Циркулятор Советский патент 1992 года по МПК H01P1/387 H01P1/39 

(Л

С

Изобретение относится к радиотехнике сверхвысоких частот. Циркулятор содержит многоплечее волноводное разветвление в Н-плоскости, в центре которого установлены намагниченный ферритовый диск 2 и трансформирующий элемент 4, выполненный в виде усеченного проводящего конуса, большее основание которого расположено на широкой стенке волноводного разветвления и выполнено с диаметром D Ai/2 + + Аа/2 , равным диаметру ферритового диска. Меньшее его основание гальванически соединено с концом токонесущего проводника 6 отрезка микрополосковой линии передачи, размещенного в одном из плеч волноводного разветвления. Диаметр меньшего основания трансформирующего элемента 4 die равен Хг/2. В циркуляторе обеспечивается расширение эксплуатационных возможностей за счет использования его в волноводно-микрополосковых СВЧ- трактах, а также увеличение развязки. 2 ил.

8

г. / / л

л /i-fc- - . . /////Л

У, Ч.

Р / /

/////////fy/А .,- , /&///// s

/ Vl 5 ; Г г

ш 2

А-А

8

. / / л

- - . . /////Л

/ /

О

сл

00

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в качестве развязывающего устройства в приемно-пере- дающих модулях СВЧ.

Известен трехплечий волноводный цир- кулятор СВЧ, содержащий поперечно намагниченный ферритовый диск и волнрводное V-образное сочленение.

Недостатком указанного волноводного циркулятора СВЧ являются ограниченные эксплуатационные возможности. Указанный циркулятор можно использовать только в волноводных СВЧ-трактах, а при использовании его в волноводно-микрополоско- вых СВЧ-схемах необходимо подключать сравнительно громоздкие волноводно-мик- рополосковые СВЧ-переходы, что увеличивает габариты, ухудшает электрические параметры и ограничивает эксплуатационные возможности прибора.

Наиболее близким к предлагаемому является циркулятор, содержащий многопле- чее волноводное разветвление в Н-плоскости, в центре которого на одной из широких стенок установлен поперечно намагниченный ферритовый диск с трансформирующим элементом, ось симметрии которого совпадает с осью симметрии ферритового диска.

Недостатки известного циркулятора обусловлены малой величиной развязки между каналами из-за того, что трансформирующий элемент выполнен в виде диэлектрического диска, а также высоким уровнем электромагнитных потерь прибора, из-за того, что при использовании известного циркулятора в схемах, собранных на разнотипных линиях передачи (волноводно- микрополосковых), требуется подключение волноводно-микрополоскового СВЧ-пере- хода.

Цель изобретения - уменьшение прямых потерь и увеличение развязки.

Поставленная цель достигается тем, что в циркулятор, содержащий многоплечее волноводное разветвление в Н-плоскости, в центре которого на одной из широких стенок установлен поперечно намагниченный ферритовый диск с трансформирующим элементом, ось симметрии которого совпадает с осью симметрии ферритового диска, по крайней мере в одно из плеч волноводного разветвления введен отрезок микропо- лосковой- линии передачи, толщина диэлектрической подложки которого равна высоте ферритового диска, а конец токонесущего проводника расположен на ферри- товом диске вдоль его радиуса, трансформирующий элемент выполнен в виде усеченного проводящего конуса, большее основание которого расположено на другой широкой стенке волноводного разветвления, а меньшее гальванически соединено с токонесущим проводником, при этом диаметры большего основания DK усеченного проводящего конуса и его меньшего основания dK соответственно равны:

Ок о-ф ф+|);

dK,

где AI - длина волны СВЧ-колебаний в линии, образованной широкой стенкой волноводного разветвления и меньшим

основанием трансформирующего элемента; Аа - длина волны СВЧ-колебаний в линии, образованной этой же широкой стенкой и боковой поверхностью трансформирующего элемента;

3ф - диаметр ферритового диска.

Введение по крайней мере одной мик- рополосковой линии, состоящей из диэлектрической подложки, расположенной в одной плоскости с ферритовым диском на

широкой стенке сочленения, и микрополо- скового токонесущего проводника, расположенного на диэлектрической подложке, а также выполнение трансформирующего элемента в виде усеченного металлического

конуса, большое основание которого установлено на широкой стенке волноводного сочленения, а меньшее гальванически связано с микрополосковым токонесущим проводником, позволяют обеспечить

однонаправленную электромагнитную связь между волноводными и хотя бы одной микрополосковой СВЧ-линией передачи и таким образом уменьшить электромагнитные потери циркулятора при использовании

его в волноводно-микрополосковых СВЧ- трактах без громоздких волноводно-микрополосковых подключающих устройств, ухудшающих электрические параметры и увеличивающих габариты прибора.

