Принцип действия функциональных узлов

1. Принцип действия ферритовых вентилей может быть основан на разных явлениях: ферромагнитного резонанса, явления смещения поля и эффекте Фарадея. Наиболее распространенными являются конструкции, использующие первыедва явления.

Вентилем называется четырехполюсник, который в прямом направлении пропускает электромагнитную волну с малым затуханием, а в обратном - с большим затуханием.

Вентили можно использовать для устранения влияния нагрузки на работу генератора. При этом вентиль ставят на выходе генератора, питающего нагрузку через длинный волновод, что позволяет исключить в магнетронном генераторе "эффект длинной линии", связанный с затягиванием частоты магнетрона, при котором частота генерации магнетрона изменяется скачком. Вентили могут также использоваться для устранения волны, отраженной от нагрузки с тем, чтобы на большей части линии КСВ было мало. При этом вентиль ставят около нагрузки.

36

2. Принцип действия резонансного вентиля (рис. 3.6) основан на явлении ферромагнитного резонанса. Рассмотрим положение магнитных силовых линий волны Н₁₀ (рис.3.5) в разные моменты времени t и t + Dt, когда волна бежит слева направо. Как видно, в одной и той же точке А волновода в разные моменты времени вектор магнитного поля имеет разное направление касательной к силовой линии. Таким образом, магнитное поле, с одной стороны, от оси волновода имеет одно направление вращения, а c другой стороны - обратное. Где оно будет правым и где левым, зависит от того, куда будет направлено поперечное подмагничивающее поле. Если поле Н₀ направлено от нас перпендикулярно рисунку, то внизу будет правое вращение, наверху - левое. Оказывается, что есть две продольные линии с координатой

x = 0,25а и x = 0,75a (если l = 0,7l_кр), где вращение становится круговым. Как это видно из рис.3.5, при x = 0 и x = а/2 поляризация магнитного поля линейная: на оси волновода вертикальная, на краю - горизонтальная. Легко понять, что у волны отраженной направление вращения изменится на обратное, так как силовые линии поля Н во времени поменяются местами. Если теперь в области, где имеет место круговая поляризация магнитного поля, поместить ферритовую пластину 1, то при наличии соответствующего подмагничивающего поля (2 - магнит) прямая волна с левым вращением высокочастотного магнитного поля будет испытывать небольшое ослабление, тогда как обратная волна с правым вращением будет сильно поглощаться ферритом. Обратное затухание у резонансных вентилей трехсантиметрового диапазона волн составляет 23-35 дБ, тогда как прямое не должно превышать 0,4-0,8 дБ при КБВ 0,95-0,83.

3. Вентиль на смещении поля использует различие в структуре поля прямой и обратной волн. На рис. 3.7 показана конструкция вентиля в поперечном сечении и кривая распределения вертикальной составляющей напряженности электрического поля Е_y для прямой волны Епр и обратной Еобр. В месте расположения поглощающей пленки 3 находится максимум поля Е обратной волны и минимум поля Е прямой волны. Поэтому затухание для обратной волны велико, тогда как для прямой - мало. Роль феррита 1 сводится не к поглощению высокочастотной энергии обратной волны, а в создании невзаимной структуры поля волн прямой и обратной.

По сравнению с резонансными вентилями вентили на смещении поля работают при меньшем значении подмагничивающего поля, а, следовательно, имеют меньше вес и габариты, чем резонансные вентили. Кроме того, величина магнитного поля Н₀ не столь критична для его работы, поэтому они более широкополосны. К числуих недостатков следует отнести малый допустимый уровень мощности, который в сантиметровом диапазоне не превышает 7-10 кВт импульсной мощности.

Вентильное отношение у вентилей на смещении поля меньше так, что

обратное затухание составляет всего 12-25 дБ, прямое 0,3-0,7 дБ при КБВ = 0,85-0,9.

4. Циркуляторы представляют собой многополюсник с тремяиличетырьмя выходами, в котором соблюдается определенная последователь­ность передачи сигналов от входа к выходу: от первого ко второму, от второго к третьему и т.д.

Циркуляторы используются в качестве антенных переключателей, когда требуется обеспечить работу передатчика и приемника с одной антенной (рис.3.8,а). Они могут также использоваться в проходных фазовращателях и для разделения входной и выходной мощностей у па­раметрических усилителей, имеющих совмещенный вход и выход (рис. 3.8,б).

5. Поляризационный циркулятор в основе своей конструкциииме­ет круглый (или квадратный) волновод I (рис.3.9) с ферритовым стержнем 3, расположенным вдоль оси волновода, и соленоидом2, создающим продольное подмагничивающее поле. Феррит поляризационного циркулятора работает в области А - малых значений подмагничивающего поля (рис.3.1,б).

На входе и выходе круглый волновод переходит в прямоугольные волноводы  и , сечения которых повернуты друг относительно друга на 45°. В переходных конусах 4 и 4' волна Н₁₀ при переходе из прямоугольного волновода в круглый преобразуется в волну Н₁₁ и наоборот. С круглым волноводом перпендикулярно его оси стыкуются еще два прямоугольных волновода  и , широкие стенки которых ориентированы в направлении продольной оси устройства. Продольная ось волновода  направлена перпендикулярно широкой стенке волновода , a ось волновода  - перпендикулярно широкой стенке волновода , т.е. волноводы  и  тоже взаимно повернуты на 45° друг относительно друга.

