ЦИРКУЛЯТОР Советский патент 1997 года по МПК H01P1/39 

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может быть использовано в волноводных фидерных трактах радиоэлектронной аппаратуры миллиметрового диапазона длин волн для электрической развязки цепей СВЧ высокого уровня мощности, а также для изменения направления канализации СВЧ-энергии высокого уровня, мощности (ВУМ) в качестве переключателя.

Известен волноводный циркулятор высокого уровня мощности миллиметрового диапазона, содержащий металлический трансформатор в виде выступа, размещенный в центре волноводного разветвления, ферритовый цилиндрический элемент, установленный с возможностью теплового контакта на металлическом трансформаторе, магнитную систему.

Такая конструкция циркулятора имеет малую электрическую прочность из-за наличия металлического выступа согласующего трансформатора, который уменьшает высоту стандартного волновода.

Известен также волноводный циркулятор миллиметрового диапазона, имеющий один или два металлических трансформатора выступа и два одинаковых вкладыша, установленных соосно в центре разветвления с зазором между ними с возможностью контакта с металлической поверхностью обоих ферритовых вкладышей, что позволяет получить эффективный теплоотвод.

Такая конструкция циркулятора также имеет малую электрическую прочность из-за наличия металлических выступов согласующих трансформаторов, что уменьшает высоту стандартного волновода и, следовательно, величину зазора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является волноводный турникетный циркулятор, выполненный в виде Y-разветвления прямоугольных волноводов в H-плоскости, содержащий цилиндрическое углубление в центре разветвления, ферритовый элемент, установленный в центре углубления. Такой циркулятор может эксплуатироваться при высоком уровне мощности. Недостатком циркулятора является ограниченность рабочей полосы частот, что обусловлено возбуждением в ферритовом элементе резонанса одного типа колебаний и высокой добротностью волноводного цилиндрического резонатора с ферритовым элементом. Недостатком циркулятора является также низкая электрическая прочность. Уменьшение электрической прочности обусловлено острыми кромками углубления и ферритового элемента, поскольку именно там происходит концентрация напряженности электрического поля в разветвлении.

Целью изобретения является повышение электрической прочности и увеличение полосы рабочих частот циркулятора ВУМ.

Указанная цель достигается тем, что циркулятор, содержащий Y-разветвление прямоугольных волноводов в H-плоскости, в направлении оси симметрии которого в одной из его стенок выполнено цилиндрическое углубление, намагниченный ферритовый диск, установленный на основании цилиндрического углубления соосно с ним, содержит диэлектрическую пластину, которая установлена на стенке Y-разветвления прямоугольных волноводов с перекрытием цилиндрического углубления и выполнена в форме диска или равносторонней треугольной призмы, а диэлектрическая проницаемость ε_п материала которой и толщина H выбраны из соотношений.

ε_п= ε_ф/(2,2-7,0), H = (0,03-0,08)λ_o.
где ε_ф диэлектрическая проницаемость намагниченного ферритового диска,
λ_o длина волны в свободном пространстве.

Диэлектрическая пластина с диэлектрической проницаемостью, меньшей диэлектрической проницаемости ферритового элемента, выполняет одновременно две функции: по уменьшению концентрации электрического поля в области ферритового элемента и острых кромок углубления и по уменьшению добротности. Указанные функции диэлектрическая пластина приобретает только при размещении ее без зазора широкой стенке разветвления и с возможностью полного перекрытия (закрытия) углубления, в котором размещен ферритовый элемент. Выполнение пластины в форме цилиндрического диска или лучше в форме равносторонней треугольной призмы дополнительно обеспечивает улучшение КСВН циркулятора и снижает его добротность.

На чертеже схематически изображен предлагаемый циркулятор, разрез. Циркулятор выполнен в виден трехплечего 120-градусного разветвления прямоугольных волноводов в H-плоскости (Y-разветвление). Позицией 1 обозначен корпус разветвления. В центре H-плоскостного Y-разветвления выполнено цилиндрическое углубление 2, в котором соосно с ним расположен ферритовый элемент 3. На широкой стенке волноводного разветвления установлена диэлектрическая пластина в форме цилиндрического диска 4, перекрывающего полностью углубление 2. Ось диска 4 совпадает с осью углубления. Диэлектрическая проницаемость диска 4 в несколько раз меньше диэлектрической проницаемости ферритового элемента. Разветвление имеет крышку 5. Магнитная система, намагничивающая ферритовый элемент 3 на чертеже не показана.

