ВОЛНОВОДНЫЙ ВЕНТИЛЬ ФАЗОВОГО ТИПА Российский патент 2007 года по МПК H01P1/36 H01P1/397 

Изобретение относится к радиотехнике сверхвысокой частоты (СВЧ) и может быть использовано в волноводных трактах высокого уровня мощности, например, в качестве межкаскадного развязывающего устройства передатчика радиолокационной станции (РЛС).

Известные конструкции волноводных вентилей (А.А.Микаэлян «Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах», ГЭИ, М., 1963 г.) - вентили резонансного типа, вентили на смещении поля, предельные вентили - характеризуются компактностью конструкции, но сравнительно узкополосны и имеют ограниченные возможности для работы на высоком уровне мощности из-за перегрева ферритового вкладыша. Поэтому для работы на высоких уровнях мощности обычно используются волноводные Y-циркуляторы (патент РФ № 2168247, H 01 P 1/37, 2001 г.) или циркуляторы фазового типа с волноводной нагрузкой на свободных выходах (С.Б.Карбовский, В.Н.Шахгеданов «Ферритовые циркуляторы и вентили», М., «Советское радио», 1970 г.).

Волноводные вентили с использованием фазового циркулятора по сравнению с другими типами вентилей обладают наибольшей широкополосностью (до 30%) и способны работать при весьма значительных уровнях мощности; однако они имеют большие габариты, особенно в дециметровом диапазоне длин волн. Это обусловлено тем, что в состав фазового циркулятора, помимо невзаимного фазовращателя, входят так называемые мостовые устройства: двойные волноводные тройники и 3-дБ направленные ответвители.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание малогабаритного волноводного вентиля, обладающего свойствами циркулятора фазового типа.

Техническими результатами, достигаемыми при реализации предлагаемого изобретения, являются широкополосность, способность работать в дециметровом диапазоне длин волн и на повышенных уровнях мощности, а также уменьшение габаритов.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в устранении из конструкции волноводного вентиля на базе фазового циркулятора мостовых устройств и замене волноводных нагрузок на поглотители СВЧ энергии (далее поглощающая нагрузка). Поглощающая нагрузка конструктивно совмещена с двухканальным невзаимным фазовращателем, выполненным на отрезке прямоугольного волновода, в Е-плоскости разделенного пополам перегородкой из магнитомягкого материала, плоскость которой параллельна широким стенкам прямоугольного волновода, в одном из волноводных каналов которого размещен 90-градусный взаимный фазовращатель. Поглощающая нагрузка выполнена в виде диэлектрической трубки, заполненной проточной водой, и размещена в продольных щелях перегородки вдоль узких стенок прямоугольного волновода.

На фиг.1 и 2 приведена конструкция волноводного вентиля фазового типа, состоящего из отрезка прямоугольного волновода 1 сечением a×b, в Е-плоскости разделенного пополам перегородкой 2 на два волноводных канала половинной высоты, расположенных один над другим. Разделяющая волновод 1 перегородка 2 выполнена из магнитомягкого материала, а ее плоскость параллельна широким стенкам волновода 1 и находится в плоскости расположения магнитных силовых линий распространяющейся электромагнитной волны, то есть в Н-плоскости. На широких стенках разделенного пополам волновода 1 в области круговой поляризации СВЧ магнитного поля размещены ферритовые пластины 3, которые подмагничены магнитной системой, состоящей из постоянных магнитов 4, полюсных наконечников 5 и настроечных магнитных шунтов 6. Конфигурация магнитных полей Н в области расположения ферритовых пластин в волноводных каналах волноводного вентиля фазового типа показана стрелками. Количество ферритового материала и подмагничивающее поле Н выбираются из условия получения дифференциального невзаимного фазового сдвига, равного 90 градусов. В одном из волноводных каналов, помимо ферритовых пластин 3, размещены диэлектрические пластины 7, создающие взаимный фазовый сдвиг, равный 90 градусам. В продольных щелях 8, прорезанных в перегородке 2 вдоль узких стенок волновода 1, размещены диэлектрические трубки 9, по которым циркулирует проточная вода 10, выполняющая функции объемного СВЧ-поглотителя.