Конусообразная форма трансформирующего элемента совместно с широкой стенкой Y-образного сочленения выполняет функцию конической радиальной линии, обеспечивающей хорошее согласование между высокоомной волноводной СВЧ-линией передачи, т.е. волноводным плечом циркулятора и низкоомной СВЧ-линией, образованной малым основанием конуса и противоположной широкой стенкой волновода, зазор между которыми полностью заполней ферритом, и гальванически связанной с ней микрополосковой линией, Хорошее согласование СВЧ-линий передачи (волноводных и по крайней мере одной микрополосковой), образующих Y-образное

сочленение, обеспечивает работоспособность предлагаемого циркулятора СВЧ, Работоспособность циркулятора на заданной длине волны (Ai) обеспечивается за счет выбора высоты конуса равной расстоянию между ферритовым диском и противоположной широкой стеной сочленения, а диаметра меньшего основания конуса - равному Ai/2.

Увеличение развязки между каналами циркулятора обеспечивается за счет выбора диаметра ферритового диска равным диаметру большого основания конуса, составляющему (Ai/2 + А2/2), а высота конуса - равной расстоянию между ферритовым диском и противоположной широкой стенкой сочленения. Большая величина развязки обусловлена тем, что размер диаметра ферритового диска составляет (Ai/2 + Аа/2) и центральная часть его торцовой поверхности, имеющая диаметр Ai/2, соединена металлическим конусом с одной из широких поверхностей сочленения. Одинаковая вы сота ферритового диска и диэлектрической подложки обеспечивает низкий коэффициент отражения в плечах циркулятора, а следовательно, высокий уровень развязки.

Если высота металлического конуса меньше расстояния между ферритовым дй- скЪм и широкой стенкой сочленения, то происходит уменьшение величины развязки между каналами циркулятора из-за нарушения одномодового распространения поверхностей ферритовой волны в ферритовом диске, так как в этом случае уменьшается перепад волновых сопротивлений между СВЧ-линиями сочленения, одна из которых заполнена ферритом полностью, а другая - частично.

Если величина диаметра малого основания конуса не равна Ai/2,прибор становится неработоспосббным на заданной длине волны, так как в этом случае нарушается условие электродинамического резонанса в объеме ферритового диска, ограниченного малым основанием конуса.

Если диаметр ферритового диска не равен (Ai/2+A2/2), то величина развязки между каналами циркулятора уменьшается. Последнее связано, или с распространением в ферритовом диске высших типов волн, если диаметр больше (Ai/2 + А2/2), или с конечной составляющей СВЧ-поля по границе ферритового диска, ограниченного лым основанием конуса, если диаметр меньше (А1/2+А2/2).

На фиг.1 представлен циркулятор, вид сверху (без верхней широкой стенки волновода); на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1 (с верхней широкой стенкой волновода).

Циркулятор содержит Уюбразное сочленение 1 трех волноводных СВЧ-линий

передачи (НИ). В центре сочленения 1 на одной из его широких стенок 3 установлен поперечно намагниченный полем Не ферри- товый диск 2. В циркулятор входит трансформирующий элемент 4, ось 00 которого

совпадает с осью ферритового диска 2. Кроме того, циркулятор СВЧ содержит микро- полосковую линию, состоящую из диэлектрической подложки 5, расположенной на широкой стенке 3 сочленения 1.

Вдоль продольной оси LL1 диэлектрической подложки 5 расположен микрополосковый токонесущий проводник 6. Трансформирующий элемент 4 выполнен в виде усеченного металлического конуса. Больщее основание

7 конуса 4 установлено на широкой стенке 8 сочленения 1. Меньшее основание 9 конуса 4 гальванически связано с микрополоско- вым токонесущим проводником 6. При этом высота ферритового диска 2 равна высоте

диэлектрической подложки 5, диаметр ферритового диска 2 равен диаметру большего основания 7 конуса 4 и составляет (Ai/2 + + Аз/2), диаметр меньшего основания 9 конуса 4 равен At/2, а высота конуса 4 равна

расстоянию между ферритовым диском 2 и широкой стенкой 8 сочленения 1.

Циркулятор работает следующим обра- зом.

. При возбуждении одного из плеч циркулятора СВЧ сигнал за счет конусообразной формы трансформирующего элемента 4, выполняющего функцию конической радиальной линии, и за счет того, что расстояние от боковой поверхности ферритового диека 2

до меньшего основания 9 конуса 4 составляет Ai/4, практически без отражения поступает в намагниченный ферритовый диск 2. Последнее обусловлено тем, что радиальная линия обеспечивает высокий коэффициент

трансформации в широком диапазоне частот и, следовательно, хорошее согласование высокоомных волноврдных каналов Y-co- членения с низкоомной центральной частью этого сочленения, образованной малым основанием конуса и близлежащей широкой стенкой сочленения. Гальваническая связь токонесущего проводника б микрополоско- вой линии с меньшим основанием конуса 9 обеспечивает сильную электромагнитную

связь микрополосковой линии через трансформирующий элемент 4 с каналами I и II (фиг.1). Обеспечение сильной электромагнитной связи каналов Y-образного сочлене- ния с его центральной частью является

