Статья опубликована в №21 (май) 2015
Разделы: Электроника
Размещена 16.04.2015.
Просмотров - 2786

Микроволноводный невзаимный делитель СВЧ-мощности

Кирсанов Юрий Александрович

к.ф.-м.н.

ПО Радий, Москва

нач.лаборатории

УДК 537.86

Введение

Хорошо известен СВЧ делитель (Рис. 1), содержащий сочленение из отрезков микрополосковых линий (1), выполненных на диэлектрической подложке (2), и резистор (3) [1].

Недостатками этого делителя является низкий уровень развязки между выходными каналами и отсутствие развязки между выходными и входным каналами.

Самым близким техническим решением к описываемому в данной работе делителю является ферритовый делитель (Рис. 2), включающий сочленение прямоугольных волноводов (1), два поперечно намагниченных ферритовых вкладыша (2) и неоднородность (3), гальванически связанную с широкими стенками волноводного сочленения [2].

Недостатками известного технического решения являются:

• ограничение эксплуатационных возможностей, связанное с невозможностью использования в микрополосковых гибридных интегральных СВЧ схемах без громоздких волноводно – микрополосковых переходов;
• относительно большой уровень КСВН и большой уровень вносимых потерь, из-за отсутствия механизма трансформации основного типа волны Н₁₀ в поверхностные ферритовые волны, являющиеся низшими типами волн в этом устройстве.

 

Конструктивные особенности микроволноводного невзаимного делителя

Микроволноводный невзаимный делитель содержит сочленение СВЧ линий передачи, ферритовый элемент, магнитную систему и неоднородность, включенную  между выходными каналами. 

Сочленение СВЧ линий передачи выполнено по тонко – плёночной интегральной технологии на полированной ферритовой подложке.

СВЧ сочленение состоит из отрезка микрополосковой линии, содержащего три стандартных (регулярных) передающих микрополосковых линии. Ширина и длина отрезка микрополосковой линии сочленения составляет не менее 0,5 λ (где λ – средняя длина волны рабочего диапазона длин волн прибора).

Две стандартных микрополосковых линии соединены с одним концом отрезка микрополосковой линии, при этом соединение произведено симметрично относительно продольной оси отрезка. Третья стандартная микрополосковая  линия соединена с противоположным концом отрезка микрополосковой линии. Место соединения каждой стандартной микрополосковой линии от ближайшего бокового края отрезка микрополосковой линии расположено на расстоянии составляющим не более ширины стандартной микрополосковой линии.

Магнитная система состоит из двух одинаковых скоб П – образной формы, сделанных из магнитного материала. Не замкнутые вертикальные пластины одной П – образной скобы расположены на микрополосковом проводнике отрезка микрополосковой линии, другая П – образная скоба расположена на экранной поверхности отрезка микрополосковой линии. П – образные скобы расположены симметрично относительно продольной оси отрезка микрополосковой линии. П – образные скобы намагничены так, что создают замкнутый магнитный поток, поперечно и в противоположных направлениях намагничивающий две области ферритовой подложки, расположенных между двумя П – образными скобами.

Каждая П – образная скоба имеет следующие размеры:

- ширина каждой вертикальной пластины в месте расположения на ферритовой подложке составляет не более 0,1 W (где: W – ширина отрезка проводника микрополосковой линии);

- расстояние между продольной осью проекции вертикальной пластины на поверхность ферритовой подложки и продольной осью отрезка микрополосковой линии составляет не менее 0,2 W и не более 0,3 W;

- длина каждой П – образной скобы не должна превышать длины проводника отрезка микрополосковой линии.

На продольной оси отрезка микрополосковой линии, между подсоединениями двух стандартных микрополосковых линий включена проводящая неоднородность, которая гальванически связана с микрополосковым проводником и экранной плоскостью отрезка микрополосковой линии.

