Ферритовые устройства СВЧ

Лекция 4. Ферритовые устройства СВЧ 4.1. Ферромагнитические свойсва и явления Феррит (англ. – ferrite) – магнитодиэлектрический материал с кристаллической структурой, которому присущи гиромагнитные свойства. Относительная диэлектрическая проницаемость ферритов ε находится в пределах 8 – 16, тангенс угла электрических потерь tg δ = 10 −3 − 10 −2 , магнитная проницаемость при отсутствии подмагничивания близка к единице. При отсутствии внешнего магнитного поля ферриты на всех частотах являются изотропными материалами с взаимными свойствами. Различают три разновидности кристаллической структуры ферритов: шпинели, граната и гексагональная. Ферриты могут быть поликристаллическими и монокристаллическими. Производство поликристаллических ферритов осуществляется за технологией характерной для керамики – из смеси окислов с пластификатором формируют полуфабрикаты, которые потом спекают при температуре 1000 – 1400°С. Рассмотрим основные явления в подмагниченных ферритах, на которых основывается работа устройств СВЧ. Δ ЕА А ЕВ ЕВ В L Δ Н0 a А В ЕА Н0 б Рис. 4.1. Распространение волн в гиротропной среде: а – по направлению поля подмагничивания, б – в противоположном направлении Эффект Фарадея состоит в повороте плоскости поляризации электро магнитной волны при ее распространении вдоль поля подмагничивания H 0 . При распространении электромагнитной волны в гиротропной среде из точки  А в точку В (рис.4.1, а) по направлению вектора H 0 электрический вектор E поворачивается по часовой стрелке на угол ∆ . При обратном распространении  (рис.4.1, б) вектор E поворачивается протии часовой стрелки на тот же угол по ходу волны. Эффект Фарадея в гиротропных средах объясняется тем, что эффективные магнитные проницаемости для волн круговой поляризации имеют разные значения с правой ( µ + ) и левой поляризации ( µ − ). Характер зависимостей µ + и µ − для слабого магнитного поля H 0 приведен на рис.4.2. 94 Линейную поляризацию можно представить как суперпозицию двух полей круговой поляризации E + и E − (рис.4.3, а), тогда для их фазовых скоростей ( vф+ , vф− ) и соответствующих длин волн µ µ− µ+ этих полей ( Λ+ , Λ− ) можно записать следующие выражения: H0 Рис. 4.2. Эффективные магнитные проницаемости феррита для слабого ма гнитного поля vФ+ = с / εµ + ; vФ− = с / εµ − ; (4.1) Λ+ = λ / εµ + ; Λ− = λ / εµ − . (4.2) Векторы E + и E − в точке B (рис.4.3, б) будут отставать по фазе от соответствующих векторов в точке A за счет разности хода на углы ϕ + = 2π L / Λ+ ; ϕ − = 2πL / Λ− . (4.3) Поскольку при прямом распространении ( H 0 > 0 ) µ + < µ − (рис.4.2), вектор Е ϕ+ Е– Е+ А a ϕ− ЕB Δ Е+ ϕ− ЕА Δ Е– ϕ+ Е– А B б в Е+ E + в точке B отстает на меньший угол, чем E − . А результирующий вектор E B поворачивается на угол − + ∆ = 0,5(ϕ − ϕ ) . При обратном распространении ( H 0 < 0 ) µ + > µ − (рис.10.2) вектор E + в точке A (рис.10.3,в) отстает на больший угол, чем E − . Результирующий вектор E A поворачивается на угол ∆ = 0,5(ϕ + − ϕ − ) . При слабых полях угол поворота ∆ пропорционален напряженности подмагничивания H 0 и расстоянию между точками L . При увеличении H 0 наступает насыщение. Эффект Фарадея является невзаимным, то есть угол поворота плоскости поляризации не зависит от направления распространения волны и именно этим объясняется невзаимность эффекта Фарадея. Происхождение термина «гиротропия» связано именно с этим эффектом. В ферритах в относительно сильном продольном или поперечном магнитном поле наблюдается явление ферромагнитного резонанса. При продольном подмагничивании резонанс имеет место тогда, когда частота волны круговой поляризации правого вращения приближается к частоте прецессии электронов Рис. 4.3 . Направления векторов электрического поля: а – в начальной точке А, б – в конечной точке В, в – в конечной точке А f II = f 0 ≅ 2,84 H 0 , 95 (4.4) где f – частота в мегагерцах, а H 0 в эрстедах. Поперечное подмагничивание дает несколько большую резонансную частоту f⊥ ≅ f0 1 + M 0 / H 0 , (4.5) где M 0 – намагниченность феррита. На рис.4.4 показан характер зависимостей магнитных проницаемос тей феррита для правополяризованной волны