Волноводный ферритовый вентиль Российский патент 2024 года по МПК H01P1/36 

Изобретение относится к технике СВЧ и служит для развязки нагрузки и источников электромагнитных колебаний. Например, может быть использовано в качестве развязывающего устройства в приемопередающих модулях СВЧ.

Известны волноводные резонансные вентили и вентили на «смещении поля», в которых в качестве ферритового элемента используется довольно толстая пластина, покрытая с одной стороны поглощающим слоем. Длина подобных конструкций достигает более 2⋅λ, где λ - рабочая длина волны вентиля. Большие габариты вентилей ограничивают их использование в связной аппаратуре миллиметрового диапазона длин волн.

Например, вентиль, содержащий отрезок Н-образного волновода, включающий высокоомную и низкоомную части, и намагниченные ферритовые вкладыши (а.с. №1477197 СССР, МКИ H01P 1/38. Вентиль / Кирсанов Ю.А., Лесин В.С., Шалаев В.С., Соколов А.Н.; опубл. 23.05.91 бюл. №19). Недостатками этого технического решения являются большой вес постоянного магнита и самого вентиля, а также усложнение технологии изготовления в миллиметровом диапазоне длин волн.

Другой ферритовый вентиль, содержащий отрезок прямоугольного волновода, ферритовый элемент и поглощающую нагрузку, выполненную в виде полупроводниковой пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку. С целью уменьшения габаритов, ферритовый элемент выполнен в виде намагниченного столбика, расположенного асимметрично по отношению к оси волновода, а поглощающая нагрузка расположена на узкой стенке прямоугольного волновода, напротив ферритового элемента. (а.с. №178872 СССР, МКИ H01P 1/37. Волноводный ферритовый вентиль / Наумов И.А., Столяров А.К.; опубл. 03.11.66 бюл. №4). Однако известная конструкция вентиля обеспечивает низкую развязку (вход/выход) и отсутствие возможности настройки устройства.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является волноводный ферритовый вентиль, содержащий 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 λ(0,25…2). Зауженный конец поглощающей нагрузки может иметь выемку, частично охватывающую ферритовый резонатор. (Пат. №2168247 Российская Федерация, МПК H01P 1/37. Волноводный ферритовый вентиль / Оснос В.М., Матулоиц А.В.; опубл. 27.02.2001, Бюл. №15). Недостатком этой конструкции является увеличение потерь в направлении передачи (прямые потери) за счет расположения нагрузки на расстоянии 0,5…5 мм от ферритового резонатора. Усложняется технология изготовления конструкции в миллиметровом диапазоне длин волн, поскольку λ пропорциональна линейным размерам устройства.

Заявляемое изобретение направлено на устранение недостатков аналогов и прототипа.

Технический результат предлагаемого решения состоит в упрощении конструкции вентиля и уменьшении массогабаритных параметров, расширении его рабочей полосы частот и повышении его температурной стабильности, улучшении развязки между СВЧ-выводами вентиля, уменьшении прямых потерь и КСВ.

Технический результат достигается тем, что в волноводном ферритовом вентиле, содержащем сочленение прямоугольных волноводов в Н-плоскости, один из которых является нагрузочным, намагниченный ферритовый элемент, поглощающую нагрузку, установленную в нагрузочном волноводе, при этом прямоугольные волноводы интегрированы в диэлектрическую подложку, образуя Y-образное сочленение, а входной и выходной волноводы расположены под углом α друг к другу; ферритовый элемент выполнен в виде эллипсоида, эксцентриситет е которого связан с углом α соотношением:

,

поглощающая нагрузка и ферритовый элемент имеют высоту, равную толщине диэлектрической подложки, при этом поглощающая нагрузка расположена напротив ферритового элемента под углом Брюстера, а материал диэлектрической подложки с относительной диэлектрической проницаемостью ε₁ выбирается из условия ε₁≤ε₂, где ε₂ - относительная диэлектрическая проницаемость ферритового элемента.

