СПОСОБ НАСТРОЙКИ ФЕРРИТОВОГО ЦИРКУЛЯТОРА С СОГЛАСУЮЩИМ ТРАНСФОРМАТОРОМ Российский патент 2015 года по МПК H01P1/38 

Изобретение относится к радиоэлектронике и сверхвысокочастотной (СВЧ) технике и предназначено для использования при изготовлении развязывающих устройств на основе трехплечих ферритовых циркуляторов.

Известен способ настройки ферритового циркулятора (см. патент RU 2106044, МПК Н01Р 1/39, опубликован 27.02.1998), в котором предварительно рассчитывают и экспериментально сравнивают спектры собственных колебаний намагниченного ферритового резонатора при двух противоположных направлениях подмагничивания, подмагничивают ферритовый элемент, подают измерительный сигнал в плечи и подбирают местоположение ферритового элемента до обеспечения требуемых электромагнитных характеристик. При этом геометрию ферритового резонатора, его физические параметры и величину подмагничивающего поля выбирают из следующих условий: условия совпадения частоты f_n колебания намагниченного ферритового резонатора единичной азимутальной вариации с центральной частотой f_ц рабочей полосы Δf 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 Δt должно быть соблюдено условие:

Δf<2Δf_мax,

где Δf_мах=max{|f_n-f_-n|, |f_n-f_б|}, f_б - ближайшая частота собственного колебания намагниченного ферритового резонатора к частоте f_n.

Известный способ требует разборки и последующей сборки ферритового циркулятора для перемещения ферритового элемента при каждом цикле измерений, что увеличивает его трудоемкость и время настройки. К тому же настроенный известным способом циркулятор использования без подстроечных (согласующих) элементов часто не обладает оптимальными параметрами.

Известен способ настройки трехплечего ферритового циркулятора с согласующим трансформатором (см. авт. свид. SU 1549427, МПК Н01Р 1/38, опубликовано 10.01.1997), по которому на широкую стенку каждого плеча и на торец согласующего трансформатора посередине каждого плеча устанавливают подстрочные элементы, выставляют внешнее магнитное поле циркуляции и на каждое плечо поочередно подают единичный СВЧ-сигнал, согласовывают каждое из плеч перемещением вдоль него подстроечного элемента, расположенного на широкой стенке данного плеча, совершают подстройку каждого плеча перемещением вдоль него подстроечного элемента, установленного на торце согласующего трансформатора.

Известный способ позволяет осуществить настройку волноводных широкополосных ферритовых циркуляторов в 20%-ной полосе частот и по уровню значений величины обратных потерь 20-23 дБ в сантиметровом диапазоне и нижней части миллиметрового диапазона. Однако в настоящее время предъявляются более высокие требования к волноводным трехплечим широкополосным ферритовым циркуляторам сантиметрового и миллиметрового диапазона, в частности, более высокие требования по уровню величины обратных потерь (развязок между каналами).

Известен способ настройки ферритового циркулятора (см. авт. свид. SU 1762351, МПК Н01Р 1/38, опубликовано 15.09.1992), по которому намагничивают ферритовый элемент, затем измеряют разноименные электромагнитные характеристики (развязку и прямые потери или коэффициент стоячей волны) первого или первого и второго смежных плеч и перемещают ферритовый элемент параллельно плоскости симметрии первого или первого и второго смежных плеч до совпадения частот экстремумов измеренных характеристик. Дальнейшее перемещение ферритового элемента в перпендикулярном направлении проводят до совпадения частот экстремумов характеристик второго или второго и третьего смежных плеч.

Известный способ настройки ферритового циркулятора позволяет сократить число измеряемых характеристик и осуществлять перемещение ферритового элемента только в двух направлениях, что обеспечивает сокращение времени настройки циркулятора. Недостатками известного способа являются необходимость сборки и разборки циркулятора для перемещения ферритового элемента.

Известен способ настройки ферритового циркулятора (см. SU 1756986, МПК Н01Р 1/38, опубликовано 23.08.1992), включающий намагничивание ферритового элемента, подачу сигнала поочередно в плечи циркулятора и определение их электромагнитных характеристик по результатам измерения сигнала либо отраженного, либо прошедшего на выход одного из смежных плеч и осуществляют изменение конфигурации магнитного поля в циркуляторе перемещением ферритового элемента в плоскости сочленения волноводов до достижения заданной величины электромагнитной характеристики каждого плеча циркулятора. При этом при определении одновременной электромагнитной характеристики двух смежных плеч первоначально перемещают ферритовый элемент в плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии первого и второго смежных плеч, до совпадения частот экстремумов измеренной для каждого из них характеристики. Затем определяют характеристику второго и третьего смежных плеч и перемещают ферритовый элемент параллельно плоскости симметрии первого и второго смежных плеч до совпадения частот экстремумов измеренной характеристики второго и третьего смежных плеч.

Известный способ настройки требует каждый раз при перемещении ферритового элемента разбирать и вновь собирать ферритовый циркулятор, что увеличивает трудоемкость и продолжительность процесса подгонки.

Известен способ настройки трехплечевого ферритового циркулятора с согласующим трансформатором (см. авт. свид. RU 1786967, МПК Н01Р 1/38, опубликовано 10.03.1997), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. В способе-прототипе подают измерительный сигнал в каждое плечо трехплечевого ферритового циркулятора, измеряют электромагнитные характеристики каждого плеча, определяют плечо, электромагнитные характеристики которого не соответствуют заданным значениям, и доводят электромагнитные характеристики этого плеча до заданных значений изменением конфигурации электромагнитного поля в циркуляторе путем перемещения дополнительного подстроечного элемента вдоль оси каждого плеча при неизмененном положении подстроечных элементов в двух других плечах.

Известный способ обеспечивает компенсацию фазовых ошибок и коррекцию амплитудных значений собственных возбуждения, за счет чего повышается выход годных циркуляторов и обеспечивается настройка при уровне развязок 25 дБ и более в 20%-ной полосе частот. Однако применение известного способа требует использования дополнительных деталей (подстроечных элементов), что ведет к усложнению конструкции циркулятора. При каждом перемещении подстроечных элементов в процессе настройки требуется разбирать и собирать циркулятор, в результате увеличивается трудоемкость и длительность настройки.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка такого способа настройки трехплечевого ферритового циркулятора с согласующим трансформатором, который бы имел меньшую трудоемкость и длительность настойки за счет исключения операций сборки и разборки циркулятора.

Поставленная задача решается тем, что способ настройки трехплечевого ферритового циркулятора с согласующим трансформатором включает подачу измерительного сигнала в каждое плечо трехплечевого ферритового циркулятора, измерение электромагнитных характеристик каждого плеча, определение плеча, электромагнитные характеристики которого не соответствуют заданным значениям, и доведение электромагнитных характеристик этого плеча до заданных значений изменением конфигурации электромагнитного поля в циркуляторе. Новым в способе является то, что изменение конфигурации электромагнитного поля в циркуляторе осуществляют постепенным заполнением области плеча, электромагнитные характеристики которого не соответствуют заданным значения, диэлектрической пастой, содержащей 50-60 мас. % кремнийорганического герметика и 40-50 мас. % двуокиси титана TiO₂, при этом количество вводимой диэлектрической пасты увеличивают до тех пор, пока электромагнитные характеристики плеча не достигнут заданного значения, и затем введенную диэлектрическую пасту высушивают.

В качестве электромагнитной характеристики плеча циркулятора можно измерять коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВн) или прямые потери между сопряженными плечами циркулятора, или развязку между сопряженными плечами циркулятора.

Подачу измерительного сигнала можно осуществлять анализатором электрических цепей одновременно в каждое плечо трехплечевого ферритового циркулятора.

Подачу измерительного сигнала можно осуществлять панорамным измерителем КСВн и ослабления поочередно в каждое плечо трехплечевого ферритового циркулятора, при этом свободные плечи подключают к согласованным нагрузкам. В этом случае в качестве электромагнитной характеристики измеряют КСВн.

Подачу измерительного сигнала можно осуществлять панорамным измерителем КСВн и ослабления поочередно в каждое плечо трехплечевого ферритового циркулятора, при этом сопряженное плечо подключают к панорамному измерителю (режим измерения ослаблений), а свободное плечо подключают к согласованной нагрузке. В этом случае в качестве электромагнитной характеристики измеряют прямые потери между сопряженными плечами циркулятора, или развязку между сопряженными плечами циркулятора.

