СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК H01P1/195 

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, предназначено для управления величиной фазового сдвига электромагнитной волны в волноводных линиях передачи и может быть использовано, главным образом, при построении систем с электрическим сканированием луча.

Известен СВЧ фазовращатель Рейджиа-Спенсера (см. Electron. Lett. 1985, 21, N19, pp. 868-870 (GB), состоящий из отрезка прямоугольного волновода и ферритового стержня, симметрично расположенного в нем вдоль оси, обмотки соленоида для продольного перемагничивания ферритового стержня, расположенного на поверхности отрезка прямоугольного волновода, причем концы феррита снабжены согласующими скосами.

Известен СВЧ фазоврашатель (см. А.Д.Фокc, 1956, Свойства ферритов и их применение в диапазоне СВЧ, Москва, Советское радио, стр. 85), содержащий отрезок прямоугольного волновода, стержень с согласующими скосами, который выполнен из ферритового материала, расположенного в центре отрезка прямоугольного волновода, и соленоид.

Известен волноводный фазоврашатель СВЧ с магнитной памятью (см. АС SU N221089, МПК Н 01 P, 04.06.69), содержащий ферритовый стержень, расположенный по центру отрезка прямоугольного волновода.

Известен фазовращатель СВЧ (см. AC SU N470023, МПК Н 01 Р 01/18, 15.07.75), содержащий отрезок прямоугольного волновода, фазосдвигающий элемент, обеспечивающий регулирование фазового сдвига.

Известен СВЧ фазовращатель (см. патент US N3680010, НКИ 333-317, 25.07.72), содержащий отрезок прямоугольного волновода, в котором размещен ферритовый стержень, соленоид управления и магнитопровод, охватывающий ферритовый стержень и образующий с ним замкнутую магнитную цепь.

Известен волноводный ферромагнитный фазовращатель (см. заявку JP N163502/85, МПК Н 01 Р 01/18), выполненный на отрезке прямоугольного волновода, внутри которого вдоль продольной оси размещен прямоугольный блок из ферромагнитного материала, причем в блоке образованы основные продольные отверстия, в которых расположена обмотка возбуждения, а также вспомогательные продольные отверстия с измерительной обмоткой, обеспечивающей измерение изменения величины магнитного поля, обусловленное колебанием температуры. Сигнал с выхода измерительной обмотки используется в качестве входного сигнала термокомпенсации величины вносимого фазовращателем фазового сдвига.

Известен волноводный фазовращатель (см. патент JP N6402/83, МПК Н 01 Р 01/18), выполненный из отрезка прямоугольного волновода, в пучности электрического поля которого между широкими стенками расположены ферритовые элементы в виде прямоугольных пластин с прямоугольными каналами, расположенными вдоль волновода, через канал проходит проводник, к которому подводится управляющий ток фазовращателя, причем для увеличения фазового сдвига, подавления высших мод и лучшего отвода тепла ферритовый элемент состоит из четырех прямоугольных пластин, две из которых расположены параллельно широким стенкам волновода, покрытые металлической пленкой (например, Сu, Al, Ag).

Известен волноводный фазовращатель с управляемым элементом из ферромагнитного материала (см. заявку FR N2668304, МПК Н 05 Р 01/18, 24.04.92), содержащий отрезок прямоугольного волновода, в центре которого расположен стержень из ферромагнитного материала, обеспечивающий концентрацию основной части электромагнитной энергии, причем параллельно ему расположен аналогичный стержень, имеющий замкнутые концы, образующие первую замкнутую магнитную цепь, на втором стержне имеется управляющая обмотка, по которой пропускается постоянный ток, обеспечивающий изменение свойств волновода, время коммутации составляет несколько микросекунд, причем второй стержень может располагаться вне волновода, кроме того, фазовращатель работает независимо от направления распространения волны в отрезке прямоугольного волновода.

На вход фазовращателя подается электромагнитная волна, причем при изменении величины постоянного подмагничивания поля меняется намагниченность ферритового материала, что вызывает изменение длины СВЧ- волны и соответственно дифференциального фазового сдвига, который отсчитывается от значения фазы при размагниченном состоянии ферритового материала, а для улучшения согласования с входным и выходным волноводами ферритовый стержень на концах выполнен со скосами.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является СВЧ фазовращатель (см. патент US N3982213, НКИ 333-31, 21.09.76), содержащий ферритовый стержень, установленный вдоль оси отрезка прямоугольного волновода, магнитную систему управления СВЧ-полем.

