Статья опубликована в №20 (апрель) 2015
Разделы: Электроника
Размещена 27.04.2015. Последняя правка: 28.04.2015.
Просмотров - 4120

Ферритовый вентиль СВЧ с гигантским невзаимным эффектом

Кирсанов Юрий Александрович

к.ф.-м.н.

ПО Радий, Москва

нач.лаборатории

УДК 537.86

I Введение

Ферритовые развязывающие СВЧ-приборы, работающие на поверхностной ферритовой волне (ПФВ), хорошо известны и описаны в литературе [3]. Эти приборы имеют сравнительно большое обратное затухание, величина которого составляет примерно 30 дБ при вносимых потерях 0,5…..0,6 дБ. Однако развитие СВЧ-техники предъявляет к электрическим параметрам развязывающих приборов все более высокие требования.

Увеличение обратного затухания, достигаемое путём каскадирования известных приборов, приводит к увеличению вносимых потерь и габаритных размеров СВЧ-схемы в целом. Отмеченные недостатки становятся существенными при создании малогабаритных СВЧ-приборов с повышенным отношением обратных и прямых потерь.

В данной работе приведены конструктивная схема, принцип работы и результаты экспериментального исследования волноводного вентиля СВЧ с гигантской величиной обратного затухания. Исследования проведены в двух частотных диапазонах: К_U(сечение волновода 17Х4 мм²) и К (сечение волновода 13Х3,2 мм²). Отношение обратных и прямых потерь составляет не менее 85 дБ/0,4 дБ, т.е. по величине обратного затухания данный прибор превышает широко известные ферритовые вентили СВЧ более чем на 50дБ. 

II. Физические основы построения СВЧ-вентиля с высоким отношением обратных и прямых потерь.   

В основе построения ферритового СВЧ-вентиля на ПФВ с высоким отношением обратных и прямых потерь лежат следующие физические предпосылки.

1. Антисимметричное распределение амплитуды электрической компоненты СВЧ-поля ПФВ в поперечном сечении волновода, вдоль узких стенок которого расположены поперечно намагниченные в противоположных направлениях прямоугольные ферритовые вкладыши Рис.1, [15].

 

Такое распределение СВЧ поля позволяет включить вдоль оси волновода в Е-плоскости тонкую металлическую пластину, практически не вызывающую возмущение поля ПФВ и в то же время отражающую объёмную волну типа Н₁₀ (Рис.2) [4].          Е-плоскостная электрическая стенка (металлическая пластина п.1, Рис2), разделяющая отрезок волновода на два параллельных волноводных канала, существенно усиливает эффект невзаимной предельности.

                                          

 

2.  Ферриты в развязывающих СВЧ-приборах часто имеют форму цилиндров или прямоугольных пластин. Из-за неэллипсоидальной формы ферритовых образцов, находящихся в однородном внешнем магнитном поле, внутреннее магнитное поле в феррите неоднородно. Неоднородное распределение намагниченности приводят к возбуждению  в феррите магнитостатических типов волн (МСВ) Рис.3, [13].

 

Для прямого направления распространения энергии эти колебания являются паразитными, т.к. отбирают энергию от ПФВ и их частотный диапазон частично перекрывает частотный диапазон существования ПФВ. Поэтому возбуждение МСВ приводит к увеличению вносимого прямого затухания и сужению рабочей полосы частот вентиля.

На рис.4(а) схематично показано качественное распределение Н_z – компоненты внутреннего постоянного магнитного поля вдоль и поперёк прямоугольной ферритовой пластины, находящейся в однородном внешнем магнитном поле.

                                         

Убрать отрицательное влияние МСВ удаётся путём уменьшения внутренней магнитной неоднородности вдоль продольной границы феррит-воздух, по которой распространяется ПФВ  в прямом направлении. Это достигается за счет использования магнита клинообразной формы (Рис.4б), [5]. На Рис.5 приведено качественное распределение Нz –компоненты внутреннего постоянного магнитного поля вдоль (п.1) и поперёк (п.2) ферритовой пластины, находящейся в поле клинообразного магнита.

