Циркулятор – это многоканальное устройство, в котором электромагнитные волны распространяются в определенной последовательности.

Использование циркуляторов в СВЧ-устройствах для коммутации, развязки и других цепей основывается на рассмотренных выше свойствах.

 

 

Рис.7.9 Примеры применения циркуляторов.

 

 

Рассмотрим несколько примеров применения циркуляторов.

Как известно, изменение ориентации внешнего магнитного поля на противоположное изменит направление циркуляции на обратное, т.е. циркуляция в направлении 1®2®3 заменяется циркуляцией 1®3®2®1.

Это позволяет использовать циркуляторы в качестве быстродействующих переключателей, например, в схемах резервирования фазовые циркуляторы можно переключать с частотой 10 МГц.

На рис.7.9а показано простейшее применение циркулятора в качестве развязывающего вентиля при большой мощности СВЧ генератора. Циркуляторы применяются в так называемых отражательных усилителях СВЧ диапазона к числу которых относятся квантовые параметрические усилители и параметрические усилители на полупроводниковых диодах (рис.7.9б).

С помощью циркулятора можно обеспечить одновременную работу передатчика и приемника на одну антенну (рис.7.9 в).

Поглощающая нагрузка позволяет улучшить защиту приемника от сигналов передатчика. В отличие от схем антенных переключателей, рассмотренных ранее, при использовании циркуляторов передатчик и приемник могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме.

С помощью циркуляторов можно осуществлять так называемое высокочастотное уплотнение антенно-волноводного тракта, при котором один и тот же тракт используется для передачи и приема нескольких широкополосных сигналов.

 

7.8 Ферритовые фазовращатели

Ферритовый фазовращатель состоит из линии передачи (волноводной, коаксиальной или полосковой), содержащей намагниченный феррит.

Управление фазой высокочастотных колебаний осуществляется путем изменения намагничивающего поля и, вследствие этого изменения, магнитной проницаемости феррита, что ведет к изменению электрической длины фазовращателя.

По принципу действия ферритовые фазовращатели делятся на взаимные и невзаимные.

Невзаимные фазовращатели или секции дифференциального фазового сдвига для волн противоположного направления распространения используют обычно эффект необратимого фазового сдвига в поперечно или продольно намагниченных ферритах. Часто невзаимные фазовращатели применяются для получения фиксированного дифференциального фазового сдвига, например p/2 и p. В этом случае для создания внешнего магнитного поля вместо соленоида используется компактный постоянный магнит.

 

Взаимные фазовращатели

Для создания ферритового фазовращателя, в котором вносимый фазовый сдвиг не зависит от направления движения волны, можно использовать свойства круглого волновода с продольно намагниченным ферритом.

 

Рис.7.10 Взаимный фазовращатель.

 

 

Если в волноводе расположены два ферритовых стержня (друг за другом) намагниченных в противоположных направлениях, то результирующий угол поворота плоскости поляризации равен нулю (рис.7.10)

.

 

7.9 Ферритовые вентили

 

Ферритовые вентили – это устройства, обеспечивающие прохождение электромагнитных волн преимущественно в одном направлении.

При включении между генератором и нагрузкой, энергия, отраженная от нагрузки, не проходит через вентиль и поглощается в нем, что обеспечивает независимость режима генератора от величин и характера нагрузки, т.е. развязывает их.

В настоящее время разработано большое число различных ферритовых устройств, перекрывающих диапазон волн примерно от 1 мм до 1 м. В зависимости от характера явлений в подмагниченных ферритах на СВЧ вентили делятся на несколько типов. Рассмотрим те, которые получили наибольшее распространение.

 

Вентили на смешении поля

 

Вентили на смешении поля в конструктивном отношении представляют собой отрезок прямоугольного волновода, в котором размещена толстая ферритовая пластина, порытая с одной стороны поглощающим слоем (рис.7.11). На волновод надевается постоянный магнит, создающий постоянное магнитное поле.

При намагничивании толстых ферритовых пластин поперечным полем наблюдается эффект смещения поля волны Н₁₀, распространяющейся по волноводу. Электрическое поле прямой волны в месте расположения поглощающего слоя имеет минимальное значение. Таким образом, поглощающий слой будет оказывать слабое влияние на прямую волну, в то время как обратная волна будет интенсивно в нем затухать. Для уменьшения отражения используют ферритовую пластину со скосами на обоих концах.

 

Рис.7.11 Ферритовый вентиль на смещении поля:

а – конструкция; б – распределение электрического поля.

 

Основное достоинство таких вентилей состоит в том, что их параметры стабильны, а сами вентили очень просты в изготовлении и настройке.

Максимальный допустимый уровень мощности в сантиметровом диапазоне равен 10 – 15 Вт средней и 7 – 10 кВт импульсной мощности.

Потери при прямом прохождении волны составляют доли децибела, а при обратном – 30 – 40 дБ.

 

 

Резонансные вентили

В ферритовых резонансных вентилях используется ферромагнитный резонанс, различие затухания волн, распространяющихся в противоположных направлениях по прямоугольному волноводу. Резонансный вентиль представляет собой отрезок прямоугольного волновода, в котором параллельно узкой стенке установлена поперечно намагниченная ферритовая пластина (рис.7.12). Для обеспечения ферромагнитного резонанса постоянное магнитное поле в резонансных вентилях должно быть достаточно большим. Улучшение параметров резонансного вентиля может быть получено путем расположения параллельно ферритовой пластины диэлектрической пластины, увеличивающей напряженность поля у феррита.

Такая двухслойная пластина в резонансном вентиле либо поддерживается в нужном сечении диэлектрическим стержнем, проходящим через небольшое отверстие в боковой стенке волновода, либо приклеивается к широким стенкам волновода.

 

 

Рис.7.12 Сечение волноводного резонансного вентиля.

 

Особенностью резонансных вентилей является то, что поглощение обратной волны происходит в самом феррите. Поэтому область применения таких вентилей ограничивается случаями, когда мощность обратной волны не очень велика.