Магнитная система микроволноводного делителя может иметь:

- намагниченность материала каждой вертикальной пластины П – образной скобы равной намагниченности ферритовой подложки;

- высоту каждой вертикальной пластины П – образной скобы не менее пяти толщин ферритовой подложки.

В микроволноводном делителе, по сравнению с прототипом, сочленение микрополосковых линий выполнено на полированной ферритовой подложке по тонкоплёночной интегральной технологии, что позволяет использовать его в гибридных и интегральных СВЧ схемах без применения громоздких волноводно – микрополосковых СВЧ переходов, существенно увеличивающих вес, габаритные размеры и усложняющих конструкцию СВЧ устройства в целом.

Изготовление ширины отрезка микрополосковой линии не менее чем 0,5 λ (где: λ – средняя длина волны рабочего диапазона длин волн), позволяет возбудить в нем дипольную структуру СВЧ поля, нулевое значение электрической компоненты которого расположено на продольной оси отрезка микрополосковой линии, а максимальные значения указанной компоненты поля расположены практически по осям подключенных стандартных микрополосковых линий.

Расположение места соединения каждой стандартной микрополосковой линии по отношению к ближайшей боковой поверхности отрезка микрополосковой линии на расстоянии не более чем ширина стандартной микрополосковой линии, обеспечивает максимальный коэффициент связи между микрополосковыми линиями. Последнее обусловлено тем фактом, что стандартные линии расположены в области максимального значения электрической компоненты дипольной структуры СВЧ поля. Максимальная связь между линиями обеспечивает широкий диапазон рабочих частот, небольшой уровень вносимых потерь и низкий уровень КСВН микроволноводного делителя.

Изготовление  магнитной системы в виде двух одинаковых П – образных скоб из магнитного материала; расположение магнитной системы симметрично относительно продольной оси отрезка микрополосковой линии; намагничивание П – образных скоб так, что они создают замкнутый магнитный поток, поперечно и в противоположных направлениях намагничивающих два участка ферритовой подложки, расположенных между П – образными скобами – всё это обеспечивает высокий уровень развязки не только между выходными стандартными микрополосковыми линиями, но и между каждой выходной и входной микрополосковой линией.

Ширина вертикальных пластин П – образной скобы (в месте их расположения на поверхности ферритовой подложки) равная не более 0,1W (где: W – ширина отрезка микрополосковой линии) и расположение проекции продольной оси этих пластин на поверхность ферритовой подложки на расстоянии не менее 0,2W и не более чем 0,3W от продольной оси отрезка микрополосковой линии  - обеспечивают развязку между всеми стандартными микрополосковыми линиями и малый уровень вносимых потерь между входной и выходными стандартными микрополосковыми линиями.

Невзаимные свойства микроволноводного делителя обусловлены поперечным намагничиванием в противоположные стороны двух участков ферритовой подложки (расположенных симметрично относительно продольной оси отрезка микрополосковой линии) и расположения этих участков в областях с круговой поляризацией магнитной компоненты СВЧ поля, сказанное  определяется вышеуказанными размерами магнитной системы. Величина внешнего магнитного поля выбирается из условия получения ферромагнитного резонанса в двух намагниченных участках ферритовой подложки.

Выбор длины П – образной скобы не более длины отрезка микрополосковой линии, обеспечивает высокий коэффициент трансформации квази – ТЕМ волны в стандартной микропосковой линии в дипольную структуру поля в отрезке микрополосковой линии, что снижает уровень КСВН и уровень вносимых потерь микроволноводного делителя.

Как показывает эксперимент, длина отрезка микрополосковой линии равная 0,5 λ, обеспечивает довольно высокую развязку (> 20дб) между выходными и входной стандартными микополосковыми линиями.

Выбор  высоты вертикальной пластины каждой П – образной скобы более чем пять толщин ферритовой подложки и изготовление этих пластин из материала с намагничиванием равным намагничиванию полированной ферритовой подложки, обеспечивает равномерное поперечное подмагничивание двух участков ферритовой подложки с круговой поляризацией магнитной составляющей СВЧ поля, что дополнительно снижает уровень вносимых потерь микроволноводного делителя. 

