Волноводный Y-циркулятор с дисками-вкладышами из магнитных наночастиц на основе опаловых субмикронных сфер Российский патент 2024 года по МПК H01P1/38 B82Y30/00 

Изобретение относится к области техники СВЧ и может быть использовано в качестве развязывающего устройства в радиотехнических средствах, т.е. предназначено для направленной передачи высокочастотной энергии, от передающей системы к антенно-волноводной системе и направленной передачи отраженной энергии в приемную систему. Конкретное изобретение относится к области создания Y-циркуляторов с дисками-вкладышами из магнитных нанокомпозитов на основе опаловых матриц.

Качество работы циркуляторов определяется такими параметрами как прямые потери и коэффициент отражения, которые необходимо уменьшить, чтобы уменьшить потери мощности передаваемой высокочастотной энергии и улучшить коэффициент стоячей волны высокочастотного канала, а также желательно увеличить диапазон рабочих частот.

Отдаленным аналогом для заявляемого изобретения является высокочастотный Y-циркулятор, в котором ферромагнитный, металлический и диэлектрический материалы выполнены в виде микрополосковых линий, причем толщина металлического слоя выбирается меньше, чем глубина скин-слоя. [WO 2006110744 (А2)].

Недостаток устройства заключается в необходимости использовать сложную тонкопленочную технологию для изготовления элементов.

Более близким аналогом является высокочастотный Y-циркулятор, с корпусом в виде призмы с тремя входными плечами для соединения с прямоугольными волноводами, при этом внутри корпуса в центре расположена диэлектрическая вставка с цилиндрическим вкладышем из феррита марки 2СЧ1 [Сверхвысокочастотные приборы и элементы» Проспект ОАО «Завод Магнетон» стр. 31., модель ФВЦН2-120-4, Санкт-Петербург, март 2011].

К недостаткам Y-циркулятора с вкладышем из феррита марки 2СЧ1 следует отнести недостаточно широкую полосу рабочих частот, значительные прямые потери и коэффициент отражения, недостаточную развязку между каналами при прохождении высокочастотной энергии.

Еще более близким к заявляемому является высокочастотный Y-циркулятор с цилиндрическим вкладышем из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы, с корпусом в виде призмы с тремя входными плечами для соединения с прямоугольными волноводами, с диэлектрической вставкой внутри корпуса в центре которой расположен цилиндрический вкладыш из магнитного материала, в качестве магнитного материала используют нанокомпозиты на основе опаловой матрицы [RU 153042 U1].

Достоинство данного технического решения заключается в увеличении в сравнении с предыдущей моделью ширины диапазона рабочих частот Y-циркулятора, снижения прямых потерь, улучшения коэффициента отражения, увеличения развязки между каналами при прохождении высокочастотной энергии.

Недостатком данного технического решения является, то что Y-циркулятор с корпусом в виде призмы на сегодняшний день не обеспечивает требуемой ширины диапазона рабочих частот циркулятора, необходимых прямых потерь и коэффициента отражения, а также развязки между каналами при прохождении высокочастотной энергии, в связи с чем был снят с производства ввиду его морального устаревания.

В качестве прототипа выбран волноводный Y-циркулятор представляющий три прямоугольных волновода, соединенных между собой под углами 120°. В центре сочленения волноводов размещаются два намагниченных ферритовых диска-вкладыша марки М1СЧ2Г, находящиеся на металлических теплопоглощающих платформах, [domen.ru, модель ФВЦН2-29].

К недостаткам Y-циркулятора с ферритовыми дисками-вкладышами марки М1СЧ2Г следует отнести недостаточную ширину диапазона рабочих частот, значительные прямые потери, недостаточную развязку между каналами при прохождении высокочастотной энергии и значительный коэффициент отражения.

Таким образом, задачей, на решение которой направлена заявляемое изобретение, является улучшение высокочастотных параметров Y-циркулятора.

Параметры Y-циркулятора в значительной степени определяются свойствами магнитного материала из которого выполнены диски-вкладыши.

Решение задачи достигается заменой в Y-циркуляторе дисков-вкладышей марки М1СЧ2Г на диски-вкладыши из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы, намагниченных в плоскости, параллельной оси симметрии циркулятора.

Диски-вкладыши изготовлены из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы с периодической структурой субмикронных сфер SiO₂ с диаметром от 200 до 280 нм, содержащей в межсферических пространствах опаловой матрицы наночастицы - Co₈₀Ni₂₀. Размер субмикронных сфер ограничивает размер наночастиц, помещенных в межсферические пространства до 50 нм.

Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и тем более не ограничивают весь объем притязаний данного изобретения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:

- на фиг.1 представлена схема Y-циркулятора с дисками-вкладышами из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы

- на фиг.2 показан образец дисков-вкладышей из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы с наночастицами Co₈₀Ni₂₀;

- на фиг.3 отображена зависимость развязки (|S₃₁|) между каналами Y-циркулятора с дисками-вкладышами из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы от частоты (сплошная линия - Y-циркулятор с дисками-вкладышами из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы, пунктирная линия - Y-циркулятор с ферритовыми дисками-вкладышами марки М1СЧ2Г);

- на фиг.4 отображена зависимость прямых потерь (|S₂₁|) Y-циркулятора с дисками-вкладышами из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы от частоты (сплошная линия - Y-циркулятор с дисками-вкладышами из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы, пунктирная линия - Y-циркулятор с ферритовыми дисками-вкладышами марки М1СЧ2Г);

- на фиг.5 отображена зависимость коэффициента отражения (|S₁₁|) Y-циркулятора с дисками-вкладышами из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы от частоты (сплошная линия - Y-циркулятор с дисками-вкладышами из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы, пунктирная линия - Y-циркулятор с ферритовыми дисками-вкладышами марки М1СЧ2Г);

- на фиг.6 отображена зависимость компонент тензора эффективной магнитной проницаемости нанокомпозитов от постоянного магнитного поля ƒ = 16,4 ГГц; магнитные наночастицы Co₈₀Ni₂₀;

- на фиг.7 показаны теоретические и экспериментальные зависимости развязки между каналами Y-циркулятора с дисками-вкладышами из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы от частоты (сплошная линия - эксперимент, пунктирная линия - теория).

Конструкция Y-циркулятора с дисками-вкладышами из магнитного материала представлена на фиг.1. Y-циркулятор состоит из корпуса 1 Т-образной формы, трех прямоугольных волноводов 2, 3, 4 расположенных под углами 120° соединенные с линиями передачи 5 из которых поступает высокочастотная энергия для прохождения через Y-циркулятор. Внутри корпуса 1 в центре размещены два диска-вкладыша 6 из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы намагниченные в плоскости, параллельной оси симметрии циркулятора, находящиеся на металлических теплопоглощающих платформах 7.

Принцип работы Y-циркулятора с дисками-вкладышами из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы основан на использовании явления невзаимных свойств намагниченных дисков-вкладышей из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы, помещенных в трехплечее волноводное разветвление.

Y-циркулятор с дисками-вкладышами из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы работает следующим образом. Высокочастотная энергия, подведенная к волноводу 2, распространяется в направлении к дискам-вкладышам из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы. На участке волновода с дисками-вкладышами 6 из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы распространяющаяся волна распадается на две волны, одна из которых левая обегает диски-вкладыши из магнитных нанокомпозитов по часовой стрелке, а другая правая - против часовой стрелки. Так как направление вращения вектора магнитного поля волны относительно центра в правой и левой половине волновода противоположно, то магнитная проницаемость дисков-вкладышей из магнитных нанокомпозитов для волн, обегающих его слева и справа, различна. Это обуславливает различие в коэффициентах распространения. Размеры дисков-вкладышей из магнитных нанокомпозитов 6, величину постоянного магнитного поля выбираем таким образом, чтобы разность фаз этих волн в плече 3 была равна 0, а в плече 4 равна 180°. Следовательно, при подаче высокочастотной энергии в волновод 2 она передается только в волновод 3. Та как Y-циркулятор обладает поворотной симметрией, то передача высокочастотной энергии со входа 3 осуществляется на вход 4 и со входа 4 на вход 2, т.е. реализована последовательность передачи высокочастотной энергии: 2-3-4-1.

Заявляемое изобретение основано на результатах проведенных экспериментальных и теоретических исследований.

При экспериментальных исследованиях в Y-циркуляторе ферритовые диски-вкладыши марки М1СЧ2Г заменялись на вкладыши из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы.

Зависимости развязок (элемент матрицы рассеяния |S₃₁|) между каналами Y-циркулятора с дисками-вкладышами из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы (диаметр дисков-вкладышей d_ф = 6,96 мм, высота h = 0,86 мм) показаны на фиг.3. Для сравнения на фиг.3 приведена кривая для дисков-вкладышей из феррита марки М1СЧ2Г. Y-циркулятор с дисками-вкладышами из магнитных нанокомпозитов настраивался на рабочую частоту 16,4 ГГц при напряженности внешнего магнитного поля равного Н_вн = 1310 Э.

На фиг.4 и фиг.5 приведены зависимости прямых потерь (|S₂₁| - элемент матрицы рассеяния), коэффициента отражения (|S₁₁|) Y-циркулятора с дисками-вкладышами из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы от частоты. Для сравнения приведены кривые для дисков-вкладышей из феррита марки М1СЧ2Г.

Из графиков на фиг.3-5 видно, что Y-циркулятор с дисками-вкладышами из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы имеет лучшие параметры, чем с вкладышами из феррита марки М1СЧ2Г. Циркулятор имеет более широкий диапазон рабочих частот, меньшие прямые потери, лучшую развязку между каналами, меньший коэффициент отражения, а, следовательно, и коэффициент стоячей волны.

