Вентиль СВЧ Советский патент 1992 года по МПК H01P1/38 

Изобретение относится-к технике СВЧ и может быть использовано в качестве развязывающего устройства в приемных и передающих СВЧ модулях.

Известен вентиль СВЧ, содержащий отрезок СВЧ линии передачи и поперечно намагниченный прямоугольный ферритовый вкладыш.

Недостатком известного вентиля СВЧ является малая величина обратного затухания, большой уровень электромагнитных потерь и большие габаритные размеры вентиля.

Наиболее близким техническим решением к описываемому изобретению является выбранный в качестве прототипа вентиль СВЧ, содержащий отрезок запредельного прямоугольного волновода, внутри которого вдоль узкой стенки установлен, по крайней мере, один прямоугольный ферритовый вкладыш, и два прямоугольных магнита, расположенных на наружных широких стенсл

ках волновода и намагничивающих ферри- f товый вкладыш в поперечном направлении, j

Недостатком известного вентиля СВЧ 5 является сравнительно малая величина обратного затухания и узкая рабочая полоса частот. Указанные недостатки обусловлены слабой трансформацией основного типа м волны (поверхностной ферритовой волны) в О4 быстрозатухающие спиновые волны, воз- Јь буждающиеся вблизи границы феррит-металл из-за однородной магнитной компоненты СВЧ поля и однородной намаг- frt ниченности в слое феррита, прилегающего « к указанной границе.

Целью изобретения является увеличение обратного затухания и снижение уровня отраженного сигнала вентиля СВЧ.

Поставленная цель достигается тем, что в вентиле СВЧ, содержащем отрезок запредельного прямоугольного волновода, внутри которого вдоль узкой стенки установлен, по крайней мере, один прямоугольный ферритовый вкладыш и два прямоугольных магнита, расположенных на наружных широких стенках волновода и намагничивающих ферритовый вкладыш в поперечном направлении, согласно изобретению, на внешней боковой поверхности магнита расположена с возможностью перемещения вдоль поперечной оси прямоугольная пластина из маг; нитного материала, продольная ось которой параллельна оси волновода, при этом внешняя боковая поверхность магнита и боковая поверхность ферритового вкладыша, обращенная к узкой стенке волновода, размещены в одной плоскости, длина пластины равна длине ферритового вкладыша, а толщина d выбрана в пределах:

0,03 /2,

где АО средняя длина рабочего диапазона длин волн;

АС наибольшая длина спиновой волны.

Увеличение обратного затухания и снижение уровня отраженного сигнала вентиля СВЧ достигается путем создания условий активной трансформации электромагнитной поверхностной ферритовой волны (волны низшего типа), распространяющейся в обратном направлении, в быстро затухающие спиновые волны. Эффективное возбуждение спиновых волн обусловлено резким. увеличением градиента намагниченности ферритового слоя, прилегающего к стенкам волновода, в области концентрации СВЧ тока обратной ПФЗ. Это происходит за счет введения в магнитную систему, по крайней мере, одной прямоугольной пластины из магнитного материала, расположенной на внешней боковой поверхности магнита, находящейся в одной плоскости с боковой поверхностью ферритового вкладыша, обращенной к узкой стенке волновода.

Расположение продольной оси пластины параллельно оси волновода и одинаковая длина пластины и ферритового вкладыша обеспечивает одинаковый градиент намагниченности по всей длине ферритового слоя, прилегающего к стенкам волновода в области концентрации СВЧ тока обратной поверхностной ферритовой волны, и следовательно одинаковый эффективный отбор энергии от обратной волны спиновыми волнами по всей длине ферритового вкладыша. Градиент намагниченности обусловлен магнитным материалом пластины. Прямоугольная форма пластины позволяет обеспечить одинаковое шунтирование магнитного поля в боковом поверхностном слое прямоугольного магнита, а следовательно, и одинаковый градиент намагниченности поверхностного ферритового слоя по всей его длине.

