ВОЛНОВОДНЫЙ ЦИРКУЛЯТОР ФАЗОВОГО ТИПА Российский патент 2006 года по МПК H01P1/397 

Изобретение относится к радиотехнике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС) в качестве развязывающего устройства, антенного коммутатора и переключателей режимов работы «антенна-эквивалент».

Широко используемые в радиотехнических системах, и особенно в РЛС, ферритовые волноводные циркуляторы фазового типа (А.Л.Микаэлян «Теория применения ферритов на сверхвысоких частотах», стр. 561-579, Гос. Энергетическое изд. М.; Л. 1963 г.) характеризуются целым рядом положительных свойств: широкополосность, малый уровень вносимых потерь, работоспособность при больших уровнях СВЧ-мощности, многофункциональность и др. Существенными недостатками, ограничивающими их применение в РЛС дециметрового диапазона, являются: большие габариты и, как следствие этого, значительный вес.

Конструктивно фазовый циркулятор состоит из трех основных узлов: двух мостовых устройств и расположенного между ними невзаимного фазовращателя. В качестве мостовых устройств обычно используются волноводные щелевые мосты (3-дБ направленные ответвители) со связью через щели в общей узкой стенке, а также двойные волноводные тройники (Т-мосты) в различном сочетании. Двухканальный невзаимный фазовращатель представляет собой систему, состоящую из двух волноводов с общей узкой стенкой.

Основные характеристики современных фазовых циркуляторов: диапазон длин волн, широкополосность, уровень допустимой мощности, а также масса и габариты определяются в основном свойствами и размерами мостовых устройств. Применение громоздких Н-плоскостных щелевых мостов и двойных Т-мостов, которые к тому же сравнительно узкополосны и требуют настройки, ограничивает применение фазовых циркуляторов на длинах волн свыше двадцати сантиметров, поскольку длина таких циркуляторов составляет порядка десяти длин волн.

За прототип предлагаемого изобретения может быть принят волноводный фазовый циркулятор (патент США № US 4916414), в котором использованы мостовые устройства с выходными плечами в Е-плоскости, и двухканальный невзаимный фазовращатель, содержащий ферритовый вкладыш и постоянный магнит U-образной формы, причем ферритовый вкладыш закреплен на внешних широких стенках внутри волноводных каналов, а постоянный магнит закреплен на тех же стенках с внешней стороны. Очевидными недостатками упомянутой конструкции волноводного фазового циркулятора являются: сравнительно большие габариты, что обусловлено наличием волноводных переходов между мостовыми устройствами и секцией невзаимного фазовращателя, и невозможность его работы на повышенных уровнях мощности из-за перегрева толстого ферритового вкладыша.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание циркулятора, который можно использовать в РЛС дециметрового диапазона.

Техническими результатами, достигаемыми при реализации изобретения, в частности, являются упрощение конструкции, уменьшение габаритных размеров, снижение веса, повышение технологичности изготовления, способность работать в дециметровом диапазоне длин волн и на повышенных уровнях СВЧ-мощности.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в конструировании волноводного циркулятора фазового типа, содержащего два мостовых устройства и невзаимный фазовращатель, размещаемый между ними. В качестве мостовых устройств могут быть использованы 3-х дБ направленный ответвитель шлейфного типа, двойной волноводный Е-тройник в различном их сочетании, а мостовые устройства и невзаимный фазовращатель выполнены на волноводе половинной высоты.

На фиг.1 и 2 приведена в двух проекциях неразъемная конструкция волноводного циркулятора фазового типа с использованием двух 3-дБ направленных отвтетвителей шлейфного типа и ферритовой секции, содержащий взаимный и невзаимный фазовращатели.

На фиг.3 и 4 представлена конструкция волноводного циркулятора фазового типа с использованием двойного волноводно-коаксиального тройника в сочетании с 3-дБ направленным ответвителем шлейфного типа и невзаимного фазовращателя на волноводе половинной высоты.