Сущность технического решения заключается в следующем. Сформированный прямоугольный волновод в диэлектрической подложке путем расположения металлизированных сквозных отверстий, соединяющих металлические пластины подложки, имеет характеристики направленной волны и моды, аналогичные классическим металлическим прямоугольным волноводам. Однако ширина таких волноводов в раз меньше классических волноводов, а высота волновода соответствует толщине диэлектрической подложки, при этом прямоугольное поперечное сечение линии обеспечивает преимущество с точки зрения потерь (превосходную невосприимчивость к потерям на излучения и низкие прямые потери). Уменьшение массогабаритных параметров вентиля позволяет использовать их для приложений миллиметрового диапазона длин волн. Интеграция компонентов вентиля в одну подложку гарантирует простоту изготовления (по недорогой массовой технологии печатных плат), надежность и компактность.

Y-образное сочленение интегрированных в подложку волноводов обеспечивает лучшие электрические параметры (развязку, прямые потери, относительную полосу рабочих частот, КСВ) вентиля, чем T- или V- образное сочленение. К тому же, настройка Y-образного вентиля проще.

Продольные оси отрезков входного и выходного волноводов расположены в одной плоскости под углом α друг к другу. Центры симметрии их излучающих торцов совпадают с фокусами эллипсоида (ферритового элемента). Свойства эллипсоида, применительно к рассматриваемому ферритовому элементу, обеспечивают пересечение электромагнитных волн, исходящих из одного из фокуса в другом фокусе, а также постоянство суммы расстояний от каждой точки поверхности ферритового элемента до фокальных точек, что обеспечивает равенство набега фазы для всех волн, пришедших во второй фокус. Поэтому совмещение излучающих торцов с фокусами эллипсоида (ферритового элемента) при соответствующей ориентации продольных осей волноводов, позволяет осуществлять передачу энергии из входного волновода в выходной с незначительными потерями.

К тому же, при работе в многомодовом режиме такое расположение волноводов обуславливает минимальное возбуждение паразитных типов волн, а, следовательно, обеспечивает минимизацию потерь на преобразование рабочей волны и высшие моды.

Произвольный выбор эксцентриситет эллипсоида, в форме которого выполнен ферритовый элемент, для заданного угла между осями волноводов, приводит к неоптимальному с точки зрения потерь энергии построению Y-образного сочленения волноводов, вследствие существенного влияния параметров эллипсоидного ферритового элемента на характеристики устройства. Для уменьшения прямых потерь в Y-образном сочленении угол α должен быть связан с эксцентриситетом е соотношением: .

Высота ферритового элемента соответствует толщине диэлектрической подложки, при этом относительные диэлектрические проницаемости подложки и феррита выбираются из условия ε₁≤ε₂. Данное условие позволяет улучшить однородность поля в направлении распространения волны и усилить концентрацию СВЧ-поля в ферритовом элементе. Поскольку полоса рабочих частот пропорциональна той площади ферритового элемента, в которой возбуждены магнитные поля, то благодаря взаимодействию основной части СВЧ-энергии с областью феррита, СВЧ-сигнал с малым затуханием (прямые потери) в более широкой полосе частот поступает на выход вентиля.

Для расширения рабочей полосы вентиля увеличивают величину подмагничивающего поля. Диэлектрическая подложка в конструкции вентиля способствует повышению температурной стабильности и устойчивости его характеристик к изменению величины подмагничивающего поля благодаря интеграции в нее ферритового элемента, обеспечивая контакт по всей площади феррита и отведение тепловых потоков от него по всей площади вентиля.