Теоретические исследования Y-циркулятора с дисками-вкладышами из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы проведены при помощи проекционной модели [Никольский, В.В. Проекционные методы в электродинамике / В.В. Никольский // Сборник научно-методических статей по прикладной электродинамике. - М.: Высшая школа, 1977. - С. 4-23]. В математической модели Y-циркулятор на частоту ƒ_с=16,4 ГГц настраивали путем изменения значений компонент тензора магнитной проницаемости магнитного нанокомпозита между которыми существует зависимость, ее можно получить, применяя зависимость намагниченности от постоянного магнитного поля М = ƒ(H₀) и выражения Полдера [Гуревич, А.Г. Ферриты на сверхвысоких частотах / А.Г. Гуревич. - М.: Гос.изд. физ.-мат.литер. 1960. - 407 с] для компонент тензора магнитной проницаемости. Для магнитных нанокомпозитов такая зависимость отсутствует, т.к. производство магнитных нанокомпозитов является экспериментальным. Зависимость диагональной и недиагональной компонент тензора магнитной проницаемости нанокомпозита от напряженности постоянного магнитного поля получена теоретически (фиг.6) по методике, изложенной в [Голованов, А.А. Математическое моделирование невзаимных устройств СВЧ на основе магнитных нанокомпозитов / О.А. Голованов, Г.С.Макеева, Д.Н.Ширшиков // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2014. - №1. - С.32-39.]. В расчете принято, что в каждом межсферическом объеме опаловой матрицы содержится 5 частиц магнитных нанокомпозитов с диаметром d = 27,7 нм. Частицы имеют среднюю намагниченность 4πM_s = 15356 Гс, диэлектрическую проницаемость и коэффициент затухания в магнитной системе α = 0,005.

В математической модели «настройка» на частоту 16,4ГГц происходит при значениях На фиг.7 показаны теоретические и экспериментальные зависимости развязки между плечами от частоты. Наблюдается совпадение результатов. Используя выражения Полдера [Гуревич, А.Г. Ферриты на сверхвысоких частотах / А.Г. Гуревич. - М.: Гос.изд. физ.-мат.литер. 1960. - 407 с] для компонент тензора магнитной проницаемости определяем намагниченность и внешнее постоянное магнитное поле, которое составляет Н_в=1350 Э, что согласуется с экспериментом (Н_в=1310 Э).

Из графиков на фиг.3, 4, 5, 7 видно, что Y-циркулятор с дисками-вкладышами из магнитных нанокомпозитов обладает лучшими параметрами, чем циркулятор с дисками-вкладышами из феррита марки М1СЧ2Г.

Таким образом, основным техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, являются более широкий диапазон рабочих частот, меньшие прямые потери, лучшая развязка между каналами, меньший коэффициент отражения.

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в качестве развязывающего устройства в радиотехнических средствах, т.е. предназначено для направленной передачи высокочастотной энергии от передающей системы к антенно-волноводной системе и направленной передачи отраженной энергии в приемную систему. В Y-циркуляторе с дисками-вкладышами из магнитного материала с корпусом Т-образной формы с тремя прямоугольными волноводами, расположенными под углами 120°, соединенными с линиями передачи, внутри корпуса в центре размещены два диска-вкладыша из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы, намагниченные в плоскости, параллельной оси симметрии циркулятора, находящиеся на металлических теплопоглощающих платформах. Диски-вкладыши изготовлены из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы с периодической структурой субмикронных сфер SiO₂ с диаметром от 200 до 280 нм, содержащей в межсферических пространствах опаловой матрицы наночастицы - Co₈₀Ni₂₀ размером до 50 нм. Технический результат - расширение диапазона рабочих частот, уменьшение прямых потерь, увеличение развязки между каналами, уменьшение коэффициента отражения. 7 ил.

Y-циркулятор с дисками-вкладышами из магнитного материала с корпусом Т-образной формы с тремя прямоугольными волноводами, расположенными под углами 120°, соединенными с линиями передачи, содержащий в корпусе в центре два диска-вкладыша из магнитных нанокомпозитов на основе опаловой матрицы, намагниченные в плоскости, параллельной оси симметрии циркулятора, находящиеся на металлических теплопоглощающих платформах, при этом в качестве магнитного нанокомпозита используют опаловую матрицу с периодической структурой субмикронных сфер SiO₂ с диаметром от 200 до 280 нм, содержащую в межсферических пространствах наночастицы – Co₈₀Ni₂₀ размером до 50 нм, отличающийся тем, что диаметр дисков-вкладышей составляет 6,96 мм, высота дисков составляет 0,86 мм, а частицы имеют коэффициент затухания 0,005.