Обеспечение возможности перемещения пластины вдоль ее поперечной оси позволяет регулировать толщину поверхностного слоя ферритового вкладыша с одинаковым градиентом намагниченности в зависимости от рабочей длины волны.

0 Выбор толщины пластины равной Ас /2 обусловлен границей волновых чисел длинных спиновых BOTH, т.к. для эффективного возбуждения этих волн толщина поверхностного ферритового слоя, в котором обеспе5 чивается резкое изменение угла прецессии магнитных моментов, должно быть не менее Ас /2, где Ас -длина спиновой волны.

Таким образом, при расположении продольного края пластины, толщина которой

0 Ас /2, на одном уровне с основанием прямоугольного магнита, обращенным к феррито- вому вкладышу, обеспечивается возбуждением длинных спиновых волн, наиболее сильно связанных с поверхност5 ной ферритовой волной, распространяющейся 8 вентиле СВЧ, С другой стороны толщина ферритового слоя, в котором происходит резкое изменение угла прецессии магнитных моментов, ограничена увеличе0 нием уровня прямого затухания из-за конеч- ной составляющей СВЧ поля прямой поверхностной ферритовой волны на границе однородная - неоднородная намагниченность феррита.

5 Экспериментальные исследования показывают, что если в известных вентилях СВЧ изменение ширины ферритового вкладыша не превышает 0,03 АО , то величина электромагнитных потерь для прямого на0

5

правления сигнала практически не изменяется. В описываемом вентиле СВЧ максимальная толщина магнитной пластины ограничена этой же величиной (0,03 АО ), так как при данной толщине не наблюдается

увеличение прямого затухания, а величина обратного затухания, из-за наличия слоя феррита толщиной 0,03 АО с резким изменением угла прецессии магнитных моментов, существенно возрастает. Активное возбуж0 дение быстрозатухающих спиновых волн в области распространения доминирующей части СВЧ энергии обратной поверхностной ферритовой волны, обуславливает и существенное снижение величины

5 отраженного сигнала описываемого вентиля СВЧ.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение вентиля СВЧ с одним ферритовым вкладышем и одной пластиной; на фиг. 2 поперечное сечение вентиля СВЧ с двумя ферритовыми вкладышами и четырьмя пластинами; на фиг. 3 - сечение вентиля СВЧ на фиг. 2 по А-А (пунктиром показана качественная структура постоянного магнитного поля, а стрелками - распространение спиновых волн).

Вентиль СВЧ содержит отрезок запредельного прямоугольного волновода 1, внутри которого вдоль узкой стенки установлен прямоугольный ферритовый вкладыш 2, два прямоугольных магнита 3, расположенных на наружных широких стенках волновода и намагничивающих ферритовый вкладыш 2 в поперечном направлении. На внешней боковой поверхности магнита 3 расположена с возможностью перемещения вдоль поперечной оси прямоугольная пластина 4 из магнитного материала, продольная ось которой параллельна оси волновода 1. Внешняя боковая поверхность магнита 3 и боковая поверхность ферритового вкладыша 2, обращенная к узкой стенке волновода 1, размещены в одной плоскости. Длина пластины А равна длине ферритового вкладыша 2, ширина - высоте магнита 3, а толщина составляет не менее 0,5 До и не более 0,03 А0 .

Вентиль СВЧ работает следующим образом.

При возбуждении входа сигнал распространяется по границе феррит-воздух (так как низшим типом волны в запредельном волноводе, частично заполненном поперечно намагниченным ферритом, является поверхностная ферритовая волна) и из-за сравнительно малой ширины ферритового слоя (0,5 Ас - 0,03 АО ), имеющего большой градиент намагниченности и расположенного вдоль узкой стенки волновода, с малыми электромагнитными потерями поступает на выход вентиля. В обратном направлении сигнал испытывает сильное затухание. Последнее обусловлено активным отбором СВЧ энергии от низшего типа волны быст- розатухающими спиновыми волнами, возбуждающимися в неоднородно намагниченном ферритовом слое (толщиной 0,5 Ас - 0,03 АО ) и распространяющимися нормально к стенкам волновода. Повышенный отбор энергии от основного типа волны спиновыми волнами позволяет также снизить коэффициент отражения (уменьшить коэффициент стоячей волны) в рабочей полосе прибора.