Настоящее изобретение поясняется чертежами, где

на фиг. 1 показан вид сверху на трехплечий ферритовый циркулятор согласующим трансформатором до его настройки;

на фиг. 2 изображен вид сбоку на циркулятор, показанный на на фиг. 1;

на фиг. 3 приведен вид сбоку в поперечном разрезе по А-А на циркулятор, показанный на на фиг. 1;

на фиг. 4 показан вид сверху на трехплечий ферритовый циркулятор согласующим трансформатором после его настройки;

на фиг. 5 изображен вид сбоку на циркулятор, показанный на на фиг. 4;

на фиг. 6 показана зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВн) от частоты до настройки (кривые 1, 2, 3) и после настройки (кривые 4, 5, 6) трехплечевого ферритового циркулятора;

на фиг. 7 приведены частотные зависимости прямых потерь между соответствующими плечами (п) трехплечевого ферритового циркулятора до настройки (кривые 7, 8, 9, соответствующие плечам: 1п-2п, 2п-3п, 3п-1п) и после настройки (10, 11, 12, соответствующие плечам: 1п-2п, 2п-3п, 3п-1п);

на фиг. 8 показаны частотные зависимости развязок между соответствующими плечами трехплечевого ферритового циркулятора до настройки (кривые 13, 14, 15, соответствующие плечам: 1п-2п, 2п-3п, 3п-1п) и после настройки (16, 17, 18, соответствующие плечам: 1п-2п, 2п-3п, 3п-1п);

на фиг. 9 в таблице приведены средние электромагнитные характеристики партии полосковых трехплечевых ферритовых циркуляторов типа DROP IN до и после настройки.

Изображенный на фиг. 1 - фиг. 3 до настройки примерный трехплечий ферритовый циркулятор (полосковый циркулятор типа DROP IN) содержит металлический корпус 1 с крышкой 2. В корпусе 1 последовательно размещены: нижний ферритовый диск 3, три сочлененных полоска (или один полосок Y-образной формы) 4 с элементами конструкции, выполняющими функции трех согласующих трансформаторов 5 (плечи 1п, 2п, 3п), верхний ферритовый диск 6, стальной диск 7 и постоянный магнит 8. После настройки (см. фиг. 4 - фиг. 5) в области плеч 1п, 2п, 3п показана введенная диэлектрическая паста 9.

Способ настройки трехплечевого ферритового циркулятора с согласующим трансформатором осуществляют следующим образом. Пригодный к настройке трехплечий ферритовый циркулятор, отобранный при разбраковке партии изготовленных циркуляторов, устанавливают в контактное устройство, к которому подключают измерительный прибор, например, многопортовый (более двух портов) анализатор цепей или панорамный измеритель коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВн) и ослабления, откалиброванного в рабочем частотном диапазоне. Измеряют электромагнитные характеристики каждого плеча (1п, 2п, 3п), например, коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВн), прямые потери, обратные потери. Определяют плечо трехплечевого ферритового циркулятора, электромагнитные характеристики которого не соответствуют заданным значениям. Доводят электромагнитные характеристики этого плеча до заданных значений изменением конфигурации электромагнитного поля в трехплечевом ферритовом циркуляторе, для чего постепенно заполняют область плеча трехплечевого ферритового циркулятора, например, с помощью шприца, диэлектрической пастой 9, содержащей 50-60 мас. % кремнийорганического герметика и 40-50 мас. % двуокиси титана TiO₂ в виде мелкодисперсионного порошка, одновременно измеряя при этом электромагнитные характеристики этого плеча. Количество вводимой диэлектрической пасты 9 увеличивают до тех пор, пока электромагнитные характеристики плеча трехплечевого ферритового циркулятора не достигнут заданного значения. Затем введенную диэлектрическую пасту 9 высушивают при комнатной температуре в течение 2-3 часов. Трехплечий ферритовый циркулятор после настройки изображен на фиг. 4 - фиг. 5. Кремнийорганический герметик для диэлектрической пасты выбран потому, что имеет низкое значение потерь на СВЧ, достаточную адгезию к деталям циркулятора, хорошие эксплуатационные свойства (влаго- и атмосферостойкость, термо- и морозостойкость, биологическая и химическая инертность, виброустойчивость, длительный срок эксплуатации). Количество двуокиси титана TiO₂ в диэлектрической пасте определяется следующими факторами. При содержании количества TiO₂ в диэлектрической пасте более 50 мас. % масса диэлектрической пасты становится комковатой и неоднородной. При содержании количества TiO₂ в диэлектрической пасте менее 40 мас. % паста имеет недостаточно высокую диэлектрическую проницаемость и относительно высокое значение потерь на СВЧ.

При использовании в качестве измерительного устройства панорамного измерителя коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВн) и ослабления последовательно измеряют электромагнитные характеристики каждого плеча трехплечевого ферритового циркулятора. Панорамный измеритель подключают через контактное устройство к двум сопряженным плечам (например, 1п и 2п) трехплечевого ферритового циркулятора. К свободному плечу (3п) подключают согласованную нагрузку. Подают измерительный сигнал, и измеряют электромагнитные характеристики для подключенной пары плеч в рабочем диапазоне частот (КСВн, прямые потери, развязка). Далее контактное устройство подключают к панорамному измерителю следующей парой сопряженных плеч (2п и 3п) проводят измерения и далее то же самое с оставшейся парой (3 и 1).

Использование в качестве измерительного устройства многопортового анализатора позволяет подключить сразу все плечи циркулятора к измерительным трактам и получать одновременно информацию по всем контролируемым параметрам на экране анализатора.

Пример. Настоящим способом проводилась настойка выпускаемых ОАО «Завод «Магнетон» трехплечевых ферритовых циркуляторов с согласующим трансформатором (полосковый циркулятор типа DROP IN, изображенный на фиг. 1 - фиг. 3) с рабочим диапазоном частот 885-915 МГц (~4%). Предварительно приготавливали диэлектрическую пасту. В состав диэлектрической пасты - кремнийорганический герметик (Эласил 137-180, марка А, ТУ 6-02-1214-81) и наполнитель - двуокись титана TiO₂ в виде мелкодисперсионного порошка, компоненты смешивались до однородного состояния диэлектрической пасты.

Приготавливали следующие составы диэлектрической пасты:

Первый состав:

кремнийорганический герметик - 50 мас. %,

двуокись титана TiO₂ - 50 мас. %.

Второй состав:

кремнийорганический герметик - 60 мас. %,

двуокись титана TiO₂ - 40 мас. %.

Трехплечий ферритовый циркулятор с согласующим трансформатором устанавливали в контактное устройство. Контактное устройство подключали двумя сопряженными плечами 1п и 2п к панорамному измерителю коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВн) и ослабления, откалиброванному в рабочем частотном диапазоне циркулятора. К свободному плечу подключали согласованную нагрузку. Подавали измерительный сигнал и измеряли электромагнитные характеристики для подключенной пары плеч в рабочем диапазоне частот (КСВн, прямые потери, развязка). Далее контактное устройство подключали к измерителю следующей парой сопряженных плеч (2п и 3п), проводили измерения их электромагнитных характеристик и далее повторяли указанные выше операции с оставшейся парой (3п и 1п). У плечей трехплечевых ферритовых циркуляторов, электромагнитные характеристики которых не соответствовали заданным значениям, заполняли область плеча с помощью шприца диэлектрической пастой, одновременно измеряя при этом электромагнитные характеристики этого плеча. Количество вводимой диэлектрической пасты увеличивали до тех пор, пока электромагнитные характеристики соответствующего плеча трехплечевого ферритового циркулятора не достигали заданного значения. Затем введенную диэлектрическую пасту высушивали при комнатной температуре в течение 2,5 часов. Зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВн) от частоты до настройки (кривые 1, 2, 3) и после настройки (кривые 4, 5, 6) трехплечевого ферритового циркулятора приведена на фиг. 6. Частотные зависимости прямых потерь между соответствующими плечами трехплечевого ферритового циркулятора до настройки и после настройки показаны на фиг. 7. На фиг. 7 видно уменьшение прямых потерь между плечами 3п и 1п, которые не соответствовали норме, при использовании настоящего способа настройки. Частотные зависимости развязок между соответствующими плечами трехплечевого ферритового циркулятора до настройки (кривые 7, 8, 9, соответствующие плечам: 1п-2п, 2п-3п, 3п-1п) и после настройки (10, 11, 12, соответствующие плечам: 1п-2п, 2п-3п, 3п-1п) приведены на фиг. 8. На фиг. 8 видно увеличение развязок до нормы при использовании настоящего способа настройки между портами 2п и 1п и плечами 3п и 2п, которые до настройки не соответствовали норме. Средние электромагнитные характеристики партии полосковых трехплечевых ферритовых циркуляторов типа DROP IN с согласующим трансформатором, измеренные до и после настройки, приведены в таблице на фиг. 9.