На фиг.5 и 6 представлена конструкция волноводного циркулятора фазового типа с использованием двух волноводных (волноводно-коаксиальных) мостов и невзаимного фазовращателя на волноводе половинной высоты с встроенной магнитной системой.

Конструктивно волноводный циркулятор фазового типа с двумя 3-дБ ответвителями шлейфного типа (фиг.1 и 2) выполнен в виде двух параллельных отрезков стандартного волновода 1 и 2. По концам волноводы соединены между собой вставками 3, в которых имеются волноводные каналы-шлейфы 4 примерно четвертьволновой длины. Сечение волноводов-шлейфов 4 и их число выбираются из условия получения 3-дБ связи (деление мощности пополам) в требуемой рабочей полосе частот. При этом рабочая полоса 3-х дБ направленного ответвителя шлейфного типа, оцениваемая по коэффициенту стоячей волны по напряжению входа и коэффициенту деления мощности, с увеличением числа шлейфов увеличивается, поскольку пропорционально уменьшается высота волновода-шлейфа.

Невзаимный фазовращатель с дифференциальным 90-градусным сдвигом фаз выполнен в виде набора ферритовых пластин 7, размещаемых в волноводных каналах 5 и 6 в области круговой поляризации СВЧ магнитного поля. Ферритовые пластины 7 подмагничиваются магнитной системой, состоящей из четырех магнитов 8. Магнитная система может быть выполнена с использованием постоянных магнитов или в электромагнитном варианте. Для работы волноводного циркулятора фазового типа на высоком уровне мощности необходимо принудительное охлаждение ферритовых пластин 7, которое может быть осуществлено циркуляцией жидкости (воды) по каналам в стенках волновода.

Взаимный 90-градусный фазовращатель, необходимый в случае использования однотипных мостовых устройств, может быть выполнен в виде набора диэлектрических пластин 9, размещаемых в одном из волноводных каналов невзаимного фазовращателя. При размещении диэлектрических пластин 9 в верхнем волноводе и подмагничивании ферритовых пластин 7 в направлениях, указанных на фиг.2, направление циркуляции соответствует нумерации плеч 10-11-12-13-10. При изменении направления подмагничивания на обратное изменяется и направление циркуляции 10-13-12-11-10.

В волноводном циркуляторе фазового типа с разнотипными мостами (фиг.3 и 4) использован двойной волноводно-коаксиальный тройник 14, выходные каналы 15 которого образованы делением входного волновода пополам в Е-плоскости, а коаксиальный выход 16 согласован с выходными каналами 15 посредством полоскового трансформатора сопротивления 17 в общей широкой стенке выходных каналов 15. В качестве второго мостового устройства использован 3-х дБ направленный ответвитель шлейфного типа 18. По сравнению с предыдущей конструкцией он выполнен на волноводе половинной высоты, что существенно увеличивает его широкополосность и улучшает другие электрические параметры: коэффициент стоячей волны по напряжению, деление мощности и направленность.

Благодаря уменьшению вдвое высоты выходных каналов 15 невзаимный фазовращатель 19 может быть выполнен с меньшим количеством ферритовых пластин 7, которые могут размещаться только на одной широкой стенке волноводного канала. Очевидно, что при этом упрощается конструкция и уменьшаются габариты магнитной системы 20. Согласование невзаимного фазовращателя 19 обеспечено уменьшением ширины волноводных каналов по длине ферритовых пластин (фиг.4). Уменьшение вдвое высоты волноводных каналов ответвителя 18, помимо очевидного уменьшения массогабаритных характеристик, позволяет улучшить его электрические характеристики.

На фиг 5 и 6 приведена конструкция волноводного циркулятора фазового типа с использованием в качестве мостовых устройств двух двойных Е-тройников 21. Дополнительное боковое плечо 22 получено присоединением к коаксиальному выходу 16 (фиг.6) волноводно-коаксиального перехода, образованного индуктивной петлей 23, введенной в волновод со стороны его торца и замкнутой на широкой стенке. Как и в предыдущем варианте, невзаимный фазовращатель 19 выполнен на волноводе половинной высоты. Для уменьшения массогабаритных характеристик волноводного циркулятора фазового типа, определенных в том числе и магнитной системой 20, полюсные наконечники 24 введены в волноводные каналы со стороны боковых стенок (т.е. внутрь волновода), а ферритовые пластины 7 размещены непосредственно на полюсных наконечниках 24 со стороны боковых стенок.