Управление величиной фазового сдвига электромагнитной волны осуществляется путем изменения направления азимутальной остаточной намагниченности прямоугольного ферритового стержня импульсом тока, проходящего через управляющую катушку.

Это приводит к возникновению дифференциального сдвига, который при соответствующем выборе длины, параметров феррита и величины магнитного поля изменяется в широких пределах.

Недостатком известного технического решения является узкополосность фазовращателя вследствие сильной частотной зависимости его основных характеристик - фазового сдвига и потерь.

Технический результат предлагаемого решения заключается в расширении рабочей полосы частот, уменьшении потерь, стабилизации фазового сдвига в полосе частот, а также в снижении габаритов, веса и энергопотребления фазовращателя.

Указанный результат достигается тем, что в сверхвысокочастотный фазовращатель, содержащий ферритовый стержень, установленный вдоль оси отрезка запредельного прямоугольного волновода, введены две диэлектрические пластины с диэлектрической проницаемостью в пределах от 1,5 до 1,9 от диэлектрической проницаемости феррита, которые размещены на поверхностях ферритового стержня, параллельных узким стенкам волновода, причем толщина пластин выбрана из соотношения
0,4≤2t_k/t_ф≤0,7,
где t_k - толщина диэлектрических пластин, t_ф - толщина ферритового стержня.

Кроме того, введены две диэлектрические пластины с диэлектрической проницаемостью в пределах от 1,0 до 1,6 от диэлектрической проницаемости феррита, которые размещены на поверхностях ферритового стержня, параллельных широким стенкам волновода, причем толщина пластин выбрана из соотношения
0,27≤2h_k/h_ф≤0,5,
где h_k - толщина диэлектрических пластин, h_ф - высота ферритового стержня.

Одновременно n диэлектрических пластин, где n=1÷4, с диэлектрической проницаемостью в пределах от 0,5 до 1,0 от диэлектрической проницаемости феррита, размещены на одной или двух широких стенках волновода.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что была найдена ферритодиэлектрическая структура заполнения регулярной части фазовращателя (см. фиг.1), позволившая получить большие фазовые сдвиги, слабо зависящие от частоты; выяснена природа резонансов потерь, свойственная такому заполнению, и закономерности появления и расположения резонансов на определенных частотах с учетом их перемещения при изменении температуры окружающей среды.

В таком заполнении распространяются три волны квази: Н₁₀, Н₀₁ и Е₁₁, постоянные распространения волн квази Н₁₀ и H₀₁ сильно зависят от подмагничивания, а постоянная распространения волны квази Е₁₁ от подмагничивания практически не зависит. Для заданного диапазона частот выбраны размеры волновода, параметры и размеры феррита и всех диэлектрических пластин таким образом, чтобы частотная зависимость потерь имела вид (см. фиг.2),
где f₁ - частота отсечки волны квази Н₁₀;
f₂ и f₃ - частоты, на которых резонирует волна квази Е₁₁;
f₄ - частота, на которой начинается распространение волны квази H₀₁.

Рабочая полоса частот заключена между резонансами f₂ и f_з, которые при изменении подмагничивания пропадают и появляются вновь, но положения своего по частоте не меняют, поскольку постоянные распространения волны квази Е₁₀ не меняются с подмагничиванием. Полоса частот между резонансами f₂ и f₃ обратно пропорциональна длине фазовращателя, поэтому расширение рабочей полосы фазовращателя может быть достигнуто за счет укорочения ферритового стержня. Предельная полоса частот, которая может быть достигнута в фазовращателе при уменьшении длины, это когда f₂ сливается с запредельностью, а f_з с резонансами волны квази H₀₁, равняется f_пp=f₄-f₁. Увеличение f_пp за счет смещения f₄ в область более высоких частот, а f₁ в область более низких приводит к потере фазовой активности.

Условием максимальной фазовой активности фазовращателя является требование, чтобы частоты f₁ и f₄ находились как можно ближе к рабочей полосе частот, но не входили в нее при изменении температуры окружающей среды. Положение их определяется выбором параметров и размеров ферритодиэлектрического заполнения с учетом того, что частота отсечки волны квази Н₁₀ смещается в сторону рабочего диапазона при минусовых температурах, а частота f₄, соответствующая положению резонанса, обусловленного началом распространения волны квази H₀₁, при плюсовых.