 

Эксперимент показал, что примерно такое же распределение внутреннего магнитного поля можно получить более простым способом – незначительным смещением магнитов в поперечном направлении корпуса прибора (или относительно друг друга). Величина смещения определяется экспериментально и для 2-х см. диапазона длин волн составляет не менее 0,2 от ширины феррита. Клинообразная форма магнита или незначительное смещение магнитов в поперечном направлении прибора, с одной стороны, ликвидирует условия возбуждения МСВ   по границе «феррит-воздух», вдоль которой распространяется ПФВ в прямом направлении, а с другой – не препятствует возбуждению МСВ по границе «феррит-металл», вдоль которой затухает ПФВ, распространяясь в обратном направлении. Опыт показывает, что погонную величину затухание ПФВ в обратном направлении и снижение уровня отраженного сигнала можно существенно увеличить, если по границе «феррит-металл» изменить направление подмагничивания феррита с поперечного  вертикального на поперечное горизонтальное. Изменение направления подмагничивания вдоль границы распространения с затуханием ПФВ создаёт условия более эффективной трансформации ПФВ в быстро затухающие спиновые и магнитостатические типы волн. В работе [6] приведена конструктивная схема, позволяющая обеспечить это условие. На Рис.6 приведено поперечное сечение конструктивной схемы такого прибора.
                                                                         
                                                             
На внешних боковых поверхностях прямоугольных магнитов (п.2) расположены с возможностью перемещения вдоль поперечной оси прямоугольные пластины из магнитного материала (п.3). Продольная ось пластин параллельна оси волновода, при этом внешние боковые поверхности магнитов и боковые поверхности прямоугольных ферритовых вкладышей, обращенные к узким стенкам волновода, размещены в одной плоскости. Длина каждой пластины (п.3) равна длине ферритового вкладыша, а толщина «∆» выбрана в пределах [6]: 

0,03 λ₀   ≥ ∆  ≥   λ_c/ 2  ,

где: λ₀– средняя длина рабочего диапазона волн;  λ_c– наибольшая длина спиновой волны.          

3.  В работе [7] автор предлагает еще один эффективный метод снижения электромагнитных потерь, заключающийся в ведении  между ферритом и экранирующей плоскостью линии передачи (т.е. в рассматриваемом случае одной из широких стенок волновода) диэлектрического зазора (см. Рис.7), величина которого (t) должна соответствовать соотношению:

t ≈ 2Х10² {[Hе+(N_x– N_z)M₀][ Hе+(N_y– N_z)M₀]}^-1/2,(мм);

где: Hе – внешнее магнитное поле, направленное вдоль оси Z, (э);

      M₀– намагниченность насыщения феррита, (Гс.);

     N_x, N_y, иN_z - размагничивающие факторы формы ферритового вкладыша по осям: Х, У, Z.

 

Физическая интерпретация данного метода заключается в следующем. Из-за неоднородной внутренней намагниченности ферритовой пластины, обусловленной размагничивающими факторами формы прямоугольного феррита, частотный диапазон существования паразитных объёмных МСВ, как уже выше отмечалось, частично перекрывает частотный диапазон существования ПФВ. При введении между ферритом и экранирующей плоскостью зазора, происходит сужение частотного диапазона существования объёмных МСВ за счет исчезновения МСВ с большими волновыми числами. Спектр МСВ смещается в область частот, расположенную ниже частотной области существования ПФВ. Явление смещения спектра МСВ в зависимости от толщины диэлектрического зазора между  возбудителем и ферритом подробно описано в работе [1].  Смещение паразитных МСВ из частотной области существования ПФВ приводит к уменьшению электромагнитных потерь и расширению рабочей полосы частот СВЧ – вентиля.

4.  Вышеуказанные методы [5], [6], [7]  увеличения обратного затухания  и уменьшения вносимых электромагнитных потерь имеют разный механизм действия на спектр паразитных МСВ и поэтому дополняют друг друга. Практика показывает, что эти методы с успехом могут быть использованы не только  при конструировании ферритовых приборов, работающих на ПФВ, но и при конструировании ферритовых  невзаимных приборов, работающих на объёмных колебаниях в феррите [8].

5.  При конструировании приборов на ПФВ необходимо учитывать различие в структуре поля падающей (Н₁₀)  и распространяющейся волны (ПФВ). Проводя экспериментальное исследование возбуждения ПФВ в линиях СВЧ, содержащих  один или несколько ферритовых образцов, позволило автору найти простой и эффективный преобразователь волны Н₁₀  в ПФВ (см. Рис.8) [9]. Преобразователь содержит линию передачи (п.1), частично заполненную поперечно намагниченным ферритовым вкладышем (п.2) и реактивный элемент (п.3). Реактивный элемент выполнен в виде металлического штыря, перемещающегося вдоль своей продольной оси, перпендикулярной широким стенкам отрезка волновода. Для ферритового вкладыша, имеющего прямоугольную форму, реактивный элемент лежит в плоскости, проходящей через торец феррита, при этом боковая поверхность реактивного элемента прилегает к поверхности ферритового вкладыша.

 

Диаметр штыря составляет λ₀/8, где λ₀ – центральная длина волны рабочего диапазона  длин волн в свободном пространстве. Величина зазора между торцом штыря и противоположной широкой стенкой отрезка волновода выбирается из условия обеспечения на центральной частоте рабочего диапазона преобразователя последовательного резонанса. Преобразователь работает следующим образом. При возбуждении отрезка волновода энергия волны Н₁₀ из-за последовательного резонанса в контуре, образованном металлическим штырём и зазором, локализуется в реактивном элементе. Близость реактивного элемента к поверхности феррита позволяет обеспечить сильную электромагнитную связь отрезка волновода с ферритовым вкладышем. Эквивалентность плотности СВЧ тока в реактивном элементе и структуры поля рабочего типа волны (ПФВ) в феррите позволяет преобразовать волну Н₁₀ в ПФВ с высоким коэффициентом передачи. Таким образом, малые размер металлического штыря, согласование плотности СВЧ тока в контуре с полем ПФВ в ферритовом элементе и близость расположения штыря к поверхности, вдоль которой распространяется ПФВ, обуславливают уменьшение электромагнитных потерь и расширение рабочей полосы частот преобразователя волны Н₁₀ в ПФВ. Очевидно, что данный преобразователь может быть использован не только в СВЧ вентилях на ПФВ, но и в абсолютном большинстве ферритовых приборов на ПФВ. В качестве примера, на Рис.9 и Рис.10 показано использование описанного преобразователя волн в 4-х плечном волноводном циркуляторе и в волноводном невзаимном делителе с неравномерным распределением мощности. Оба прибора работают на ПФВ.

 

 

6. Использование диэлектрического эффекта в волноводе с двумя ферритовыми слоями намагниченными в противоположные стороны. Известно [14], что в некоторых случаях между ферритовыми пластинами внутри волновода существует практически идеальная плоская волна (см.Рис.11).

 

В этом случае доминирующая часть СВЧ энергии в прямом направлении распространяется  в воздушном слое между ферритовыми вкладышами и следовательно имеет малое затухание. Создавая условия препятствующие распространению обратных волн (ПФВ и Н₁₀), автору  удалось получить вентильное отношение равное 180. На рис.12 приведена конструктивная схема СВЧ-вентиля с указанным  вентильным отношением [10].

 

Прибор содержит отрезок прямоугольного волновода (1), два одинаковых прямоугольных ферритовых вкладыша (2) и идентичные металлические пластины(3), прилегающие к узким внешним боковым поверхностям ферритовых вкладышей. Длина металлических пластин (L_м) выбирается из условия:

(L_ф – λ₀/4 ) ≤ L_м ≤ (L_ф – λ₀/8),

где: L_ф – длина ферритовых вкладышей;

        λ₀ – центральная длина волны рабочего диапазона длин волн в свободном пространстве.

Расстояние (d) от металлической пластины до узкой стенки волновода выбирается из условия:

0,1 λ₀ ≤d≤ 0,2 λ₀

Наличие двух металлических слоёв, расположенных продольно в волноводе нормального сечения в области максимального электрического поля обратной ПФВ, расчленяет волновод на три параллельных запредельных слоя. Это позволяет трансформировать обратную волну Н₁₀ в волну высшего типа Н₃₀, имеющую по сравнению с обратной волной низшего типа, распространяющуюся в волноводе с одним ферритовым вкладышем, втрое больше погонное обратное затухание (не менее 90дБ/см).

Расположение ферритовых вкладышей на расстоянии 0,1 λ₀ ÷ 0,2 λ₀от узких стенок волновода позволяет сформировать между ферритами при прямом распространении сигнала, плоскую волну, у которой основная часть энергии распространяется вне феррита, что позволяет, при существенно увеличенном обратном затухании, сохранить достаточно малый уровень погонного прямого затухания (не более 0,5 дБ/см). Отметим,что СВЧ-вентиль, выполненый по описанной схеме, имеет вентильное отношение не менее 180.

III. Конструктивная схема и электрические характеристики вентиля СВЧ с гигантским невзаимным эффектом.

На рис.13 представлена конструктивная схема прибора. Вентиль содержит прямоугольный отрезок запредельного волновода, по узким стенкам которого приклеены  прямоугольные поперечно намагниченные в противоподложные стороны ферритовые вкладыши. По оси отрезка волновода в Е-плоскости между ферритовыми вкладышами включена металлическая пластина, гальванически связанная с широкими стенками волновода. Длина пластины меньше длины ферритовых вкладышей на величину λ₀/4, где λ₀ – центральная длина волны рабочего диапазона длин волн в свободном пространстве. Между ферритовыми вкладышами и одной из широких стенок волновода имеется воздушный зазор, величина которого определяется в соответствии с п.3 (см.выше). Трансформация волны Н₁₀ в ПФВ (и обратно), а также согласование с волноводной линией нормального сечения осуществляется с помощью преобразователя типов волн, состоящего из металлических штырей с регулируемой глубиной погружения, и четвертьволнового трансформатора.

 

                                                                                

Два штыря диаметром λ₀/8  расположены в плоскости торцов ферритовых вкладышей, касаясь поверхности феррита, а один - диаметром λ₀/16, расположен по оси волновода на рсстоянии λ₀/8 от плоскости торцов ферритов. Для обеспечения локального горизонтального подмагничивания по границе «феррит-металл» и одновременной термостабилизации электрических параметров прибора используются магнитные пластины из сплава Н32Х6Ю. Длина, ширина и толщина пластин определялась в соответствии с п.2 (см.выше) и была равна соответственно длине и высоте магнитов, а толщина составляла 1,2 мм.

Принцип работы вентиля заключается в следующем. При возбуждении входа волна типа Н₁₀ с помощью преобразователя типов волн, состоящего из штырей, преобразуется в ПФВ, имеющую антисимметричную структуру поля (см.выше п.1, рис.1). Распространяясь по границам «феррит – воздух», ПФВ поступает на выход прибора с малыми потерями. По сравнению с широкоизвестными ферритовыми развязывающими приборами на ПФВ рассматриваемый вентиль имеет меньший уровень электромагнитных потерь. Уменьшение потерь в прямом направлении обусловлено зазором между ферритовыми вкладышами и одной из широких стенок волновода (см. выше п.3). По мнению автора, это связано со смещением спектра МСВ, возбуждающихся на внутренних магнитных неоднородностях, обусловленных размагничивающими факторами формы ферритового вкладыша, в область частот, расположенную ниже рабочей полосы частот вентиля.  Вторым фактором, позволившим уменьшить вносимые потери, является использование эффективного преобразователя волны Н₁₀ в ПФВ (см.выше п. 5).

В обратном направлении сигнал испытывает сильное затухание, обусловленное включением между ферритовыми вкладышами в Е-плоскости металлической пластины (см. выше п.1), а также введением локальной горизонтальной намагниченности ферритов по границе «феррит-металл» (см. выше п. 2). По сравнению с известными приборами на ПФВ величина погонного обратного затухания в этом случае достигает большей величины в более широкой полосе частот.

Конструктивные параметры приборов для К_u- и К- диапазонов длин волн соответственно составляют: намагниченность насыщения феррита 4800 Гс (марка феррита 1СЧ-4), внутреннее намагничивающее поле 2500 Э и 3000 Э (марка магнита КС-37); размеры ферритовых вкладышей 10х4х0,9 мм и 10х3х0,95мм; марка клея, крепившего ферритовые пластины вдоль узких стенок волновода, ВТ-25-200. Допуски на высоту корпуса, толщину ферритовых пластин и клеевого шва задаётся из условия обеспечения между ферритами и крышкой гарантированного вышеуказанного зазора. Размеры металлических пластин, расположенных в Е-плоскости между ферритовыми вкладышами составляют: 5х1х0,75мм и 6х1х0,7мм; величина зазора между ферритовыми вкладышами и широкой стенкой волновода 0,1 и 0,5 мм.