Выбор ширины вертикальной пластины каждой П – образной скобы (в месте расположения пластин на ферритовой подложке) не более чем 0,4W и не менее чем 0,2W обеспечивает работу микроволноводного делителя в режиме поверхностной ферритовой волны.

Когда скоба П – образной формы расположена так, что расстояние между продольной осью проекции каждой вертикальной платы на поверхность ферритовой подложки и продольной осью отрезка микрополосковой линии составляет не менее чем половина от ширины вертикальной пластины, СВЧ энергия с малыми вносимыми потерями проходит через устройство и делится между двумя выходными стандартными микрополосковыми линиями. В обратном направлении СВЧ энергия имеет большие потери (> 30дб).

Малая величина вносимых потерь в главном направлении (вход → выход) связана с направлением внешнего подмагничивающего поля. В прямом направлении СВЧ энергия распространяется вдоль противоположных боковых границ отрезка микрополосковой линии.

В обратном направлении (при возбуждении двух стандартных микрополосковых линий) СВЧ энергия распространяется вдоль продольной оси отрезка микрополосковой, испытывая сильное затухание. Последнее связано с расположением области ферритовой подложки, имеющей неоднородное намагничивание, вдоль продольной оси отрезка микрополосковой линии, что способствует преобразованию основного типа волны в быстро затухающие магнитостатические типы волн.

Таким образом, микроволноводный делитель (см. Рис. 3) по сравнению с известным техническим решением (см. Рис. 2) имеет следующие отличия:

- существенно меньше вес и габаритные размеры; имеет более широкие эксплуатационные возможности, благодаря возможности использования в гибридных интегральных схемах без применения громоздких волноводно – микрополосковых СВЧ переходов;

- более высокий уровень обратного затухания, связанный с  возможностью осуществления работы прибора не только в режиме ферромагнитного резонанса, но и в режиме поверхностной ферритовой волны.

Кроме того, необходимо отметить, что электрические параметры микроволноводного делителя, работающего в режиме ферромагнитного резонанса улучшаются  за счет удаления несанкционированных  магнитостатических типов волн, возбуждающихся в ферритовом элементе на внутренних магнитных неоднородностях (обусловленных неэллипсоидальной формой феррита). Последнее достигается путём использования в вертикальных пластинах П – образной скобы материала с намагниченностью равной намагниченности ферритовой подложки и учета вышеуказанных рекомендаций по размеру этих пластин. В известных ферритовых СВЧ приборах отсутствует механизм ликвидации несанкционированных магнитостатических типов волн.

В микроволноводном делителе, работающим в режиме поверхностной ферритовой волны, обратное затухание увеличивается за счет повышения трансформации  обратной волны в диссипативные магнитостатические типы волн. Это достигается путём создания вдоль продольной оси отрезка микрополосковой линии касательного (неоднородного) намагничивания ферритовой подложки (см. Рис. 3е, п.16). В известных ферритовых СВЧ приборов приведенный здесь механизм повышения обратного затухания отсутствует.

Рисунки

 Рис.1 – аналог микроволноводного делителя.  Рис. 2 – наиболее близкое к микроволноводному делителю техническое решение (прототип). Рис. 3a – микроволноводный невзаимный делитель мощности (H_e –внешнее подмагничивающее поле). Рис. 3b – сечение A-A на рис.3a. Рис. 3c – магнитная система микроволноводного делителя (Рис.3а), работающего в режиме ферромагнитного резонанса. Рис .3d -   магнитная система микроволноводного делителя (Рис.3а), работающего в режиме ферромагнитного резонанса, с обеспечением однородного подмагничивания ферритовой подложки. Рис. 3e -  магнитная система микроволноводного делителя (Рис. 3a), работающего в режиме поверхностной ферритовой волны.

