ВОЛНОВОДНЫЙ ФЕРРИТОВЫЙ ВЕНТИЛЬ Российский патент 2001 года по МПК H01P1/37 

Изобретение относится к СВЧ-технике и может найти применение в качестве развязывающего устройства в различных системах связной аппаратуры.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к волноводным ферритовым вентилям, предназначенным для систем связи, являются малые габариты. При этом вентили должны обеспечивать в заданном диапазоне частот малые потери в прямом направлении, хорошую развязку, низкий КСВ, широкую полосу пропускания, а также простоту настройки прибора. Существующие вентили не в полной мере отвечают перечисленным требованиям. Главная причина этого - недостаточно полная теоретическая разработка некоторых вопросов взаимодействия электромагнитных волн с элементами ферритовых развязывающих устройств.

Известны волноводные ферритовые вентили на основе циркулятора с У- или Т-образным сочленением прямоугольных волноводов в Н-плоскости (см., например, [1-6]).

Недостатком этих вентилей являются большие габариты.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому вентилю является волноводный ферритовый вентиль [7], выбранный в качестве прототипа.

Этот вентиль содержит металлический корпус, в котором выполнено У- или Т-образное сочленение прямоугольных волноводов в Н-плоскости, один из которых служит нагрузочным, крышку корпуса, согласующий трансформатор в виде металлического пьедестала в центре сочленения волноводов, ферритовый резонатор в виде одного либо двух ферритовых вкладышей, закрепленных в центре сочленения волноводов, поглощающую нагрузку с зауженным концом (например, клиновидной формы), установленную в нагрузочном волноводе зауженным концом в направлении к центру сочленения волноводов, и магнитную систему для намагничивания ферритового резонатора.

Недостаток прототипа - сравнительно большие габариты из-за значительной длины поглощающей нагрузки и нагрузочного волновода.

Задачей изобретения является уменьшение габаритов вентиля при одновременном обеспечении высокого уровня его электромагнитных характеристик.

Эта задача решается тем, что в волноводном ферритовом вентиле, содержащем металлический корпус, в котором выполнено симметричное У- или Т-образное сочленение прямоугольных волноводов в Н-плоскости, один из которых является нагрузочным, крышку корпуса, согласующий четвертьволновый трансформатор сопротивления в виде одного металлического пьедестала в форме треугольной призмы либо диска или двух таких пьедесталов на противолежащих широких стенках в центре сочленения волноводов, ферритовый резонатор, закрепленный в центре сочленения волноводов, поглощающую нагрузку с зауженным концом, установленную в нагрузочном волноводе зауженным концом в направлении к центру сочленения волноводов, и магнитную систему для намагничивания ферритового резонатора, поглощающая нагрузка закреплена на одном из металлических пьедесталов, при этом зауженный конец поглощающей нагрузки расположен на расстоянии 0,5.. . 5 мм от ферритового резонатора, а длина нагрузки составляет (0,25...2) λ, где λ - длина рабочей волны вентиля.

Ферритовый резонатор может состоять из двух ферритовых вкладышей в форме треугольной призмы либо диска, первый из которых закреплен на металлическом пьедестале в корпусе, а второй - на крышке корпуса симметрично первому ферритовому вкладышу.

Крышка корпуса может быть выполнена с пьедесталом в форме треугольной призмы либо диска, расположенным симметрично пьедесталу корпуса, при этом второй ферритовый вкладыш закреплен на пьедестале крышки. Зауженный конец поглощающей нагрузки может иметь выемку, которая частично охватывает ферритовый резонатор.

Технический результат изобретения состоит в уменьшении по сравнению с прототипом длины поглощающей нагрузки в 2-4 раз, в уменьшении длины нагрузочного волновода в 2-5 раз и в уменьшении габаритов вентиля при одновременном обеспечении высокого уровня его электромагнитных характеристик.

Достижение указанного технического результата можно пояснить следующим образом.