Отличительной особенностью электрических характеристик описываемого вентиля СВЧ по сравнению с прототипом является увеличение обратного затухания

не только в рабочей полосе частот, но и на высоком крае частотного диапазона, что обусловлено уменьшением поперечной намагниченности ферритового слоя, прилега- 5 ющего к стенкам волновода, за счет введения пластины из магнитного материала, шунтирующей в узком слое поперечное магнитное поле постоянного магнита. -- Необходимо также отметить, что описы0 ваемый вентиль СВЧ по сравнению с прототипом имеет более широкую рабочую полосу частот, за счет возбуждения спиновых волн, играющих роль активного поглотителя СВЧ энергии, и меньшие габариты

5 магнитной системы. Последнее обусловлено тем, что для повышения величины обратного затухания не требуется увеличения внешнего магнитного поля, а достаточно введения пластины из магнитного материа0 ла.

Для реализации изобретения изготовлены вентили СВЧ (фиг. 2,3). Вентили собраны на волноводе сечением 13,5x3,25 ммг и содержат два прямоугольных ферритовых

5 вкладыша (марка феррита 1СЧ-4), длина, ширина и толщина которых составляет соответственно 10 мм, 3 мм, 2 мм; четыре прямоугольных магнита (марка магнита КС-37), длина, ширина и толщина которых составля0 ет соответственно 11 мм, 4 мм, 5 мм; четыре пластины из магнитного материала (марка СТ-10), длина, ширина и толщина которых составляет соответственно 10 мм, 5 мм, 0,5 мм. Вентили СВЧ в двухсантиметровом ди5 апазоне длин волн имеют величину обратного затухания не менее 65-70 дБ, КСВН не более 1,15, прямое затухание не более 0,3- 0,35 дБ, рабочую полосу частот не менее 3 Ггц.

0 Формула изобретения

Вентиль СВЧ, содержащий отрезок запредельного прямоугольного волновода, внутри которого вдоль узкой стенки установлен по крайней мере один прямоуголь5 ный ферритовый вкладыш, и два прямоугольных магнита, расположенных на наружных широких стенках волновода и намагничивающих ферритовый вкладыш в поперечном направлении, отличающийся

0 тем, что, с целью увеличения обратного затухания и снижения уровня отраженного сигна- ла, на внешней боковой поверхности магнита расположена с возможностью перемещения вдоль поперечной оси прямо5 угольная пластина из магнитного материала, продольная ось которой параллельна оси волновода, при этом внешняя боковая поверхность магнита и боковая поверхность ферритового вкладыша, обращенная к узкой стенке волновода.

размещены в одной плоскости, длина пластины равна длине ферритового вкладыша, а толщина о выбрана в пределах 0,03 Ас /2,

где Ло - средняя длина рабочего диапазона волн;

Ас - наибольшая длина спиновой волны.

Использование: обеспечение развязки сигнала в приемных и передающих радиотехнических устройствах на сверхвысоких Суш частотах.Сущность изобретения: устройство содержит отрезок запредельного прямоугольного волновода с прямоугольным ферритовым вкладышем, который установлен у узкой его стенки. На внешних поверхностях широких стенок волновода установлены постоянные магниты, на боковой поверхности магнита установлена введенная прямоугольная пластина из магнитного материала с возможностью перемещения вдоль ее поперечной оси. Внешняя боковая поверхность магнита и боковая поверхность ферритового вкладыша, обращенная к узкой стенке волновода, размещены в одной плоскости. 3 ил.

г/

v --А

N / Д Ч /

.f.t / I M,-

/;

t Ч - / | ч

Фа г. 2

А-А

Фиг. 5