   





                                           

 

Физические основы принципа работы микроволноводного делителя

Микроволноводный невзаимный делитель мощности (Рис.3а) содержит: сочленение СВЧ линий передачи (1), ферритовый элемент (2), магнитную систему, создающую внешнее подмагничивающее поле Н_е, и проводящую неоднородность между выходами (см. на Рис. 3б,п.3). 

Сочленение (1) СВЧ линий передачи выполнено по тонкоплёночной интегральной технологии на поверхности ферритового элемента (2). Ферритовый элемент (2) представляет собой полированную ферритовую подложку. Сочленение (1) СВЧ линий передачи, выполненное на ферритовой подложке (2), представляет собой отрезок (4) микропоосковой линии, ширина и длина которой составляет не менее 0,5 λ (где λ – средняя длина волны рабочего диапазона длин волн), две стандартных передающих микропоосковых линии (5,6), подключенных к одному из концов отрезка микрополосковой линии (4) симметрично относительно продольной оси (00^”) отрезка (4) и одной стандартной передающей микрополосковой  линии (7), соединенной с противоположным концом отрезка (4).

Место соединение (Рис. 3а) каждой стандартной микрополосковой линии (5,6,7) расположено на расстоянии δот ближайшего бокового края отрезка микрополосковой линии.  Таким образом, δ˂ S, где S ширина стандартной микрополосковой линии.

Магнитная система (Рис. 3с) выполнена из двух идентичных П – образных скоб (8а и 8б) изготовленных из магнитного материала. Поверхности (9) вертикальных платин (10) П – образной скобы (8а) расположены на микрополосковом проводнике (Рис. 3а, п.4) отрезка микрополосковой линии (4), а противоположная П – образная скоба (Рис. 3с, п.8б) на экранной поверхности (Рис. 3а, п.11) отрезка микрополосковой линии (4). П – образные скобы (8а и 8б) расположены симметрично относительно продольной оси 00^” (Рис.3а) отрезка микрополосковой линии (4). П – образные скобы (8а и 8б) намагничены так, что создают замкнутый магнитный поток, намагничивающий поперечно и в противоположных направлениях две области ферритовой подложки (Рис. 3а см. ↑H_e  и ↓H_e ), расположенных между П – образными скобами.

Размеры каждой П – образной скобы (Рис. 3с) составляют:

- ширина (t) каждой вертикальной пластины (10) расположенной на поверхности ферритовой подложки составляет не более 0,1 W (где: W – ширина отрезка микрополосковой линии);

- расстояние между продольными осями (Рис. 3с, LL^’ и PP’) проекции каждой вертикальной пластины (10) на поверхность ферритовой подложки и продольной осью ( Рис. 3а, 00’) отрезка микрополосковой линии (Рис.3а, п.4) составляет не менее чем 0,2 W  и не более чем 0,3 W;

-  длина каждой П – образной скобы не превышает длины отрезка микрополосковой линии.

На продольной оси (00^”) отрезка микрополосковой линии (4) между точками подключения двух стандартных  микрополосковых линий (5, 6) включена неоднородность (Рис. 3a, п.3), выполненная из проводящего материала. Неоднородность (3) включена (Рис. 3b) между микрополосковым проводником (4) и экранной плоскостью (11) отрезка микрополосковой линии. Для улучшения электрических параметров микроволноводного делителя, вертикальные пластины (10), магнитной системы (Рис.3c), изготовлены частично или полностью из материала (Рис. 3d, п.12) с намагниченностью равной намагниченности полированной ферритовой подложки; высота каждой вертикальной пластины (12), с намагниченностью равной намагниченности ферритовой подложки, составляет не менее чем пять толщин ферритовой подложки.

