Статья опубликована в №20 (апрель) 2015
Разделы: Электроника
Размещена 22.04.2015. Последняя правка: 22.04.2015.
Просмотров - 2722

Новый подход к проектированию ферритового У-циркулятора 3-х миллиметрового диапазона длин волн с малым уровнем вносимых потерь

Кирсанов Юрий Александрович

к.ф.-м.н.

ПО Радий, Москва

нач.лаборатории

УДК 537.86  

I. Введение.

Известны конструкции У-циркуляторов [1, 2], позволяющие увеличить область взаимодействия СВЧ сигнала с однородной поперечной намагниченностью ферритового образца, и тем самым значительно улучшить электрические параметры приборов. Однако, известное конструкторские решения довольно трудоёмки. В данной работе описывается простое конструкторское  решение данной проблемы. 

II. Физические предпосылки создания У-циркулятора с малым уровнем вносимых потерь.

Одним из условий создания циркуляторов с малым уровнем вносимых потерь является прохождение СВЧ сигнала в области однородной поперечной намагниченности феррита [3]. Однако, известно, что для не эллипсоидального ферритового  образца, находящегося во внешнем  однородном магнитном поле, внутренняя намагниченность феррита неоднородна и является функцией координат [4].

На рис.1 и рис.2 приведено расчетное распределение поперечной (H_z) и тангенциальной (H_x) компоненты внутреннего постоянного намагничивающего поля в ферритовом цилиндре. Расчеты произведены для «коротких» и «длинных» ферритовых цилиндров, расположенных в однородном внешнем магнитном поле, направленном вдоль оси цилиндра. Из рисунков видно, что с увеличением отношения L/R (где: L - половина длины цилиндра, R – радиус цилиндра)  происходит увеличение центральной области феррита, в которой компонента H_z(обеспечивающая работу циркулятора) однородна, а величина компоненты H_x (ухудшающая работу циркулятора) стремится к нулю.

    Известно, что длина и радиус ферритового цилиндра определяют его собственные резонансные частоты. Из-за различных граничных условий на торцевых поверхностях ферритового цилиндра в нем могут возбуждаться только колебания типа HE_11δ, где δ = 0,5; 1.5; 2,5 ... и т.д.. [5]. Из [5] следует, что для HE_111.5, наилучшее значение 2L / R должно быть больше, чем 3,06, а для HE_112.5 больше, чем 5,14. Режим HE_112.5 трудно использовать, поскольку высота ферритового цилиндра в этом случае может превышать высоту волновода.

      Расчеты (рис.1, 2) показывают, что, когда 2L/R > 3.06 длина центральной части феррита, где поперечная намагниченность однородна, составляет более чем 1/3 длины цилиндра. Автор предлагает концентрировать СВЧ поле в указанной части ферритового цилиндра и тем самым улучшить электрические параметры циркулятора [ 6 ]. 

III. Конструкция и электрические параметры У- циркулятора. 

Циркулятор выполнен в виде Н – плоскостного У-сочленения. В центре У-сочленения расположен поперечно намагниченный ферритовый цилиндр, на котором установлено диэлектрическое кольцо (рис.3).


Кольцо расположено на равных расстояниях от торцевых поверхностях ферритового цилиндра. Размеры внутреннего сечения волновода составляют 2,54x1,27 мм². В центральной части У- сочленения волноводы сужаются до сечения 2,1 x 1,27mm². В циркуляторе используется серийный никелевый феррит (4πM_s = 5000Gs, Ɛ =12,5; tgδ ≤ 5x10^-4 ), а диэлектрическое кольцо изготовлено из материала фторопласт-4. Размеры ферритового цилиндра рассчитывались в соответствии с [5] и с учетом условия L/R ≥1,53. Для достижения лучших электрических параметров циркулятора размеры ферритового цилиндра уточнялись экспериментально и для центральной частоты 96 Ггц составляют: диаметр - 0,63мм., длина – 1,14мм. Толщина диэлектрического кольца равна 0,33мм. Внутренний диаметр кольца равен диаметру ферритового цилиндра, а внешний равен диаметру окружности вписанной в У-сочленение суженных волноводов.

На рис.4 приведены электрические параметры циркулятора. Прибор в полосе частот 3% имеет: уровень вносимых потерь не более 0,15дб, обратное затухание не менее 25дб., а в полосе частот 5% вносимые потери составляют не более 0,3дб, а обратное затухание не менее 20дб. Величина КСВН во всём диапазоне частот соответствует уровню обратного затухания. Указанные параметры сохраняются в диапазоне температур от -50⁰С до + 85⁰С.

Интересно отметить, что при перемещении диэлектрического кольца к одному из концов ферритового цилиндра наблюдается значительное увеличение уровня вносимых потерь (более 1дб). Автор считает, что это связано с частичной трансформацией основного типа волны на внутренних магнитных неоднородностях, существующих на концах ферритового цилиндра, в быстро затухающие магнитостатические типы волн.

 

IV. Заключение.

В связи с тем, что предлагаемая конструкторская схема волноводного У-циркулятора миллиметрового диапазона длин волн, довольно простым методом, позволяет получить в широкой полосе частот малый уровень вносимых потерь (менее 0,15дб), то эту схему можно считать перспективной и для создания циркуляторов в других частотных диапазонах. Кроме того, автор считает, что при создании волноводных СВЧ устройств, с неэллипсоидальной формой феррита, а также микрополосковых СВЧ приборов на ферритовой подложке, для обеспечения наилучших параметров, необходимо учитывать распределение намагничивающего поля внутри феррита.

1. W.S.Piotrowski, “Low loss broad-band EHF circulator”, IEEE Trans. MTT, vol.24, N11, pp.863-866, Nov.1976.
2. W.S.Piotrowski, “Low loss 92-100GHz circulators”, IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. – Dallas, pp.252-254, 1982.
3. E.Schloemann, “Broad-band stripline circulators”, IEEE Trans. MTT, vol.34, N 12, pp.1397-1400, Dec.1986.
4. R.I. Joseph, “Demagnetizing Field in Nonellipsoidal Bodies”, Journal of Applied Physics, vol. 36, N 5, pp.1579-1593, May,1965.
5. Y.Akaiwa, “Operation modes of a waveguide Y circulator”, IEEE Trans. MTT, vol.22, N11, pp. 954-960, Nov.,1974.
6. Кирсанов Ю.А. «Широкополосный У-циркулятор 3-х мм диапазона длин волн с малым уровнем вносимых потерь». Патент №13713226 РФ, кл. Н 01 Р 1/39, 1993г.

Рецензии:

27.04.2015, 23:16 Каменев Александр Юрьевич
Рецензия: Актуальность и практическая значимость материала не вызывает сомнений. Рекомендуется к печати.

Комментарии пользователей:

Оставить комментарий