В выбранном ферритодиэлектрическом заполнении ферритовый стержень вдвое уменьшен по сечению и на него установлены указанные выше диэлектрические пластины, при этом фазовая активность фазовращателя увеличилась, что дало возможность уменьшить длину фазовращателя, а уменьшение объема ферритового стержня позволило существенно уменьшить размеры магнитной системы и тем самым уменьшить энергию перемагничивания и массу фазовращателя.

Для фазовращателя Х-диапазона в качестве материалов для ферритодиэлектрического заполнения выбраны следующие:
Феррит марки 3 СЧ19 с ε=16
Керамика марки МТС-25 с ε=27
Керамика марки Р-15 с ε=16
Керамика марки ВК-94 с ε=9
Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями (см. Приложение N1) показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые позволяют успешно реализовать поставленную цель.

На фиг.3 приведена конструкция предлагаемого технического решения, а на фиг. 4 - частотная зависимость фазового сдвига при изменении диэлектрической проницаемости пластин.

СВЧ фазовращатель выполнен из отрезка запредельного прямоугольного волновода (корпуса) 1, выполненного из сплава титана с большим удельным сопротивлением для обеспечения быстродействия фазовращателя и с посеребренным внутренним каналом для уменьшения потерь СВЧ-энергии. По его центру продольно установлен ферритовый стержень 2 в виде двутавра, на боковых поверхностях которого закреплены две диэлектрические пластины 3_1,2 параллельно узким стенкам волновода с диэлектрической проницаемостью в пределах от 1,5 до 1,9 от диэлектрической проницаемости феррита, а толщина пластин выбрана из соотношения
0,4≤2t_k/t_ф≤0,7,
где t_k - толщина диэлектрических пластин, t_ф - толщина ферритового стержня.

Кроме того, на поверхностях ферритового стержня 2, параллельных широким стенкам волновода, закреплены две диэлектрические пластины 4_1,2 с диэлектрической проницаемостью в пределах от 1,0 до 1,6 от диэлектрической проницаемости феррита, а толщина пластин выбрана из соотношения
0,27≤2h_k/h_ф≤0,5,
где h_k - толщина диэлектрических пластин, h_ф - высота ферритового стержня.

Причем n диэлектрических пластин 5₁, n с диэлектрической проницаемостью в пределах от 0,5 до 1,0 от диэлектрической проницаемости феррита установлены на одной или двух широких стенках волновода.

Магнитная система выполнена из ферритовых магнитопроводов 5, расположенных вне корпуса и соединенных с ферритовым стержнем через прорези в корпусе, образуя замкнутую магнитную цепь, и катушек обнуления 6 и управления 7. Для фазовращателя Х-диапазона в качестве материала для магнитопроводов выбран НЧ феррит 107П.

Согласование фазовращателя осуществляется с помощью переходников 8 и диэлектрических параллелипипедов 9.

Сверхвысокочастотный фазовращатель работает следующим образом.

Импульсом тока определенной величины и длительности, подаваемой в катушку обнуления 6, фазовращатель выводится на предельный гистерезисный цикл. После выключения импульса обнуления фазовращатель переходит в состояние, соответствующее остаточной намагниченности, которое принимается за нуль отсчета фазы. Далее, подавая в обмотку управления 7 импульсы тока противоположной полярности различной длительности, устанавливается требуемое значение фазового сдвига.

СВЧ сигнал, проходя через отрезок волновода, по центру которого расположен продольно намагничиваемый импульсами тока в катушках обнуления и управления ферритовый стержень, взаимодействует с ферритом; эффективная магнитная проницаемость феррита изменяется и тем самым изменяется фазовая скорость электромагнитной волны, т.е. вносится фазовый сдвиг.

В предлагаемой ферритодиэлектрической структуре заполнения волновода взаимодействие СВЧ сигнала с ферритом значительно усиливается благодаря увеличению концентрации СВЧ-поля внутри феррита с помощью диэлектрических пластин 3_1,2, имеющих диэлектрическую проницаемость, существенно превышающую диэлектрическую проницаемость феррита, и толщину значительно меньше толщины феррита, а также благодаря тому, что фазовращатель работает вблизи запредельности, положение запредельности относительно рабочей полосы частот выбирается размерами волновода и величинами диэлектрической проницаемости диэлектрических пластин 5_1,n Кроме того, выбором размеров пластин 5_1,n резонансы, обусловленные волной Е₁₁, перемещаются за пределы рабочего диапазона частот.