На фиг.3 и 4 приведены конфигурации электрических полей Е СВЧ в волноводных каналах волноводного вентиля фазового типа при синфазном и противофазном состояниях, а на фиг.5 и 6 - условия образования этих состояний, поясняющие принцип работы волноводного вентиля фазового типа. Принцип действия волноводного вентиля фазового типа основан на различии конфигурации электрических полей Е СВЧ в области продольных щелей 8 при распространении в волноводном вентиле фазового типа (см. фиг.2) волн в противоположных направлениях. При распространении волн слева направо (фиг.5) в волноводных каналах происходят одинаковые сдвиги фаз: в верхнем волноводном канале - невзаимный сдвиг фаз ϕ_н за счет ферритовых пластин 3, а в нижнем волноводном канале - взаимный сдвиг фаз ϕ_в за счет диэлектрических пластин 7, которые уравновешивают друг друга (разность фаз Δϕ=ϕ_н-ϕ_в=0) на протяжении всего пути l=l₀. При обратном распространении (фиг.6) за счет невзаимных свойств ферритового фазовращателя ϕ_н меняет знак, так что разность фаз Δϕ распространяющихся волн монотонно возрастает и у левого конца перегородки 2 достигает значения 180 градусов.

Конфигурация электрической составляющей Е поля СВЧ в щелях 8 между волноводными каналами для волн, распространяющихся слева направо, показана на фиг.3, а для волн, распространяющихся в обратном направлении, - на фиг.4. При синфазности волн в волноводных каналах электрические составляющие Е поля СВЧ параллельны узким стенкам волновода 1, а при противофазных волнах возникают электрические составляющие Е поля СВЧ, направленные перпендикулярно узким стенкам волновода 1. В первом случае диэлектрические трубки 9 с водой 10 оказываются вне поля Е и волны проходят через устройства без ослабления, а во втором случае - в поле Е, что приводит к ослаблению СВЧ-колебаний. Ослабление начинается с возникновения даже небольшой разности фаз Δϕ и нелинейно возрастает, достигая своего максимума при Δϕ=180 градусов. Оставшийся уровень противофазных волн, отражаясь от входного конца перегородки 2, претерпевает дальнейшее ослабление, которое по мере уменьшения Δϕ также уменьшается. Основная характеристика волноводного вентиля фазового типа - вентильное отношение, определяемое отношением обратных потерь к прямым потерям, - зависит от многих конструктивных факторов, в том числе и от поперечного сечения диэлектрической трубки с водой и от ее расположения в волноводе.

При экспериментальной проверке работоспособности волноводного вентиля фазового типа в диапазоне частот от 2 до 2,5 ГГц получено: прямые потери - не более 0,5 дБ, а обратные - более 20 дБ, что является типичным для вентилей дециметрового диапазона длин волн.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано в волноводных трактах высокого уровня мощности, например, в качестве межкаскадного развязывающего устройства передатчика РЛС. Волноводный вентиль фазового типа содержит отрезок прямоугольного волновода, разделенный пополам в Е-плоскости перегородкой из магнитомягкого материала. В одном из волноводных каналов двухканального невзаимного фазовращателя размещен 90-градусный взаимный фазовращатель. Поглощающая нагрузка выполнена в виде диэлектрической трубки, заполненной проточной водой, и размещена в продольных щелях перегородки вдоль узких стенок волновода. Техническим результатом являются обеспечение широкополосности, способности работать в дециметровом диапазоне длин волн и на повышенных уровнях мощности, а также уменьшение габаритов. 6 ил.

Волноводный вентиль фазового типа, содержащий двухканальный невзаимный фазовращатель, взаимный фазовращатель и поглощающую нагрузку, отличающийся тем, что двухканальный невзаимный фазовращатель выполнен на отрезке прямоугольного волновода, разделенного пополам перегородкой из магнитомягкого материала, плоскость которой параллельна широким стенкам прямоугольного волновода, в одном из каналов которого размещен взаимный фазовращатель, а поглощающая нагрузка выполнена в виде диэлектрической трубки, заполненной проточной водой, и размещена в продольных щелях перегородки вдоль узких стенок прямоугольного волновода.