В обратном направлении сигнал не распространяется из-за наличия поглощающей нагрузки, расположенной напротив ферритового элемента под углом Брюстера: , где ε₃ - относительная диэлектрическая проницаемость материала поглощающей нагрузки. Угол Брюстера позволяет добиться минимального отражения электромагнитной волны на границе раздела двух диэлектриков - подложка и поглощающая нагрузка, что в свою очередь улучшает согласование входного и выходного волноводов вентиля, а значит, снижается КСВ и увеличивается развязка вход/выход вентиля. Объемная поглощающая нагрузка, высота которой соответствует толщине диэлектрической подложки, также способствует улучшению развязки между СВЧ-выводами вентиля и уменьшению его габаритов. Так как в классических конструкциях вентиля чаще всего используется поглощающая резистивная пленка, которая увеличивает его габариты. В предлагаемом техническом решении для полного поглощения мощности прошедшей волны и обеспечение требуемой развязки используется весь объем радиопоглощающего материала. Таким образом, длина нагрузочного волновода и поглощающей нагрузки уменьшаются.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлены вид сверху без верхней металлизации заявляемого волноводного вентиля и сечение в центре конструкции заявляемого вентиля, где:

- прямоугольный входной волновод вентиля - 1,

- прямоугольный выходной волновод вентиля - 2,

- нагрузочный волновод - 3,

- ферритовый элемент - 4,

- поглощающая нагрузка - 5,

- диэлектрическая подложка - 6.

На фиг. 2 приведет график S-параметров вентиля в Ka-диапазоне частот, где: сплошная линия - параметры прототипа, пунктирная линия - заявляемого устройства. В миллиметровом диапазоне частот конструкция предлагаемого вентиля обеспечивает электрические параметры лучше, чем прототипа: по прямым потерям - в 2 раза меньше, по развязке на 8 дБ выше, КСВ - на 0,5 меньше.

Устройство работает следующим образом. Входная электромагнитная волна поступает в прямоугольный волновод 1 (вход вентиля), интегрированный в диэлектрическую подложку 6, и распространяется в нем в направлении к центру сочленения волноводов, где расположен ферритовый элемент 4. В ферритовом элементе 4 электромагнитная волна концентрируется с образованием стоячей волны, поворачивается под действием подмагничивающего поля, создаваемого магнитной системой, и излучается из него в волновод 2 (выход вентиля) с малыми потерями. В обратном направлении электромагнитная волна из волновода 2 проходит аналогично прямой волне к ферритовому элементу 4, в котором она сосредотачивается с образованием стоячей волны, поворачивается и излучается в нагрузочный волновод 3. Благодаря объемной поглощающей нагрузке 5 происходит эффективное поглощение электромагнитной волны в нагрузочном волноводе 3 и ее почти полное затухание. Размещение поглощающей нагрузки 5 под углом Брюстера позволяет увеличить развязку волноводов 1 (вход) и 2 (выход) вентиля, уменьшить КСВ, поскольку отраженная от поглощающей нагрузки 5 электромагнитная волна полностью поляризована и взаимно перпендикулярна с преломленной волной, распространяющейся в поглощающей нагрузке 5. За счет обеспечения контакта диэлектрической подложки 6 и ферритового элемента 4 по всей его площади удается подобрать размеры ферритового элемента 4 и подмагничивающее поле такими, чтобы увеличить рабочую полосу частот вентиля. Интеграция волноводов 1, 2 и 3, ферритового элемента 4 и поглощающей нагрузки 5 в диэлектрическую подложку 6 позволила уменьшить массогабаритные параметры вентиля, упростить его изготовление, а также расшить рабочий диапазон частот.