При изменении диэлектрической проницаемости и размеров пластин 4_1,2 частотная зависимость фазового сдвига меняет свой наклон от возрастающей с частотой до спадающей (см. фиг.4). Для конкретного феррита подбираются такая диэлектрическая проницаемость и размеры пластин 4_1,2, чтобы фазовый сдвиг практически не зависел от частоты в возможно более широкой полосе частот.

Фазовращатель Х-диапазона имеет в полосе 12% стабильность фазового сдвига ϕ_ср±10^°, где ϕ_ср - фазовый сдвиг на средней частоте диапазона, который для разных партий ферритов колеблется от 400 до 450^o в нормальных условиях и от 380 до 430^o при t=+70^oС.

Рабочая полоса частот фазовращателя составляет 10% в нормальных условиях, в интервале же температур она сужается до 8,5%, так как при температуре +70^o резонансы f₃ и f₄ смещаются в сторону рабочего диапазона на 0,5%, а при температуре -50^o резонанс f₂ и запредельность f₁ приближаются к рабочему диапазону на 1%.

Фазовращатель имеет массу 20 г и энергию перемагничивания 200 мкДж.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает расширение более чем в 2 раза рабочей полосы частот фазовращателя, позволяет уменьшить потери на 0,5 дБ, стабилизировать в полосе частот более чем на 10% фазовые сдвиги, существенно уменьшить энергию потребления и массу фазовращателя.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, предназначено для управления величиной фазового сдвига электромагнитной волны в волноводных линиях передачи и может быть использовано, главным образом, при построении систем с электрическим сканированием луча. Технический результат предлагаемого решения заключается в расширении рабочей полосы частот, уменьшении потерь, стабилизации фазового сдвига в полосе частот, а также снижении габаритов и веса фазовращателя. В сверхвысокочастотный фазовращатель, содержащий ферритовый стержень, установленный вдоль оси отрезка прямоугольного волновода, магнитную систему управления вращением поля СВЧ-энергии, введены две диэлектрические пластины с диэлектрической проницаемостью в пределах от 1,5 до 1,9 от диэлектрической проницаемости феррита, которые размещены на поверхностях ферритового стержня, параллельных узким стенкам волновода, причем толщина пластин выбрана из соотношения 0,4≤2t_k/t_ф≤0,7, где t_k - толщина диэлектрических пластин, t_ф - толщина ферритового стержня. Кроме того, введены две диэлектрические пластины с диэлектрической проницаемостью в пределах от 1,0 до 1,6 от диэлектрической проницаемости феррита, размещенные на поверхностях ферритового стержня, параллельных широким стенкам волновода, причем толщина пластин выбрана из соотношения 0,27≤2h_k/h_ф≤0,5, где h_k - толщина диэлектрических пластин, h_ф - высота ферритового стержня. Одновременно n диэлектрических пластин с диэлектрической проницаемостью в пределах от 0,5 до 1,0 от диэлектрической проницаемости феррита размещены на одной или двух широких стенках волновода. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Сверхвысокочастотный фазовращатель, содержащий ферритовый стержень, установленный вдоль оси отрезка запредельного прямоугольного волновода, магнитную систему управления полем СВЧ-энергии, отличающийся тем, что две диэлектрические пластины с диэлектрической проницаемостью в пределах от 1,5 до 1,9 от диэлектрической проницаемости феррита расположены на поверхностях ферритового стержня, параллельных узким стенкам волновода, причем толщина пластин выбрана из соотношения
0,4≤2t_k/t_ф≤0,7,
где t_k - толщина диэлектрических пластин;
t_ф - толщина ферритового стержня. 2. Сверхвысокочастотный фазовращатель по п.1, отличающийся тем, что две диэлектрические пластины с диэлектрической проницаемостью в пределах от 1,0 до 1,6 от диэлектрической проницаемости феррита расположены на поверхностях ферритового стержня, параллельных широким стенкам волновода, причем толщина пластин выбрана из соотношения
0,27≤2h_k/h_ф≤0,5,
где h_k - толщина диэлектрических пластин;
h_ф - высота ферритового стержня. 3. Сверхвысокочастотный фазовращатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что n диэлектрических пластин, где n=1÷4, с диэлектрической проницаемостью в пределах от 0,5 до 1,0 от диэлектрической проницаемости феррита, расположены на одной или двух широких стенках волновода.