Циркулятор работает следующим образом. Импульсная СВЧ-мощность поступает в одно из плеч циркулятора, а затем в Y-разветвление. СВЧ-поле проникает через диэлектрическую пластину 4 в углубление 2 и взаимодействует с ферритовым элементом 3, намагниченным магнитной системой.

При соответствующем уровне магнитной индукции почти вся электромагнитная энергия будет поступать из выходного плеча, тогда как второе при этом оказывается изолированным. При изменении направления магнитной индукции на противоположное выходное и изолированное плечи меняются местами. При попадании электромагнитного поля в область разветвления диэлектрическая пластина 4 уменьшает концентрацию электрического поля в ферритовом вкладыше и на острой кромке углубления (пересечение углубления со стенкой), одновременно выравнивает волновое сопротивление подводящих волноводов и волноводного разветвления, а перекрытие диэлектрической пластиной волноводного резонатора (углубление 2 с ферритовым элементом 3) приводит к снижению его добротности, а следовательно, к увеличению полосы рабочих частот. При этом диэлектрическая проницаемость пластины ε_п должна быть меньше диэлектрической проницаемости ферритового элемента ε_ф (например, ε_п=2,2, ε_ф=12,0), так как при равенстве ε_п и ε_фп взаимодействие электромагнитного поля и феррита не происходит. Эксперименты показывают, что толщина пластины 4 H=(0,03-0,08)λ_o, где λ_o
длина волны СВЧ в свободном пространстве, ε_п должно быть в 2 7 раз меньше ε_ф.

Вариант выполнения пластины 4 в форме равносторонней треугольной призмы предполагает ориентацию углов призмы по осям Y-разветвления. Работа и свойства циркулятора при этом аналогичны случаю применения пластин в форме диска. За счет указанных признаков увеличиваются широкополосность и электрическая прочность циркуляра.

По сравнению с прототипом электрическая прочность предлагаемого циркулятора выше и более чем в 3 раза, а полоса рабочих частот в 1,5 2,0 раза.

Диэлектрическая пластина может быть выполнена в виде пластины, обладающей симметрией относительно разветвления волновода.

Изобретение может быть использовано для развязки цепей в технике СВЧ. Цель изобретения - повышение электрической прочности и расширение полосы рабочих частот. Устройство содержит Y-разветвление прямоугольных волноводов в H-плоскости, в центре которого в одной из стенок выполнено цилиндрическое углубление, на основании которого расположен намагниченный ферритовый диск с диэлектрической проницаемостью ε_ф. Введенная диэлектрическая пластина в форме диска или равносторонней треугольной призмы, установленная на стенке Y-разветвления с перекрытием цилиндрического углубления, уменьшает как концентрацию электрического поля в намагниченном ферритовом диске и на кромке цилиндрического углубления, так и добротность волноводного резонатора: цилиндрическое углубление - намагниченный ферритовый диск, что и обеспечивает достижение цели изобретения. При этом диэлектрическая проницаемость ε_п диэлектрической пластины и ее толщина H выбираются равными ε_п= ε_ф(2,2-7,0), H = (0,03-0,08)λ_o , где λ_o - длина волны. 1 ил.

Циркулятор, содержащий Y-разветвление прямоугольных волноводов в Н-плоскости, в направлении оси симметрии которого в одной из его стенок выполнено цилиндрическое углубление, намагниченный ферритовый диск, установленный на основании цилиндрического углубления соосно с ним, отличающийся тем, что, с целью повышения электрической прочности и расширения полости рабочих частот, введена диэлектрическая пластина, которая установлена на стенке Y-разветвления прямоугольных волноводов с перекрытием цилиндрического углубления и выполнена в форме диска или равносторонней треугольной призмы, а диэлектрическая проницаемость ε_п материала которой и толщина Н выбраны из соотношений
ε_п= ε_ф/(2,2-7,0),
H = (0,03-0,08)λ_o,
где ε_ф диэлектрическая проницаемость намагниченного ферритового диска;
λ_o длина волны в свободном пространстве.