одним из условий работы циркулятора СВЧ. Кроме того, работоспособность Y-образно- го циркулятора в режиме объемных колебаний в феррите обеспечивает выполнение условия электродинамического резонанса в ферритовом резонаторе. В предлагаемой конструкции это условие достигается за счет выбора диаметра меньшего основания 9 конуса 4 равному Ai/2, а высота конуса 4 - равной расстоянию от ферритового дис- ка до противолежащей широкой стенки Y- образного сочленения. Предлагаемая конструкция циркулятора обеспечивает также работу прибора в режиме бегущей поверхностной ферритовой волны. Этот режим обеспечивается за счет значительного отличия волновых сопротивлений в СВЧ- линиях, одна из которых заполнена ферритом полностью, а другая - частично. Малая величина электромагнитных потерь и высокая величина развязки в этом режиме достигаются за счет ширины линии, частично заполненной ферритом, равной Я2/4. Для реализации режима поверхностной ферритовой волны требуется увеличить по сравнению с режимом объемных колебаний в феррите величину подмагничивающего поля. Известно, что циркулятор, работающий в режиме бегущей поверхностной ферритовой волны, по величине развязки между каналами значительно превосходит Y-об- разные циркуляторы, работающие на объемных колебаниях в ферритовом резонаторе. В предлагаемой конструкции циркулятора, работающего в режиме бегу- щей ферритовой поверхностной волны, увеличение величины развязки достигается за счет незначительной величины электрической составляющей СВЧ-поля на границе перепада волновых сопротивлений СВЧ-ли- ний, полностью и частично заполненных поперечно намагниченным ферритом, из-за ширины последней,равной А2/4. Таким образом, в предлагаемой конструкции циркулятора СВЧ сигнал в зависимости от направления внешнего подмагничивающего поля распространяется в направлении I I или I- III- -HI- I, т.е. из волноводного канала может поступать в микрополосковый канал и наоборот, при вы- сокой величине развязки (режим бегущей поверхностной ферритовой волны) и малых вносимых электромагнитных потерях и габаритах (без подключения волноводно-мик- рополоскового СВЧ-перехода).

Пример. Циркулятор СВЧ, собранный на Y-образном сочленении трех волновод- ных линий передачи. Сечение волновода 13x3,25 мм2. В центре Y-образного сочленения на одной из его широких стенок установлен поперечно намагниченный феррито- вый диск. Марка феррита 2СЧ-7. Размеры ферритового диска: диаметр 10 мм, толщина 0,5 мм. В одном из волноводных каналов сочленения расположена микрополосковая СВЧ-линия, содержащая диэлектрическую подложку толщиной 0,5 мм (материал - пол- икор) и микрополосковый проводник шириной 0,5 мм (50 Ом). Трансформирующий элемент выполнен в виде усеченного металлического конуса, диаметр большего основания которого равен 10 мм, а меньшего 3 мм, высота конуса 2,75 мм.

Описанный циркулятор в 2-сантиметровом диапазоне длин волн имеет величину развязки между каналами не менее 40 дБ, прямое затухание не более 0,5 дБ. Прибор обеспечивает циркуляцию СВЧ-сигнала с указанными параметрами между волновод- ными и микрополосковой СВЧ-линиями при габаритных размерах, не превышающих размеры известного устройства соответствующего диапазона, т.е. 30x30x20 мм.

Предлагаемый циркулятор по сравнению с известным позволяет увеличить вели- чину развязки на 15-20 дБ, снизить электромагнитные потери на 0,2 дБ за счет обеспечения возможности использования его в волноводно-микрополосковых СВЧ- трактах без подключения громоздких волноводно-микрополосковых СВЧ-переходов, а также использовать его в многоканальных СВЧ-системах за счет увеличения числа микрополосковых линий, токонесущий проводник которых гальванически связан с малым основанием конуса,

Формула изобретения Циркулятор, содержащий многоплечее волноводное разветвление в Н-плоскости, в центре которого на одной из широких стенок установлен поперечно намагниченный ферритовый диск с трансформирующим элементом, ось симметрии которого совпадает с осью симметрии ферритового диска, отличающийся тем, что, с целью уменьшения прямых потерь и увеличения развязки, по крайней мере в одно из плеч волноводного разветвления введен отрезок микрополосковой линии передачи, толщина диэлектрической подложки которого равна высоте ферритового диска, а конец токонесущего проводника расположен на ферритовом диске вдоль его радиуса, трансформирующий элемент выполнен в форме усеченного проводящего конуса, большее основание которого расположено на другой широкой стенке волноводного разветвления, а меньшее гальванически соединено с

токонесущим проводником, при этом диаметры большего основания DK усеченного проводящего конуса и его меньшего основания Ьк соответственно равны:

DK , (Ai/2+A2/2);

,

где Ai - длина волны СВЧ-колебаний в линии, образованной широкой стенкой вол но

водного разветвления и меньшим основанием трансформирующего элемента;

Лг - длина волны СВЧ-колебаний в ли- нии, образованной этой же широкой ртен- кой и боковой поверхностью трансформирующего элемента;

- диаметр ферритового диска.