Взаимный 90-градусный сдвиг, как и в первом варианте, может быть выполнен в виде набора диэлектрических пластин 9, размещаемого в одном из каналов невзаимного фазовращателя.

Отсутствие регулировочных элементов у мостовых устройств позволяет исключить из конструкции волноводного циркулятора фазового типа промежуточные фланцевые соединения, что также способствует уменьшению габаритов устройства.

Практическое использование того или иного варианта конструкции волноводного циркулятора фазового типа зависит от конкретных условий: диапазона частот, рабочей полосы частот, уровня СВЧ-мощности. Предлагаемые конструкции волноводных циркуляторов фазового типа имеют, по крайней мере, в два раза меньшую длину (то есть не более 5 длин волн) и ширину, не на много превышающую ширину волновода соответствующего диапазона.

Максимальный выигрыш в массогабаритных характеристиках дает конструкция волноводного циркулятора фазового типа с двумя волноводно-коаксиальными тройниками (длина около 2 длин волн). Максимальную широкополосность (более 30%) обеспечивает конструкция с разнотипными мостовыми устройствами. Что касается допустимого уровня СВЧ-мощности, то он, как известно, определяется в основном сечением волновода. Однако использование в предлагаемых конструкциях волноводного циркулятора фазового типа волновода половинной высоты представляется целесообразным, так как требуемые уровни СВЧ-мощности в дециметровом диапазоне, как правило, далеки от предельно допустимых, а выигрыш в массогабаритных характеристиках неоспорим.

Эффективность применения предлагаемых вариантов волноводных циркуляторов фазового типа подтверждена разработкой и применением циркуляторов 4ЦВФ, 15ЦВФ и 35ЦВФ для РЛС, работающих в диапазонах длин волн 4, 15 и 35 см соответственно.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано в радиолокационных станциях в качестве развязывающего устройства, антенного коммутатора и переключателей режимов работы «антенна-эквивалент». Волноводный циркулятор фазового типа выполнен в виде единого блока, без промежуточных фланцевых соединений, и состоит из двух мостовых устройств и невзаимного фазовращателя, размещенного между ними, а волноводные каналы СВЧ-устройств расположены в Е-плоскости волновода. Мостовые устройства представляют собой либо 3-х дБ направленный ответвитель шлейфного типа, либо двойной волноводный тройник, либо двойной волноводно-коаксиальный тройник в сочетании с 3-х дБ направленным ответвителем шлейфного типа. Полюсные наконечники магнитной системы невзаимного фазовращателя введены внутрь волноводных каналов. Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является: упрощение конструкции, уменьшение габаритных размеров, снижение веса, повышение технологичности изготовления, улучшение эксплуатационных и электрических характеристик. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Волноводный циркулятор фазового типа, содержащий два мостовых устройства, каждое из которых выполнено в виде 3-х дБ направленного ответвителя шлейфного типа или двойного волноводного Е-тройника, и два невзаимных фазовращателя, размещенных между мостовыми устройствами в параллельно расположенных в Е-плоскости волноводных каналах, отличающийся тем, что мостовые устройства и невзаимные фазовращатели выполнены на волноводе половинной высоты, а согласование невзаимных фазовращателей обеспечивается уменьшением ширины волноводных каналов.2. Циркулятор по п.1, отличающийся тем, что ферритовые пластины каждого невзаимного фазовращателя размещены непосредственно на полюсных наконечниках магнитной системы, которые введены внутрь волноводных каналов.3. Циркулятор по п.2, отличающийся тем, что он выполнен в виде единого блока, без промежуточных фланцевых соединений.