В соответствии с существующими теоретическими представлениями основным условием получения хорошей развязки, малых вносимых потерь и малого КСВ волноводных ферритовых вентилей является создание хорошего согласования всех трех волноводов с ферритовыми вкладышами и полного поглощения обратной электромагнитной волны поглощающей нагрузкой. Для этого поглощающую нагрузку располагают в нагрузочном волноводе за пределами согласующего металлического пьедестала на расстоянии от ферритового резонатора не менее λ/4 и максимально увеличивают длину нагрузки. В результате длина нагрузочного волновода обычно более чем в 2 раза превышает длину каждого из двух других волноводов вентиля, существенно влияя, тем самым, на его габариты.

Экспериментальные исследования авторов настоящего изобретения показали, однако, что габариты вентиля можно значительно уменьшить при сохранении высокого уровня его электромагнитных параметров, если расположить поглощающую нагрузку на пьедестале, в непосредственной близости от ферритового резонатора, на расстоянии 0,5...5 мм от него. Этот эффект объясняется, по-видимому, тем, что при размещении зауженного конца поглощающей нагрузки вблизи от ферритового резонатора поглощение обратной электромагнитной волны начинается не в средней части нагрузочного волновода, как это имеет место в известных вентилях, а уже на входе в нагрузочный волновод, в центре сочленения волноводов.

Благодаря близости нагрузки к ферритовому резонатору происходит, видимо, эффективное поглощение концом нагрузки краевой (бегущей) электромагнитной волны, распространяющейся по периферии ферритового резонатора, что принципиально отсутствует в известных вентилях. Поглощение краевой волны позволяет уменьшить длину поглощающей нагрузки в 2-4 раза. Суммарное уменьшение длины нагрузочного волновода, определяемое укорочением нагрузки и переносом ее из средней части нагрузочного волновода к центру сочленения волноводов, составляет от 2 до 5 раз.

Длина поглощающей нагрузки в зависимости от ее материала и диапазона рабочих частот вентиля составляет (0,25...2)λ, при этом нагрузочный волновод может заканчиваться сразу за концом нагрузки.

В каждом конкретном случае существует оптимальное расстояние от ферритового резонатора до поглощающей нагрузки, определяемое в процессе настройки вентиля. При расположении зауженного конца нагрузки на расстоянии менее 0,5 мм от ферритового резонатора возрастают потери вентиля. Если это расстояние более 5 мм, ухудшается развязка.

Обнаруженный авторами эффект усиливается в тех случаях, когда зауженный конец поглощающей нагрузки имеет выемку, частично охватывающую ферритовый резонатор, что можно объяснить созданием более благоприятных условий для поглощения краевой электромагнитной волны.

Следует отметить, вместе с тем, что из-за близости поглощающей нагрузки к ферритовому резонатору происходит определенное увеличение прямых потерь вентиля.

Изобретение иллюстрируют: фиг. 1а и 1б, где представлены соответственно вид сверху на корпусе без крышки и сечение корпуса с крышкой варианта заявляемого вентиля с Т-образным сочленением волноводов и одним металлическим пьедесталом; фиг. 2, на которой показано сечение корпуса с крышкой вентиля с двумя металлическими пьедесталами в центре сочленения волноводов, и фиг. 3, демонстрирующая один из вариантов конфигурации поглощающей нагрузки.

Вентиль, изображенный на фиг. 1, содержит металлический корпус 1 (например, из сплава Al), в котором выполнено Т-образное сочленение входного 2, выходного 3 и нагрузочного 4 прямоугольных волноводов, а также согласующий клинообразный выступ 5; крышку 6 корпуса, соединяемую с ним винтом 7; согласующий трансформатор в виде металлического пьедестала 8 в форме треугольной призмы; ферритовый резонатор, состоящий из ферритовых вкладышей 9 и 9', прикрепленных клеем соответственно к пьедесталу 8 корпуса 1 и крышке 6; поглощающую нагрузку 10, например, из ферроэпоксида; магнитную систему, состоящую из постоянных магнитов 11 и 11', установленных соответственно в корпусе 1 и крышке 6. Для скрепления корпуса 1 с крышкой 6 дополнительно служат отверстия 12 под винты. Фланцевые отверстия 13 предназначены для подсоединения вентиля к внешним устройствам. Нагрузочный волновод 4 заканчивается заглушкой 14.