Пример исполнения. Экспериментальный образец волноводного ферритового вентиля в Ka-диапазоне частот. Отрезки волноводов прямоугольного сечения 1,7×2 мм, интегрированные в диэлектрическую подложку Rogers RO4003, представляют Y-образную линию передачи, созданную двумя рядами металлических межслойных переходов, которые обеспечивают электрическое соединение двух параллельных металлических пластин, ограничивающих диэлектрическую подложку. Толщина диэлектрической подложки 2 мм, относительная диэлектрическая проницаемость подложки ε₁=3,55 и теплопроводность 2 Вт/мК. Угол между входным и выходным волноводами α=105 градусов, а их длины составляют 1,5 мм, длина нагрузочного волновода - 2 мм. Ферритовый элемент выполнен в виде эллипсоида с эксцентриситетом е=0.7933 (вертикальный радиус равен 0,75 мм, горизонтальный радиус - 1,23 мм) и высотой 2 мм из материала, разработанного в АО «НПП «Исток» им. Шокина», никель-цинковая шпинель с относительной диэлектрической проницаемостью ε₂=13, тангенсом угла суммарных потерь tg(δ)Σ=1,5⋅10^-3 и намагниченностью насыщения 4πM_s=380 кА/м. Относительная диэлектрическая проницаемость поглощающей нагрузки ε₃=18, тангенс угла суммарных потерь tg(δ)Σ=0,250. Поглощающая нагрузка выполнена в форме прямоугольной трапеции с основаниями 1,2 мм и 1,6 мм, боковой стороной прямоугольной трапеции, перпендикулярной основаниям - 1,5 мм. Боковая сторона трапеции, не являющаяся перпендикулярной основаниям, образует угол Брюстера ϕ_Б=66,05° на границе раздела двух сред: относительной диэлектрической проницаемостью поглощающей нагрузки (ε₃) и относительной диэлектрической проницаемостью подложки (ε₁).

Общие габариты волноводного ферритового вентиля в Ka-диапазоне частот составляют 3×3,5×2 мм. Вентиль работает в диапазоне частот 30-35 ГГц, обеспечивая развязку 23 дБ, прямые потери не более 0,5 дБ и КСВ 1,07. Полученные характеристики разработанного вентиля приведены на фиг. 2.

Таким образом, изготовление и испытание опытных образцов подтверждает заявленный технический результат.

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности к развязывающим устройствам. Волноводный ферритовый вентиль содержит сочленение прямоугольных волноводов в Н-плоскости, один из которых является нагрузочным, намагниченный ферритовый элемент, поглощающую нагрузку, установленную в нагрузочном волноводе. Прямоугольные волноводы интегрированы в диэлектрическую подложку, образуя Y-образное сочленение, а входной и выходной волноводы расположены под углом α друг к другу; ферритовый элемент выполнен в виде эллипсоида, эксцентриситет е которого связан с углом α соотношением: . Поглощающая нагрузка и ферритовый элемент имеют высоту, равную толщине диэлектрической подложки, при этом поглощающая нагрузка расположена напротив ферритового элемента под углом Брюстера, а материал диэлектрической подложки с относительной диэлектрической проницаемостью ε₁ выбирается из условия ε₁≤ε₂, где ε₂ - относительная диэлектрическая проницаемость ферритового элемента. Технический результат - упрощение конструкции вентиля, уменьшение массогабаритных параметров, расширение его рабочей полосы частот, повышение его температурной стабильности, улучшение развязки между СВЧ-выводами вентиля, уменьшение прямых потерь и КСВ. 2 ил.

Волноводный ферритовый вентиль, содержащий сочленение прямоугольных волноводов в Н-плоскости, один из которых является нагрузочным, намагниченный ферритовый элемент, поглощающую нагрузку, установленную в нагрузочном волноводе, отличающийся тем, что прямоугольные волноводы интегрированы в диэлектрическую подложку, образуя Y-образное сочленение, при этом входной и выходной волноводы расположены под углом друг другу, а ферритовый элемент выполнен в виде эллипсоида, эксцентриситет е которого связан с углом α соотношением: ,

поглощающая нагрузка и ферритовый элемент имеют высоту, равную толщине диэлектрической подложки, при этом поглощающая нагрузка расположена напротив ферритового элемента под углом Брюстера, а материал диэлектрической подложки с относительной диэлектрической проницаемостью выбирается из условия ≤ , где – относительная диэлектрическая проницаемость ферритового элемента.