Настоящий способ настройки позволяет компенсировать отклонение от расчетных значений волновых сопротивлений трехплечевого ферритового циркулятора с согласующим трансформатором и в целом сделать циркулятор более согласованным с трактом.

Использование: для настройки трехплечевого ферритового циркулятора с согласующим трансформатором. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют подачу измерительного сигнала в каждое плечо трехплечевого ферритового циркулятора, измерение электромагнитных характеристик каждого плеча, определение плеча трехплечевого ферритового циркулятора, электромагнитные характеристики которого не соответствуют заданным значениям, и доведение электромагнитных характеристик этого плеча до заданных значений изменением конфигурации электромагнитного поля в трехплечевом ферритовом циркуляторе, при этом изменение конфигурации электромагнитного поля в трехплечевом ферритовом циркуляторе осуществляют постепенным заполнением области плеча трехплечевого ферритового циркулятора, электромагнитные характеристики которого не соответствуют заданным значениям, диэлектрической пастой, содержащей 50-60 мас.% кремнийорганического герметика и 40-50 мас.% двуокиси титана TiO₂, при этом количество вводимой диэлектрической пасты увеличивают до тех пор, пока электромагнитные характеристики плеча трехплечевого ферритового циркулятора не достигнут заданного значения, и затем введенную диэлектрическую пасту высушивают. Технический результат: обеспечение возможности сокращения времени настройки трехплечевого ферритового циркулятора с согласующим трансформатором. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ настройки трехплечевого ферритового циркулятора с согласующим трансформатором, включающий подачу измерительного сигнала в каждое плечо трехплечевого ферритового циркулятора, измерение электромагнитных характеристик каждого плеча, определение плеча трехплечевого ферритового циркулятора, электромагнитные характеристики которого не соответствуют заданным значениям, и доведение электромагнитных характеристик этого плеча до заданных значений изменением конфигурации электромагнитного поля в трехплечевом ферритовом циркуляторе, отличающийся тем, что изменение конфигурации электромагнитного поля в трехплечевом ферритовом циркуляторе осуществляют постепенным заполнением области плеча трехплечевого ферритового циркулятора, электромагнитные характеристики которого не соответствуют заданным значениям, диэлектрической пастой, содержащей 50-60 мас.% кремнийорганического герметика и 40-50 мас.% двуокиси титана TiO₂, при этом количество вводимой диэлектрической пасты увеличивают до тех пор, пока электромагнитные характеристики плеча трехплечевого ферритового циркулятора не достигнут заданного значения, и затем введенную диэлектрическую пасту высушивают.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве электромагнитной характеристики плеча трехплечевого ферритового циркулятора измеряют коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВн).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве электромагнитной характеристики трехплечевого ферритового циркулятора измеряют прямые потери между сопряженными плечами трехплечевого ферритового циркулятора.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве электромагнитной характеристики трехплечевого ферритового циркулятора измеряют развязку между сопряженными плечами трехплечевого ферритового циркулятора.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу измерительного сигнала осуществляют анализатором цепей одновременно в каждое плечо трехплечевого ферритового циркулятора.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу измерительного сигнала осуществляют панорамным измерителем КСВн и ослабления поочередно в каждое плечо трехплечевого ферритового циркулятора, при этом свободные плечи подключают к согласованным нагрузкам.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу измерительного сигнала осуществляют панорамным измерителем КСВн и ослабления поочередно в каждое плечо трехплечевого ферритового циркулятора, при этом сопряженное плечо подключают к панорамному измерителю, а свободное плечо подключают к согласованной нагрузке.