Толщина ферритового стержня подбирается из условия, чтобы в круглом волноводе возбуждалась волна Н₁₁ и не возбуждались волны высших типов.

Длина стержня и величина подмагничивающего поля подбираются из условия поворота плоскости поляризации волны Н₁₁ на выходном конце стержня на 45° относительно поляризации на входном конце.

Передача сигнала от входа  к выходу  происходит следующим образом. Волна Н₁₀ из волновода  переходит в круглый волновод и преобразуется в волну Н₁₁. Последняя возбуждает в волноводе  волну Е₁₁, которая находится в закритическом режиме и сигнал на вход  не проходит.

39

На отрезке круглого волновода с ферритом волна Н₁₁ поворачивает плоскость поляризации на 45° (благодаря эффекту Фарадея), проходит мимо волновода  (поскольку условия его возбуждения аналогичны условиям для волновода )и, преобразовавшись в волну Н₁₀, попадает в волновод .

При проходе отраженной волны из волновода  волна Н₁₀ транс­формируется в волну Н₁₁, проходит мимо волновода  и на участке с ферритом поворачивает плоскость своей поляризации еще на 45°. Теперь плоскость поляризации волны Н₁₁ в области волновода  и  такова, что в волноводе  возбуждается волна Н₀₁ в закритическом режи­ме, а в волноводе  рабочая волна Н₁₀. Легко убедиться, что порядок передачи сигнала от входа к выходу в рассматриваемом циркуляторе следующий: ®®®®.

6. Фазовые циркуляторы обычно выполняются в двух конструктив­ных вариантах: с двумя щелевыми мостами или со щелевым мостом (I на рис.3.10) и двойным Т-мостом (2 на рис.3.10). Около общей стенки сдвоенного волновода между мостами стоят две поперечно намагниченные ферритовые пластинки 3. Они создают невзаимный фазовый сдвиг 90° благодаря разным значениям коэффициентов фазы у прямой и обратной волн, что обусловлено обратными направлениями вращения высокочастотного магнитного поля в области пластин.

В результате того, что в щелевом мосте при подаче сигнала на вход I благодаря противофазности возбуждения канала  волнами Н₁₀ и H₂₀, возникающими на протяжении L щели, на вход  сигнал не поступает. Волны H₁₀ и H₂₀, распространяясь на протяжении щели, приобретают в ее конце сдвиг по фазе в 90 ° за счет различияих коэффициентов фазы (Е_Н10 и Е_Н20). В результате в конце щели суммарные поля волн Е₁ и E₂ имеют взаимный сдвиг по фазе 90°, а в сечениях А-А и В-В они синфазны и потому проходят в Н-плечо двойного Т-моста, т.е. в канал .

Легко проследить, что последовательность передачи сигналов из канала в канал соответствует схеме: ®®®®.

7. Y (игрек) - циркуляторы выполняются на базе волноводного или полоскового разветвления с тремя каналами, повернутыми на 120° друг относительно друга в одной плоскости (рис.3.11). В центре разветвления размещается диэлектрическая втулка I, ферритовый цилиндр 2, который намагничивается вдоль своей оси постоянным магнитом.

Принцип работы Y-циркулятора заключается в следующем. Элек­тромагнитная волна, поданная, например, на вход  (рис. 3.11), разветвляется на две волны, огибающие феррит по и против часовой стрелки. Эти волны распространяются с разными фазовыми скоростями: одна из них бежит быстрее второй. Разница в скоростях позволяет путем подбора размеров циркулятора,

Выход

параметров феррита и подмагничивающего поля сделать так, чтобы электрический путь (в числах длин волн) от входа  до выхода  быстрой волны, огибающей феррит против часовой стрелки, был бы равен электрическому пути медленной волны от входа  до выхода , огибающей феррит по часовой стрелке. В результате на входе  поля волн сложатся в фазе, а на выходе  - в противофазе.

Развязка между каналами достигает 20-25 дБ при рабочей полосе частот 3-7%.

8. Коммутаторы, например, в виде переключателей могут быть выполнены с ферритовыми элементами, параметрами которых можно управлять изменением подмагничивающего поля Н₀. Последнее регулируется изменением постоянного тока в обмотке соленоида.

Один из вариантов переключателя может быть реализован на базе поляризационного циркулятора, в котором переключение сигнала с выхода IV на выход II и наоборот производится путем подачи в обмотку соленоида тока разного направления (или тока одного направления, но то в одну, то в другую обмотку подмагничивания, которые намотаны в противоположные стороны). В одном случае поворот плоскости поляризации производится на +45°, в другом -45° и потому согласно схеме, указанной на рис.3.9, передача сигнала будет производиться то во II - й, то в IV -й канал. Такие переключатели использованы в ДИСС. Развязка между каналами составляет 40-60 дБ.

Вращатель плоскости поляризации, использующий эффект Фарадея, может служить переключателем режимов работы, например, при получении двух взаимно перпендикулярных поляризаций поля - горизонтальной и вертикальной. Такой вращатель плоскости поляризации используется в бортовой РЛС "Гроза" для переключения режимов работы антенны с веерной на игольчатую диаграмму направленности (с режима ”Земля’’ на режим ”Метео”).