Вариант предлагаемого вентиля, показанный на фиг. 2, отличается от вентиля на фиг. 1 тем, что крышка 6 корпуса выполнена с пьедесталом 15, расположенным симметрично пьедесталу 8 корпуса 1. В данном случае согласующий трансформатор образован двумя металлическими пьедесталами.

Ферритовый резонатор в вентилях на фиг. 1 и 2 состоит из двух ферритовых вкладышей. Возможны и другие варианты выполнения резонатора с неполной высотой ферритового образца, например, с использованием диэлектрических прокладок, металлической перегородки и т.п. (см., например, [3]).

Поглощающая нагрузка может иметь традиционную клиновидную конфигурацию либо, что предпочтительнее, конфигурацию с выемкой на зауженном конце, частично охватывающей ферритовые вкладыши, как показано на фиг. 1а и фиг. 3. На фиг. 3, где представлен вид сверху на центральную часть корпуса вентиля без крышки, ферритовый вкладыш 9, установленный на пьедестале 8, выполнен в форме треугольной призмы.

Предлагаемый вентиль работает следующим образом.

Входная электромагнитная волна поступает в волновод 2 (вход вентиля) и распространяется в нем в направлении к центру сочленения волноводов, где расположены ферритовые вкладыши 9 и 9'. На пути к вкладышам электромагнитная волна проходит металлический пьедестал 8 (фиг. 1) либо пьедесталы 8 и 15 (фиг. 2), которые совместно с клиновидным выступом 5 обеспечивают согласование волновых сопротивлений волновода 2 и центральной части сочленения волноводов. В ферритовых вкладышах 9 и 9' электромагнитная волна сосредотачивается с образованием стоячей и/или краевой (бегущей) волны, поворачивается (благодаря тому, что вкладыши намагничены магнитами 11 и 11' в перпендикулярном направлении) и излучается из них в волновод 3 (выход вентиля). Из-за близости поглощающей нагрузки 10 к ферритовым вкладышами 9 и 9' при прохождении прямой волны имеет место ее частичное поглощение, что приводит к некоторому росту прямых потерь, не выходящему, тем не менее, за рамки допустимого предела.

В обратном направлении электромагнитная волна из волновода 3 проходит аналогично прямой волне к ферритовым вкладышам 9 и 9', в которых она сосредотачивается с образованием стоячей волны и/или краевой волны, бегущей по периферии вкладышей, поворачивается и излучается в нагрузочный волновод 4. Благодаря заострениям суженного конца поглощающей нагрузки 10 и их расположению в непосредственной близости от ферритовых вкладышей 9 и 9' обеспечивается, с одной стороны, согласование волновых сопротивлений центральной части сочленения волноводов и нагрузочного волновода 4, а с другой стороны, эффективное поглощение электромагнитной волны и ее почти полное затухание.

Один из экспериментальных образцов предлагаемого вентиля с Т-образным сочленением волноводов, выполненных в корпусе из сплава A, имеет длину входного и выходного волноводов по 17,6 мм, длину нагрузочного волновода 14,5 мм, высоту согласующих пьедесталов 4,5 мм, размеры поглощающей нагрузки из ферроэпоксида с ε = 9, 5 х 9 х 8 мм. В качестве вкладышей использованы две треугольные призмы высотой 2,5 мм из феррита марки 10СЧ6Б-4. Общие габариты вентиля с фланцами составляют 35,2 х 41,4 х 41,4 мм. Вентиль работает в диапазоне частот 8,5 - 9,6 ГГц, обеспечивая развязку 20 дБ, вносимые потери 0,5 дБ, КСВ 1,2.

Сходные конструктивные размеры и электромагнитные характеристики имеют и другие опытные образцы предлагаемого вентиля, в том числе образцы с У-образным сочленением волноводов.

Промышленная осуществимость изобретения видна из описания конструкции предлагаемого устройства и подтверждается фактами изготовления и испытания опытных образцов.

ЛИТЕРАТУРА
1. А. Л. Микаэлян. Теория и применение ферритов на СВЧ. Госэнергоиздат, М., 1963, с. 579-582.

2. M. B. Baмбepcкий и дp. Конструирование ферритовых развязывающих приборов СВЧ. Радио и связь. М., 1982, с. 56-57.

3. В.П. Абрамов. Невзаимные устройства на ферритовых резонаторах. Радио и связь, М., 1987, с. 104-107.

4. Патент США N 3851279, НКИ 333-1.1, опуб. 26.11.74 г.

5. Патент США N 3866150, НКИ 333-1.1, опуб. 11.2.75 г.

6. Патент США N 3895319, НКИ 333-1.1, опуб. 17.7.75 г.

7. Полезная модель РФ N 6089, МПК⁶ H 01 P 132, опуб. 16.02.98 г.

Изобретение предназначено для использования в качестве развязывающего устройства в связной аппаратуре. Технический результат изобретения состоит в уменьшении габаритов вентиля благодаря укорочению поглощающей нагрузки и нагрузочного волновода при одновременном обеспечении высокого уровня электромагнитных характеристик. Сущность: в вентиле, содержащем корпус, в котором выполнено V- или Т-образное сочленение прямоугольных волноводов, крышку корпуса, согласующий четвертьволновой трансформатор в виде одного либо двух металлических пьедесталов, ферритовый резонатор, поглощающую нагрузку и магнитную систему, поглощающая нагрузка закреплена на одном из пьедесталов, при этом зауженный конец нагрузки расположен на расстоянии 0,5 ... 5 мм от ферритового резонатора, а длина нагрузки составляет (0,25 ... 2)λ. Зауженный конец поглощающей нагрузки может иметь выемку, частично охватывающую ферритовый резонатор. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Волноводный ферритовый вентиль, содержащий металлический корпус, в котором выполнено симметричное V- или Т-образное сочленение прямоугольных волноводов в Н-плоскости, один из которых является нагрузочным, крышку корпуса, согласующий четвертьволновый трансформатор сопротивления в виде металлического пьедестала в форме треугольной призмы либо диска в центре сочленения волноводов, ферритовый резонатор, установленный в центре сочленения волноводов, поглощающую нагрузку с зауженным концом, установленную в нагрузочном волноводе зауженным концом в направлении к центру сочленения волноводов, и магнитную систему для намагничивания ферритового резонатора, отличающийся тем, что поглощающая нагрузка закреплена на металлическом пьедестале, при этом зауженный конец поглощающей нагрузки расположен на расстоянии 0,5...5 мм от ферритового резонатора, а длина нагрузки составляет (0,25...2)λ, где λ - длина рабочей волны вентиля. 2. Волноводный ферритовый вентиль по п.1, отличающийся тем, что ферритовый резонатор состоит из двух ферритовых вкладышей в форме треугольной призмы либо диска, первый из которых закреплен на пьедестале корпуса в центре сочленения волноводов, а второй - на крышке корпуса симметрично первому ферритовому вкладышу. 3. Волноводный ферритовый вентиль по п.2, отличающийся тем, что крышка корпуса выполнена с пьедесталом в форме треугольной призмы либо диска, расположенным симметрично пьедесталу корпуса. 4. Волноводный ферритовый вентиль по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что зауженный конец поглощающей нагрузки имеет выемку, частично охватывающую ферритовый резонатор.