При работе микроволноводного делителя в режиме поверхностной ферритовой волны уровень обратного затухания существенно повышается и составляет более 30дб, при вносимых потерях не более 0,5дб. Для обеспечения этого режима каждая П – образная скоба (Рис. 3e) должна иметь следующие размеры:

- ширина (t) каждой вертикальной пластины (13) должна быть не более 0,4 W и не менее 0,2 W (где: W – ширина отрезка микрополосковой линии);

- расстояние между продольной осью (Рис.3e, LL^” и PP^”) проекции каждой вертикальной пластины (13) на поверхность ферритовой подложки и продольной осью (Рис.3a, 00^”) отрезка микрополосковой линии (Рис. 3a,п. 4) должно составлять не более половины ширины вертикальной пластины (13).

Микроволноводный невзаимный делитель работает следующим образом. При возбуждении входного плеча (7) стандартной микрополосковой линии (Рис. 3а) СВЧ энергия поступает в отрезок микрополосковой линии (4), выполненной на ферритовой подложке (2).

Известно [ 3 ], что микрополосковую линию с шириной  микрополоскового проводника не менее 0,5 λ и имеющую дипольную структуру СВЧ поля называют «микроволноводом». На Рис. 3б показана структура магнитной (14) и электрической (15) компонент СВЧ поля в отрезке микрополосковой линии (4), имеющей ширину более чем 0,5λ, где: λ – средняя длина волны рабочего диапазона длин волн отрезка микрополосковой линии (4). Стандартные микрополосковые линии (5, 6, 7) подключены к отрезку микрополосковой лиии (Рис. 3а, п.4) на расстоянии δ от бокового края отрезка микрополосковой линии, ( где:  δ  составляет не более ширины проводника S стандартной микрополосковой линии), что обеспечивает хорошую связь между соединяемыми микрополосковыми линиями (4, 5, 6,7). Последнее обусловлено расположением микрополосковых линий (5, 6, 7) в точках максимального значения величины электрической компоненты СВЧ поля на отрезке микрополосковой линии (4). Хорошая связь обеспечивает высокий коэффициент передачи СВЧ энергии между соединенными линиями (Рис. 3а, п. 4, 5, 6, 7). Дипольная структура поля (Рис. 3а) в отрезке микрополосковой линии (4) и подключение выходов (5 и 6) симметрично относительно продольной оси (00^”) отрезка (4) обуславливает равное распределение СВЧ энергии поступающей от входа (7) между выходами (5 и 6).

Замкнутая магнитная система, состоящая из двух П – образных скоб (Рис.3с), обеспечивает поперечное и противоположное намагничивание двух областей ферритовой подложки, в которых существует круговая поляризация компонент магнитного СВЧ поля. Когда величина внешнего подмагничивающего поля соответствует условию ферромагнитного резонанса, деление СВЧ мощности в микроволноводном делителе становится невзаимным, т.е. СВЧ энергия от входа (Рис. 3a, п. 7) поступает к выходам (5) и (6), а в обратном направлении энергия не распространяется (затухает). Таким образом выходы (5 и 6) изолированы от входа (7) и изолированы между собой.

Размеры и расположение П- образных скоб обеспечивают намагничивание  только тех участков ферритовой подложки, где существует круговая поляризация магнитной компоненты СВЧ поля, что и обуславливает невзаимность делителя.

Включение неоднородности (Рис. 3б, п.3) не влияет на распространение энергии в прямом направлении, т.к. неоднородность расположена в области нулевого значения электрической компоненты СВЧ поля, но при распространении энергии в обратном направлении она обеспечивает дополнительную изоляцию между каналами (5) и (6). Выполнение вертикальных пластин (Рис. 3д, п.12) из материала с намагниченностью равной намагниченности ферритовой подложки и высотой составляющей не менее пяти толщин ферритовой подложки, обеспечивает однородную поперечную намагниченность двух ферритовых участков подложки, расположенных между скобами П – образной формы (8а,8b), что подтверждается теоретической работой [4].          

Выбор ширины вертикальной пластины (13) каждой П – образной скобы (Рис. 3е) не более чем 0,4W и не менее чем 0,2W , а расстояния между продольной осью (LL^” и  PP^”) проекции каждой вертикальной пластины (13) на ферритовую подложку и продольной осью (00^”)   отрезка микрополосковой линии (4) не менее чем половина ширины вертикальной пластины (13) обеспечивает работу  невзаимного микроволноводного делителя в режиме поверхностной ферритовой волны. В этом случае СВЧ энергия в прямом направлении распространяется вдоль боковых противоположных краёв отрезка микрополсковой линии (4) с малыми вносимыми потерями. При распространении СВЧ энергии в обратном направлении, она смещается к продольной оси (00^”) отрезка микрополосковой линии (4). Неоднородность (Рис. 3б, п.3), расположенная на продольной оси микрополоскового отрезка (4) и имеющая связь с микрополосковым проводником (4) и экранной плоскостью (11), рассеивает СВЧ энергию, распространяющуюся в обратном направлении. Дополнительное затухание СВЧ энергии в обратном направлении обеспечивается за счет неоднородной намагниченности ферритовой подложки вдоль продольной оси (00 ') отрезка микрополосковой линии (4). Наличие внутренних магнитных неоднородностей в ферритовой подложке приводит к сильной трансформации поверхностной ферритовой волны в быстро затухающие магнитостатические типы волн. 

Заключение

По сравнению с известными невзаимными делителями СВЧ мощности, микроволноводный невзаимный делитель имеет в более широкой полосе частот меньше уровень вносимых потерь, а в обратном направлении более высокую величину развязки. При чем, высокий уровень развязки обеспечивается, как между каждым выходным  и входным каналами делителя, так и между всеми выходными каналами. Улучшение электрических параметров достигается за счет применения механизма повышения коэффициента передачи для прямого направления распространения энергии и механизма активной трансформации поверхностной ферритовой волны в быстро затухающие магнитостатические типы волн для обратного распространения.

Кроме того, невзаимный микроволноводный делитель, выполненный по тонкоплёночной технологии, имеет более простую конструкцию, меньше трудоёмкость изготовления и шире эксплуатационные возможности, т.к. может использоваться в гибридных интегральных СВЧ системах без применения громоздких волноводно – микрополосковых СВЧ переходов.

1. Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д.И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1981, с. 408 – 418.
2. Кирсанов Ю.А. и др. «Невзаимные распределители СВЧ мощности». – В сб.: Радиофизика и исследование свойств вещества, Омск, 1982, с. 82 – 88., Кирсанов Ю.А. и др. «Делитель СВЧ мощности». Патент Р.Ф. № 1145873, 1993г.
3. Cristal E.G. “Microguide – a new microwave integrated circuit transmission line”, 1972, IEEE – GMTT Intern. Microwave Sym. Dig. 1972, pp.212-214
4. R.I. Joseph and E. Schlomann “Demagnetizing Field in Nonellipsoidal Bodies”, Journal of Applied Physics, volume 36, № 5, may 1965, p.p.1579-1593.)

Рецензии:

17.04.2015, 13:21 Мухуров Николай Иванович
Рецензия: Статья написана в стиле представления заявки на патент. Для ее представления в виде научной статьи необходимо переработать вступление (добавить необходимость разработки, области применений со ссылками на литературные источники) и заключение, убрать выражение "техническое решение", вполне допустима ссылка на патент автора. Так ка представленные материалы имеют научную и практическую значимость, то после соответствующей переработки могут быть рекомендованы к публикации.

19.04.2015, 18:41 Мухуров Николай Иванович
Рецензия: Уважаемый Юрий Александрович! Конечно, это Ваша статья и Вы в праве ее представлять в любом понятном для специалистов виде. Но при публикации статьи в научном журнале есть определенные формальные требования изложения результатов исследований. У каждого журнала они свои. Более жесткие формальные требования при подаче заявки на получение патента на объект интеллектуальной собственности. Если Вы сделаете исправления и дополнения по моей рекомендации, то это улучшит Вашу статью. С уважением, Мухуров Н.И.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий