Кірсанов Юрій Олександрович
ПО Радій, Москва
The article proposes to increase the return loss of the waveguide ferrite microwave isolator through a simple design solution. The isolator has a K-band operating frequency band of 25%, a insertion loss of not more than 0.4 dB, return loss is more than 80 dB, i.e. nonreciprocal attitude is not less than 200. A physical justification for the selection of structural elements of the device. This article is intended for engineers working in the field of non-reciprocal ferrite microwave devices.
ферритовая СВЧ-техніка; феритовий СВЧ-вентиль; навзамін; магнітна система; хвилеводний вентиль; вносяться втрати; зворотне загасання; феритовий вкладиш.
microwave ferrite technique; microwave ferrite isolator; nonreciprocal; magnetic system; waveguide isolator; insertion loss; return loss; ferrite insert.
Феритові розв'язують СВЧ-прилади, що працюють на поверхневій ферритовой хвилі (ПФВ), добре відомі і описані в літературі [3]. Ці прилади мають порівняно велике зворотне загасання, величина якого становить приблизно 30 дБ при внесених втрати 0,5 ... ..0,6 дБ. Однак розвиток СВЧ-техніки пред'являє до електричних параметрів розв'язують приладів все більш високі вимоги.
Збільшення зворотного загасання, що досягається шляхом каскадування відомих приладів, призводить до збільшення втрат, що вносяться і габаритних розмірів СВЧ-схеми в цілому. Зазначені недоліки стають істотними при створенні малогабаритних СВЧ-приладів з підвищеним відношенням зворотних і прямих втрат.
У даній роботі наведені конструктивна схема, принцип роботи і результати експериментального дослідження волноводного вентиля СВЧ з гігантської величиною зворотного загасання. Дослідження проведені в двох частотних діапазонах: КU (перетин хвилеводу 17х4 мм 2) і К (перетин хвилеводу 13Х3,2 мм 2). Ставлення зворотних і прямих втрат становить не менше 85 дБ / 0,4 дБ, тобто за величиною зворотного загасання даний прилад перевищує широко відомі ферритові вентилі СВЧ більш ніж на 50дБ.
II. Фізичні основи побудови НВЧ-вентиля з високим відношенням зворотних і прямих втрат.
В основі побудови ферритового СВЧ-вентиля на ПФВ з високим відношенням зворотних і прямих втрат лежать такі фізичні передумови.
1. антисиметричного розподіл амплітуди електричної компоненти НВЧ-поля ПФВ в поперечному перерізі хвилеводу, уздовж вузьких стінок якого розташовані поперечно намагнічені в протилежних напрямках прямокутні ферритові вкладиші Рис.1, [15].
Такий розподіл НВЧ поля дозволяє включити уздовж осі хвилеводу в Е-площині тонку металеву пластину, практично не викликає обурення поля ПФВ і в той же час відображає об'ємну хвилю типу Н10 (Рис.2) [4]. Е-площинна електрична стінка (металева пластина п.1, Рис2), що розділяє відрізок хвилеводу на два паралельних хвилеводних каналу, істотно підсилює ефект невзаимной граничності.
2. Ферити в розв'язують СВЧ-приладах часто мають форму циліндрів або прямокутних пластин. Через неелліпсоідальной форми феритових зразків, що знаходяться в однорідному зовнішньому магнітному полі, внутрішнє магнітне поле в фериті неоднорідне. Неоднорідний розподіл намагніченості призводять до порушення в фериті магнитостатических типів хвиль (МСВ) Рис.3, [13].
Для прямого напрямку поширення енергії ці коливання є паразитними, тому що відбирають енергію від ПФВ і їх частотний діапазон частково перекриває частотний діапазон існування ПФВ. Тому збудження МСВ призводить до збільшення внесеного прямого загасання і звуження робочої смуги частот вентиля.
На рис.4 (а) схематично показано якісний розподіл Нz - компоненти внутрішнього постійного магнітного поля вздовж і впоперек прямокутної ферритовой пластини, що знаходиться в однорідному зовнішньому магнітному полі.
Прибрати негативний вплив МСВ вдається шляхом зменшення внутрішньої магнітної неоднорідності вздовж поздовжньої кордону феррит-повітря, по якій поширюється ПФВ в прямому напрямку. Це досягається за рахунок використання магніту клиноподібної форми (рис.4б), [5]. На Рис.5 наведено якісний розподіл Нz -компоненти внутрішнього постійного магнітного поля уздовж (п.1) і впоперек (п.2) ферритовой пластини, що знаходиться в полі клинчастого магніту.
Експеримент показав, що приблизно такий же розподіл внутрішнього магнітного поля можна отримати більш простим способом - незначним зміщенням магнітів в поперечному напрямку корпусу приладу (або відносно один одного). Величина зміщення визначається експериментально і для 2-х см. Діапазону довжин хвиль становить не менше 0,2 від ширини фериту. Клиноподібна форма магніту або незначне зміщення магнітів в поперечному напрямку приладу, з одного боку, ліквідує умови збудження МСВ по межі «феррит-повітря», уздовж якої поширюється ПФВ в прямому напрямку, а з іншого - не перешкоджає порушенню МСВ по межі «феррит-метал », уздовж якої згасає ПФВ, поширюючись в зворотному напрямку. Досвід показує, що погонну величину загасання ПФВ в зворотному напрямку і зниження рівня відбитого сигналу можна істотно збільшити, якщо по межі «феррит-метал» змінити напрямок подмагничивания фериту з поперечного вертикального на поперечне горизонтальне. Зміна напрямку подмагничивания уздовж кордону поширення з загасанням ПФВ створює умови більш ефективної трансформації ПФВ в швидко затухаючі спінові і магнітостатіческіе типи хвиль. В роботі [6] наведено конструктивна схема, що дозволяє забезпечити цю умову. На Рис.6 наведено поперечний переріз конструктивної схеми такого приладу.
На зовнішніх бокових поверхнях прямокутних магнітів (п.2) розташовані з можливістю переміщення уздовж поперечної осі прямокутні пластини з магнітного матеріалу (п.3). Поздовжня вісь пластин паралельна осі хвилеводу, при цьому зовнішні бічні поверхні магнітів і бічні поверхні прямокутних феритових вкладишів, звернені до вузьких стінок хвилеводу, розміщені в одній площині. Довжина кожної пластини (п.3) дорівнює довжині феритового вкладиша, а товщина «# 8710;» обрана в межах [6]:
де: Hе - зовнішнє магнітне поле, спрямоване вздовж осі Z, (е);
Фізична інтерпретація даного методу полягає в наступному. Через неоднорідну внутрішньої намагніченості ферритовой пластини, обумовленої розмагнічувати факторами форми прямокутного фериту, частотний діапазон існування паразитних об'ємних МСВ, як уже вище зазначалося, частково перекриває частотний діапазон існування ПФВ. При введенні між ферритом і екрануючої площиною зазору, відбувається звуження частотного діапазону існування об'ємних МСВ за рахунок зникнення МСВ з великими хвильовими числами. Спектр МСВ зміщується в область частот, розташовану нижче частотної області існування ПФВ. Явище зміщення спектра МСВ в залежності від товщини діелектричного зазору між збудником і ферритом докладно описано в роботі [1]. Зсув паразитних МСВ з частотної області існування ПФВ призводить до зменшення електромагнітних втрат і розширенню робочої смуги частот НВЧ - вентиля.
4. Вищевказані методи [5], [6], [7] збільшення зворотного загасання і зменшення внесених електромагнітних втрат мають різний механізм дії на спектр паразитних МСВ і тому доповнюють один одного. Практика показує, що ці методи з успіхом можуть бути використані не тільки при конструюванні феритових приладів, що працюють на ПФВ, але і при конструюванні феритових навзамін приладів, що працюють на об'ємних коливаннях в фериті [8].
Діаметр штиря становить λ0 / 8, де λ0 - центральна довжина хвилі робочого діапазону довжин хвиль у вільному просторі. Величина зазору між торцем штиря і протилежної широкої стінкою відрізка хвилеводу вибирається з умови забезпечення на центральній частоті робочого діапазону перетворювача послідовного резонансу. Перетворювач працює наступним чином. При порушенні відрізка хвилеводу енергія хвилі Н10 через послідовного резонансу в контурі, утвореному металевим штирем і зазором, локалізується в реактивному елементі. Близькість реактивного елемента до поверхні фериту дозволяє забезпечити сильну електромагнітну зв'язок відрізка хвилеводу з феритовим вкладишем. Еквівалентність щільності СВЧ струму в реактивному елементі і структури поля робочого типу хвилі (ПФВ) в фериті дозволяє перетворити хвилю Н10 в ПФВ з високим коефіцієнтом передачі. Таким чином, малі розмір металевого штиря, узгодження щільності СВЧ струму в контурі з полем ПФВ в ферритовом елементі і близькість розташування штиря до поверхні, уздовж якої поширюється ПФВ, зумовлюють зменшення електромагнітних втрат і розширення робочої смуги частот перетворювача хвилі Н10 в ПФВ. Очевидно, що даний перетворювач може бути використаний не тільки в СВЧ вентилях на ПФВ, але і в абсолютній більшості феритових приладів на ПФВ. Як приклад, на Рис.9 і Рис.10 показано використання описаного перетворювача хвиль в 4-х плечном волноводном циркулятора і в волноводном навзамін делителе з нерівномірним розподілом потужності. Обидва прилади працюють на ПФВ.
6. Використання діелектричного ефекту в волноводе з двома феритовими шарами намагніченими в протилежні сторони. Відомо [14], що в деяких випадках між феритовими пластинами всередині хвилеводу існує практично ідеальна плоска хвиля (см.Ріс.11).
Прилад містить відрізок прямокутного хвилеводу (1), два однакових прямокутних феритових вкладиша (2) і ідентичні металеві пластини (3), прилеглі до вузьких зовнішніх бокових поверхнях феритових вкладишів. Довжина металевих пластин (Lм) вибирається з умови:
де: Lф - довжина феритових вкладишів;
λ0 - центральна довжина хвилі робочого діапазону довжин хвиль у вільному просторі.
Відстань (d) від металевої пластини до вузької стінки хвилеводу вибирається з умови:
Наявність двох металевих шарів, розташованих поздовжньо в волноводе нормального перетину в області максимального електричного поля зворотного ПФВ, розчленовує хвилевід на три паралельних позамежних шару. Це дозволяє трансформувати зворотну хвилю Н10 в хвилю вищого типу Н30. має в порівнянні зі зворотним хвилею нижчого типу, що поширюється в волноводе з одним феритовим вкладишем, втричі більше погонное зворотне загасання (не менше 90дБ / см).
Розташування феритових вкладишів на відстані 0,1 λ0 ÷ 0,2 λ0 від вузьких стінок хвилеводу дозволяє сформувати між ферритами при прямому поширенні сигналу, плоску хвилю, у якій основна частина енергії поширюється поза фериту, що дозволяє, при істотно збільшеному зворотному загасання, зберегти досить малий рівень погонного прямого загасання (не більше 0,5 дБ / см). Відзначимо, що СВЧ-вентиль, виконаний за описаною схемою, має вентильний відношення не менше 180.
III.Конструктівная схема і електричні характеристики вентиля СВЧ з гігантським навзамін ефектом.
На рис.13 представлена конструктивна схема приладу. Вентиль містить прямокутний відрізок позамежного хвилеводу, по вузьких стінок якого приклеєні прямокутні поперечно намагнічені в протівоподложние боку ферритові вкладиші. По осі відрізка хвилеводу в Е-площині між феритовими вкладишами включена металева пластина, гальванічно пов'язана з широкими стінками хвилеводу. Довжина пластини менше довжини феритових вкладишів на величину λ0 / 4, де λ0 - центральна довжина хвилі робочого діапазону довжин хвиль у вільному просторі. Між феритовими вкладишами і однією з широких стінок хвилеводу є повітряний зазор, величина якого визначається відповідно до п.3 (див.вище). Трансформація хвилі Н10 в ПФВ (і назад), а також узгодження з хвилеводної лінією нормального перетину здійснюється за допомогою перетворювача типів хвиль, що складається з металевих штирів з регульованою глибиною занурення, і четвертьволнового трансформатора.
Два штиря діаметром λ0 / 8 розташовані в площині торців феритових вкладишів, торкаючись поверхні фериту, а один - діаметром λ0 / 16, розташований по осі хвилеводу на рсстояніі λ0 / 8 від площини торців феритів. Для забезпечення локального горизонтального подмагничивания по межі «феррит-метал» і одночасної термостабілізації електричних параметрів приладу використовуються магнітні пластини зі сплаву Н32Х6Ю. Довжина, ширина і товщина пластин визначалася відповідно до п.2 (див.вище) і дорівнювала відповідно довжині і висоті магнітів, а товщина становила 1,2 мм.
У зворотному напрямку сигнал відчуває сильне загасання, обумовлене включенням між феритовими вкладишами в Е-площині металевої пластини (див. Вище п.1), а також введенням локальної горизонтальної намагніченості феритів по межі «феррит-метал» (див. Вище п. 2) . У порівнянні з відомими приладами на ПФВ величина погонного зворотного загасання в цьому випадку досягає найбільшої величини в більш широкій смузі частот.
Конструктивні параметри приладів для Кu - і К діапазонів довжин хвиль відповідно складають: намагніченість насичення фериту 4800 Гс (марка фериту 1СЧ-4), внутрішнє намагнічує поле 2500 Е і 3000 Е (марка магніту КС-37); розміри феритових вкладишів 10х4х0,9 мм і 10х3х0,95мм; марка клею, кріпляться ферритові пластини вздовж вузьких стінок хвилеводу, ВТ-25-200. Допуски на висоту корпусу, товщину феритових пластин і клейового шва задається з умови забезпечення між ферритами і кришкою гарантованого вищевказаного зазору. Розміри металевих пластин, розташованих в Е-площині між феритовими вкладишами складають: 5х1х0,75мм і 6х1х0,7мм; величина зазору між феритовими вкладишами і широкої стінкою хвилеводу 0,1 і 0,5 мм.
На рис.14 наведені електричні параметри приладів.
Вентиль Кu - діапазону довжин хвиль в смузі частот # 8710; f / f0 = 15% має КСХН не більше 1,2; пряме загасання αпр не більше 0,4дБ; зворотне загасання αобр не менше 85дБ; інтервал робочих температур від -60 до +85 0 С; габаритні розміри 31х27х23 мм.
Вентиль К-діапазону довжин хвиль в смузі частот # 8710; f / f0 = 10% має КСХН не більше 1,2; пряме загасання αпр не більше 0,4дБ; зворотне загасання αобр не менше 85 дБ; інтервал робочих температур від -60 до +85 0 С; габаритні розміри 25х25х22 мм.
На рис.15 зображений зовнішній вигляд розробленого СВЧ-вентиля.
Величина вентильного відносини розроблених приладів складає не менше 200, тоді як в широковідомих розв'язують приладах на ПФВ ця величина майже втричі менше і становить 60.