На рис.14 приведены электрические параметры приборов.

                                                    

Вентиль К_u- диапазона длин волн в полосе частот ∆f/f₀=15% имеет КСВН не более 1,2; прямое затухание α_пр не более 0,4дБ; обратное затухание α_обр не менее 85дБ; интервал рабочих температур от -60 до +85 ⁰С; габаритные размеры 31х27х23 мм.         

 

Вентиль К-диапазона длин волн в полосе частот ∆f/f₀=10% имеет КСВН не более 1,2; прямое затухание α_пр не более 0,4дБ; обратное затухание α_обр не менее 85 дБ; интервал рабочих температур от -60 до +85⁰С; габаритные размеры 25х25х22 мм.

На рис.15 изображен внешний вид разработанного  СВЧ-вентиля.
                                                                                                 

 

Величина вентильного отношения разработанных приборов составляет не менее 200, тогда как в широкоизвестных развязывающих приборах на ПФВ эта величина почти втрое меньше и составляет 60.

IV. Заключение.

По мнению автора, описанная конструкция может быть использована не только для создания вентилей с гигантским невзаимным эффектом, но и малогабаритных многоплечных циркуляторов с высоким вентильным отношением, малогабаритных электрически управляемых аттенюаторов с высоким динамическим диапазоном регулировки ослабления и многокаскадных СВЧ – усилителей отражательного типа с малыми габаритными размерами. Конструктивные аналоги перечисленных приборов приведены в работах [11,12,2].

1. Вашковский А.В. и др.// РЭ. 1983г. Т. 28. №9. С.1178.
2. Данюшевский Ю.З., Кирсанов Ю.А. и др. //Электронная техника. Сер. 1. СВЧ. 1982г. Вып.5. С.54.
3. Кирсанов Ю.А., Куликов В.Н., Эткин В.С. // Электронная техника. Сер.1. СВЧ. 1977г. Вып.3. С.30.
4. Кирсанов Ю.А. и др. СВЧ-вентиль: Патент 1062812 РФ//Б.И. 1983г. №47.С.238.
5. Кирсанов Ю.А. и др. СВЧ-вентиль: А.С.1309851 СССР, кл. Н 01 Р 1/38, 1987г
6. Кирсанов Ю.А. и др. Вентиль СВЧ: Патент 1764105 РФ, кл. Н 01 Р 1/38, 1993г.
7. Кирсанов Ю.А. и др. Невзаимное устройство: Патент 1185446 РФ, кл. Н 01 Р 1/38, 1993г.
8. Кирсанов Ю.А. Малоизвестные невзаимные ферритовые СВЧ приборы (сборник статей). Изд. «LAMBERT Academic Publishing», 2014г., С.6.
9. Кирсанов Ю.А. и др. Развязывающее устройство: Патент 1371323 РФ, кл. Н 01 Р 1/38, 1993г.
10. Кирсанов Ю. А. и др. Вентиль СВЧ: А.С. 1227072 СССР, кл. Н 01 Р 1/38, 1985г.
11. Кирсанов Ю.А. Развязывающие приборы, гл.8 в книге: Эткин В.С. Полупроводниковые параметрические усилители и преобразователи СВЧ, М., «Радио и связь», 1983 г.
12. Кирсанов Ю.А. и др. // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1979г. Вып.3. С.83.
13. Лакс Б. и Баттон К. Сверхвысокочастотные ферриты и ферримагнетики. «МИР». Москва, 1965 г., С.176.
14. Лакс Б. и Баттон К. Сверхвысокочастотные ферриты и ферримагнетики. «МИР». Москва, 1965 г., С.345.
15. Микаэлян А.Л. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах. М.-Л.: ГЭИ, 1963г., С.521.

Рецензии:

27.04.2015, 23:11 Каменев Александр Юрьевич
Рецензия: Актуально, наукообразно, доходчиво. Рекомендуется к печати.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий