле вдоль оси z в ферритовом резонаторе возникает колебание (1,1,1) с направлением вращения против (по) часовой стрелке, которое при соответствующем согласовании резонатора с плечом II, в последнем возбудит волну H₁₀. При этом плечо III будет развязано на рабочей частоте, т.к. поле не может вращаться против часовой стрелки и является несобственным. Согласование ферритового резонатора с плечом II на рабочей частоте происходит за счет соответствующего подбора геометрии резонатора и его физических параметров, а также подбором радиального расстояния l от резонатора до плеча II (фиг. 1). Кроме того, могут быть введены дополнительные согласующие элементы: металлические четвертьволновые трансформаторы, диэлектрические втулки, штыри и т.д.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 832634, кл. H 01 P 1/39, 1978.

2. C.E. Fay, R.L. Comstock, Operation of the Ferrite Junction Circulator// TEEE Trans. on Microwave Theory and Technique, vol.MTT-12, jan. 1965, pp-15-27;
3. Бируля В.Е. Волноводный Y-циркулятор с высотой ферритового элемента, меньшей высоты волновода //Электронная техника. Электроника СВЧ.-1985, вып. 12. с.10-15.

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для настройки ферритовых волноводных циркуляторов при их серийном изготовлении. Целью изобретения является оптимизация электродинамических характеристик циркулятора и сокращение времени настройки при серийном производстве. Указанная цель достигается тем, что при серийном производстве, предварительно рассчитывают и экспериментально сравнивают спектры собственных колебаний намагниченного ферритового резонатора при двух противоположных направлениях подмагничивания, при этом геометрию ферритового резонатора, его физические параметры и величину подмагничивающегося поля выбирают из следующих условий: условия совпадения частоты f_n колебания намагниченного ферритового резонатора единичной азимутальной вариации с центральной частотой f_ц рабочей полосы Δ f при направлении подмагничивания, обеспечивающем заданное направление циркуляции: f_n = f_ц; в интервале частот от f_n до f_- n, где f_- n - частота колебания намагниченного ферритового резонатора единичной азимутальной вариации с противоположным по отношению к частоте f_n вращением, не попадают другие собственные колебания подмагниченного ферритового резонатора; для заданной рабочей полосы частот Δ f должно быть справедливо условие Δf < 2Δf_max, где f_б - ближайшая частота собственного колебания намагниченного ферритового резонатора к частоте f_n. 11 ил.

Способ настройки ферритовых волноводных циркуляторов, в котором подмагничивают ферритовый резонатор, подают измерительный сигнал в плечи и подбирают местоположение ферритового резонатора до обеспечения требуемых электромагнитных характеристик, отличающийся тем, что предварительно определяют частоты собственных колебаний ферритового резонатора при двух противоположных направлениях подмагничивания, при этом геометрические размеры, его физические параметры и величину подмагничивающего поля выбирают из условия совпадения частоты f_n колебания намагниченного ферритового резонатора единичной азимутальной вариации с центральной частотой f_ц рабочей полосы частот Δ f при направлении подмагничивания, обеспечивающем заданное направление циркуляции в интервале частот от f_n до f_- n, где f_- n частота колебания намагниченного ферритового резонатора единичной азимутальной вариации с противоположным по отношению к частоте f_n вращением, при отсутствии других собственных колебаний намагниченного ферритового резонатора, и условия
Df < 2Δf_max,
где
f₆ ближайшая частота собственного колебания намагниченного ферритового резонатора к частоте f_n.