µ + = µ′+ + jµ′+′ и левополяризованной µ − от величины H 0 . Из графиков видно, что магнитная проницаемость для правополяризованной волны имеет резонансный характер, и мнимая составляющая магнитной проницаемости µ′+′ , учитывающая µ+ , µ− µ′+′ потери в феррите, максимальна при резонансе. Резонансный характер магнитной проницаемости µ + µ′+ обусловлен тем, что частота и направление возµ− буждающего поля совпадает с частотой и направлением прецессии электронов. Для левополяризо0 ванной волны направление вращения поля и преH0 цессии электронов противоположны, резонанс невозможен, и магнитная проницаемость µ − изменяется плавно. Рис. 4.4. Компоненты магн итны х прони цаем оЧастоту резонанса f 0 путем изменения стей фер рит а в сильном напряженности поля подмагничивания H 0 можно ма гнитном поле подобрать равной рабочей частоте колебаний. Правополяризованные волны при распространении в направлении H 0 испытывают затухание, а волны, распространяющиеся против вектора H 0 , практически не испытывают затухания. В тонких ферритовых пластинах в прямоугольном волноводе с волной типа Н10 при поперечном подмагничивании наблюдается невзаимный фазовый сдвиг. Ферритовая пластина располагается между срединой волновода и одной из узких стенок, пластина подмагничивается слабым полем H 0 перпендикулярно. При этом структура поля волны Н10 почти не нарушается. Невзаимный фазовый сдвиг обусловлен следующим. Компоненты магнитного поля основной волны в прямоугольном волноводе Н10 определяются следующим образом: H x = ± A± [( )] π πx sin exp j ωt  βz + ϕ ± ; a a ± π 2 [( (4.6) )] πx 1 H z = − jA   cos exp j ωt  βz + ϕ ± , a a γ 96 (4.7) где A – амплитуда волны; β – постоянная распространения; ϕ – начальная фаза; верхний и нижний индексы относятся соответственно к волнам, которые распространяются в направлении увеличения и уменьшения координаты z . Если амплитуду составляющей H Z принять равной единице, тогда [( πx 2a sin exp j ωt  βz + ϕ ± ; Λ a H z = cos πx exp j ωt  βz + ϕ ± , a [( )] где Λ – длина волны в волноводе. Н0 y Распространение волны b z x x2 a x1 )] Hx = ± j Рис. 4.5. Положе ния плоскостей круговой поляризации в прямоугольном волноводе амплитуды компонент (4.8) и (4.9): (4.8) (4.9) Наличие множителя ± j в уравнении (4.8) указывает на то, что компоненты поля H z и H x сдвинуты по фазе относительно друг друга соответственно на ±90°. Таким образом, существуют две симметричные плоскости x1 и x2 (рис.4.5), в которых амплитуды компонент одинаковы H z = H x и поле H имеет круговую поляризацию. Положения этих плоскостей можно определить, приравнивая 2a πx πx sin = cos Λ a a (4.10) и находя корни этого уравнения Λ a (4.11) x1 = arctg ; x2 = a − x1 . π 2a В плоскостях x1 и x2 каждому направлению распространения волны соответствует определенное направление круговой поляризации. При таком размещении ферритовой пластины и таком направлении распространения волны, как это указано на рис.4.5, в феррите будет правополяр изованное поле и фазовая скорость будет определяться µ + . Для волны, которая будет распространяться в обратном направлении, поле в феррите будет левополяризованным и фазовая скорость будет определяться µ − . Поскольку µ + и µ − имеют разные значения, то и фазовый сдвиг на единицу длины ферритовой пластины при прямом и обратном направлениях распространения волны будет разным, то есть невзаимным. Ферритовые пластины ограниченной длины характеризуются дифференциальным (разностным) фазовым сдвигом ∆ϕ . С увеличением толщины пла- 97 стины для максимизации ∆ϕ пластину размещают ближе к стенке волновода. При заданных значениях подмагничивающего поля H 0 и характеристиках феррита можно найти такую толщину пластины возле самой стенки волновода, которая обеспечивает максимальную величину ∆ϕ . Это очень важно для эффективного теплоотвода. В прямоугольном волноводе со сравнительно толстой ферритовой пластиной при сильном поперечном поле подмагничивания наблюдается явление «смещения поля». Суть этого явления соН0 Н0 стоит в том, что для одного направления распространения волны феррит имеет Еу Еу магнитную проницаемость, которая существенно превышает единицу и поле а б концентрируется вблизи пластины (рис.4.6, а). То есть пластина работает Рис 4.6. Яв ление «смещения поля»: а – распределение вектора Е для пакак диэлектрический волновод, в котодающей волны, б – для отраженной ром распространяется поверхностная волны волна. Для обратного распространения волны µ ≈ 1 и феррит мало влияет на структуру поля (рис.4.6, б). В этом случае волна «вытесняется» из пластины. Поле подмагничивания в несколько раз меньше резонансного. 4.2. Ферритовые устройства СВЧ на эффеке Фарадея Эффект Фарадея успешно используется в вентилях. Вентиль (англ. – isolator) – это четырехполюсник СВЧ, который пропускает волну в одном направлении почти без отражения и ослабления, но поглощает волну, распространяющуюся в обратном направлении. Идеальная матрица рассеяния вентиля имеет вид 0 0  S =  . 1   α І а Н0 ІІ Н0 б в Рис. 4.7. Вентиль Фарадея 98 (4.12) Вентили применяются для защиты генераторов СВЧ от изменения сопротивления нагрузки, для построения развязывающих цепей, в качестве элементов измерительных установок. Фарадеевский вентиль (англ. – Faraday isolator), схематически изображен на рис.4.7,а. Он состоит из отрезка круглого волновода с ферритовым стержнем, размещенным на оси волно- вода, и внешнего соленоида, который образует продольное поле подмагничивания. С обоих боков круглый волновод заканчивается плавными переходами к прямоугольным волноводам. Посредине переходов параллельно широким стенкам входного и выходного прямоугольного волновода установлены поглощающие пластины. Выходной прямоугольный волновод повернут по отношению к входному на угол 45°. Волна прямоугольного волновода Н10, которая подана на вход І, не испытывая ослабления в поглощающей пластине, трансформируется в волну Н11 круглого волновода с вертикальной поляризацией электрического поля. Диаметр, длина ферритового стержня и напряженность поля подмагничивания выбираются так, чтобы плоскость поляризации волны при распространении вдоль отрезка круглого волновода с ферритом поворачивалась по часовой стрелке на 45°. Тогда волна без потерь проходит через переход с поглощающей пластиной в выходной прямоугольный волновод, узкие стенки которого оказываются параллельными вектору электрического поля (рис.4.7, б). Для уменьшения отражения концы ферритового стержня и поглощающих пластин заостряют. Отраженная волна, поступающая на вход ІІ (рис.4.7, в), без ослабления трансформируется в волну Н11 круглого волновода. При распространении на участке с ферритовым стержнем плоскость поляризации волны поворачивается по часовой стрелке на 45°. На выходе круглого волновода с ферритом вектор электрического поля оказывается параллельным широким стенкам прямоугольного волновода входа І и поглощающей пластине. На вход І волна не проходит и вся мощность, которую она переносит, рассеивается в поглощающей пластине. Реальные вентили характеризуются потерями L = −20 lg s21 , затуханием A = −20 lg s12 ; развязкой H = 20 lg( s21 / s12 ) , КСВ и рабочей полосой частот, в которой указанные параметры не хуже заданных. Наиболее часто фарадеевские вентили, благодаря простоте конструкции, используются в миллиметровом диапазоне. Для таких вентилей потери составляют около 1 дБ, развязка – не менее 20 дБ, КСВ не превышает 1,2. Напряженность поля подмагничивания лежит в границах 10 – 15 Э. Если в устройстве, показанном на рис.4.7, заменить поглощающие пл астины на дополнительные ответвления прямоугольных волноводов, то получим четырехплечий циркулятор. Циркулятор (англ. – circulator)– это согласованный невзаимный многополюсник СВЧ, в котором передача мощности осуществляется в одном направлении со строгим порядком передачи между плечами. Идеальная матрица рассеивания четырехплечего циркулятора с порядком передачи между плечами 1–2–3–4–1 имеет вид 0 1  S= 0  0 0 0 1 0 0 0 . 1 0 0  0 1 0 99 (4.13) Поляризационный циркулятор схематически изображен на рис.4.8,а. При возбуждении плеча 1 (рис. 4.8,б) СВЧ мощность проходит в плечо 2 как и в фарадеевском вентиле, а боковые плечи 3 и 4 не возбуждаются. Если мощность подается в плечо 2 (рис.4.8, в), то после прохождения отрезка круглого волновода с ферритом плоскость поляризации волны поворачивается на 45° по часовой стрелке, а результирующее поле с горизонтальной поляризацией возбуждает плечо 3 и не возбуждает плечо 1. Поданная в плечо 3 мощность (рис.4.8,г) порождает в круглом волноводе волну с горизонтальной поляризацией, которая в плечо 1 не проходит. При распространении в отрезке волновода с ферритом плоскость поляризации этой волны поворачивается на 45° и вектор электрического поля оказывается параллельным широким стенкам волновода плеча 2, которое не возбуждается, и мощность проходит в плечо 4. При подаче мощности в плечо 4 (рис.4.8, д ) в круглом волноводе возбуждается волна с вектором электрического поля параллельным широким стенкам волновода плеча 2, которое не возбуждается. При распространении влево по отрезку волновода с ферритом плоскость поляризации поворачивается на 45°, так что вектор 4 3 электрического поля оказывается параллельным узким стенкам волН0 1 а 2 новода плеча 1. СВЧ мощность Н0 проходит в это плечо, а плечо 3 не 3 4 возбуждается. Таким образом, рас2 смотренное устройство при услоб 1 вии отсутствия потерь и отражений имеет свойства идеального цирку3 4 лятора с матрицей рассеяния 2 в 1 (4.13). Если в рассмотренном 3 4 устройстве изменить направление поля подмагничивания (при этом 2 1 г плоскость поляризации волны в волноводе с ферритом будет пово3 4 рачиваться на 45° против часовой 2 стрелки), тогда получим циркуляд 1 тор с измененным порядком передачи между плечами (1–4–3–2–1). Рис. 4.8. Поляризационный циркулятор Таким образом, при изменении направления тока в соленоиде циркулятор и фарадеевский вентиль превращаются в электрически управляемые коммутатор и выключатель. Основным недостатком поляризационного циркулятора является низкая допустимая мощность, поскольку затруднен эффективный теплоотвод для ферритового стержня. 100 При скачкообразном изменении величины тока в управляющем соленоиде есть возможность использования эффекта Фарадея для построения переключателя СВЧ мощности. Схема переключателя на два канала показана на рис.4.9. Прямоугольные волноводы 1 и 2 подключаются к круглому через плавные переходы, причем их широкие стенки параллельны между собой. 3 Прямоугольный волновод плеча 3 включен через боковое отверстие в 1 Н0 2 стенке круглого волновода так, что Н0 плоскость Н волновода плеча 3 совпадает с плоскостью Е волноводов плеч Рис. 4.9. Ферровый переключаель 1 и 2. При отсутствии тока подмагничивания волна, которая подана в плечо 1, свободно проходит через круглый волновод с ферритом и полностью поступает в плечо 2. При включении тока подмагничивания волна от плеча 1, проходя через круглый волновод с ферритом испытывает поворот плоскости поляризации на угол 90° и возбуждает плечо 3. Рассмотренная конструкция переключателя является основой для реализации регулируемого делителя мощности. В зависимости от величины тока подмагничивания волна от плеча 1, проходя через круглый волновод с ферритовым стержнем испытывает поворот плоскости поляризации на некоторый угол. Сигнал на выходе круглого волновода можно представить как сумму сигнала с вертикальной поляризацией E0 cos θ , который проходит в плечо 2, и сигнала с горизонтальной поляризацией E0 sin θ , который проходит в плечо 3. При изменении тока в управляющем соленоиде изменяется угол поворота плоскости поляризации и соотношение мощностей выходных сигналов в плечах 2 и 3. Подключение согласованной нагрузки к плечу 2 или 3 превращает устройство в аттенюатор, внесенное ослабление которого зависит от величины управляющего тока. Важным преимуществом СВЧ устройств на основе эффекта Фарадея является сравнительно низкое поле подмагничивания (несколько десятков или сотен эрстед). 4.2.1. Ферритовые вентили с поперечным подмагничиванием Так называемый резонансный вентиль (англ. – resonance isolator) содержит подмагниченную ферритовую пластину, которая расположена в плоскости прямоугольного волновода, где магнитное поле имеет круговую поляризацию (рис.4.10, а ). Поперечное поле подмагничивания создается постоянным магнитом. Величина этого поля подобрана равной полю гиромагнитного резонанса для правополяризованной волны. Падающая волна, при которой в феррите будет левополяризованное поле, проходит вентиль с незначительным ослаблением. Отраженная волна, при распространении которой в феррите будет правопо- 101 ляризованное поле, интенсивно затухает из-за больших потерь в феррите при ферромагнитном резонансе. N Поле подмагничивания, б Н0 необходимое для существования ферромагнитного резонанS са, и нужное расположение а в ферритовой пластины в волноРис. 4.10. Резонансный вентиль: а – эскиз венводе зависят от частоты, это тиля, б – ферритовая пластина в плоскости Е, ограничивает диапазонные в – ферритовая пластина в плоскости Н свойства резонансного вентиля. Для расширения частотного диапазона электромагнитное поле концентрируют вблизи феррита с помощью диэлектрических вставок, например, как это показано на рис.4.10, б. Ферритовые пластины размещают также на широких стенках волновода (рис.4.10, в), что обеспечивает эффективный теплоотвод, однако такая конструкция требуют более сильного поля подмагничивания по сравнению с предыдущей. Резонансные вентили сантиметрового диапазона работают в относительной полосе частот около 8% при потерях около 0,5 дБ, затухании 10 – 20 дБ, КСВ не более чем 1,2. Вентили на коаксиальных линиях также реализуют принцип резонансного поглощения. В коаксиальной линии основной волной является Т-волна, поэтому применяются специальные средства для образования продольных составляющих магнитного поля и обеспечения вращения вектора. Частичное заполнение поперечного сечения коаксиальной линии Н0 диэлектриком с высокой диэлектрической феррит проницаемостью приводит к трансформации диэлектрик Т-волны в гибридную волну, которая имеет продольную составляющую магнитного поля. На рис. 4 .11 показана схема коаксиального Н0 феррит резонансного вентиля. Параметры диэлектриРис. 4.11. Резонансный ческого заполнения подобраны таким образом, вентиль на коаксиальном чтобы ферритовые вставки находились под волноводе действием магнитного вектора с круговой поляризацией. В коаксиальных вентилях рабочая полоса частот достигает октавы, потери около 1 дБ, затухание 10 – 20 дБ, КСВ не более чем 1,25. Общими недостатками вентилей с резонансным поглощением являются высокое значение напряженности поля подмагничивания (например, несколько тысяч эрстед для вентилей трехсантиметрового диапазона) и значительная масса магнитной системы. Существенное уменьшение массы магнитной системы имеет место в вентилях, в которых используется эффект «смещения поля». диэлектрик 102 В вентиле со смещением поля (англ. – fielddisplacement isolator) на прямоугольном волноводе (рис.4.12) на поверхность ферритовой пластины N нанесена поглощающая металлическая пленка, потому отраженная волна, которая концентрируется пленка возле феррита, испытывает значительное поглоS щение. На падающую волну поглощающая пленка практически не влияет, вентили со «смещением Рис. 4.12. Вентиль со смещением поля поля» по сравнению с резонансными имеют существенно облегченную магнитную систему, больший рабочий диапазон частот, однако они могут работать при сравнительно невысоких уровнях мощности. 4.2.2. Фазовые циркуляторы на ферритовых пластинах Принцип действия фазовых циркуляторов (англ. – phase-differential circulator) основан на использовании невзаимного фазового сдвига в тонких ферритовых пластинах при поперечном подмагничивании. Такие невзаимные фазовращатели дополняются двумя мостовыми устройствами. На рис.4.13, а схематично изображен фазовый циркулятор на основе двух щелевых мостов. В верхнем волноводе, соединяющем щелевые мосты І и ІІ, установлена диэлекІІ І трическая пластина, которая осуществля90° 90° -90° π/2 4 ет дополнительный -90° 3 π/2 фазовый сдвиг π / 2 , и ферритовая плаπ/2 1 2 стина, которая осуществляет фазовый сдвиг π / 2 для раса пространяющейся 90°/0 φ φ слева направо волны 90° и нулевой дополниН 90°/0 Н тельный – для волны φ обратного направлеб ния. В нижнем волРис. 4.13 . Фазовый циркулятор на двух щелевых мостах: новоде установлена а – эскиз, б – схема электрическая принципиальная такая же ферритовая пластина, но дополнительный фазовый сдвиг π / 2 имеет место уже для волны, которая распространяется справа налево. Такие фазовые сдвиги в волноводах получают при указанном на рис.10.13,а размещении пластин и намагничивании их поперечным полем одного направления. 103 Рассмотрим фазовые соотношения для данного циркулятора. Волна, которая поступает в плечо 1, делится поровну щелевым мостом І. Парциальная волна, которая ответвляется, получает дополнительный фазовый сдвиг –90°. В верхнем волноводе, который соединяет мосты, фаза этой парциальной волны сдвигается дополнительно на 180° благодаря действиям диэлектрической и ферритовой пластин. Таким образом, волна получает на выходе 4 результирующий дополнительный фазовый сдвиг 90°. Парциальная волна, которая распространяется в нижнем волноводе соединяющем мосты, разветвляется мостом ІІ и получает фазовый сдвиг –90°. Таким образом, в плече 4 указанные парциальные волны имеют разностный сдвиг 180° и компенсируют друг друга. На выход плеча 2 приходит парциальная волна, которая распространяется в нижнем волноводе, она не получает дополнительный фазовый сдвиг. Эта волна складывается с парциальной волной, которая ответвляется из верхнего волновода через мост ІІ, ее результирующий фазовый сдвиг также равен нулю. Следовательно, парциальные волны на выходе 2 синфазны, они суммируются и образуют волну той же мощности, которая поступает в плечо 1. Таким образом, можно утверждать, что электромагнитная волна из плеча 1 поступает полностью в плечо 2. Аналогично можно показать, что в этом устройстве реализуется направленная передача мощности 1–2–3–4–1. Если изменить направление подмагничивания на противоположное, то ферритовые пластины будут осуществлять невзаимные фазовые сдвиги для волн противоположного направления и реализуется другая последовательность передачи мощности: 1–4–3–2–1. В фазовом циркуляторе, показанном на рис. 4.14, применяется щелевой мост І и свернутый двойной тройник ІІ. Рассмотрим кратко фазовые соотношения для этого циркулятора, І ІІ например, когда волна постуН Е 3 пает в плечо 3. Эта волна деπ/2 лится пополам щелевым мо4 2 π/2 стом І. Парциальная волна, ко1 торая ответвляется, получает фазовый сдвиг –90°. В верха 90°/0 нем волноводе соединяющем φ мосты, фаза парциальной волЕ Н 90°/0 Н ны сдвигается дополнительно φ на 90° благодаря действию ферритовой пластины. Следоб вательно, парциальные волны, Рис. 4.14. Фазовый циркулятор на мостах разного которые приходят в плечи типа : а – эскиз, б – схема электрическая двойного тройника ІІ являютпринципиальная ся противофазными, потому они будут возбуждать Е-плечо двойного тройника. Таким образом, волна из плеча 1 циркулятора поступает полностью в плечо 4. 104 В фазовом циркуляторе, выполненном по рассмотренной схеме, легче выровнять ослабления фазовращателей, что способствует получению лучших электрических характеристик. Общими преимуществами фазовых циркуляторов по сравнению с циркуляторами фарадеевского типа являются большая широкополосность и способность работы при высоких уровнях мощности. Относительная рабочая полоса частот фазовых циркуляторов сантиметрового диапазона составляет 5 – 10%, при развязке более 35 дБ, потерях ниже 0,25 дБ, КСВ не превышает 1,2. Невзаимные фазовращатели применяются и в более сложных устройствах. Примером этого является суммарно-разностное устройство для моноимпульсной радиолокационной системы, схема которого приведена на рис.10.15. Пеленгация цели в двух плоскостях (по азимуту и углу места) осуществляется следующим образом. Принятые от цели сигналы с выходов антенн 1, 2, 3 и 4 с помощью волноводных мостов I–IV суммируются и вычитаются таким образом, что в плече 5 образуется разностный азимутальный сигнал, в плече 6 – суммарный сигнал, а в плече 7 – разностный угломестный сигнал. Суммарный сигнал детектируется для определения дальности к цели, а разностные сигналы детектируются для определения отклонения по азимуту и углу места. 180°/0° φ 1 2 3 4 1+2 Н Е І 3+4 ІІІ 1+2+3+4 (1+3)-(2+4) 180°/0° φ Н Е (1+2)-(3+4) 1-2 Н Е ІІ Н Е (1+4)-(2+3) 3-4 ІV Разностный 5 азимутальный 6 Суммарный 7 Разностный угла места 8 К передатчику Рис. 4.15. Схема суммарно-разностного устройства В традиционных суммарно-разностных устройствах (без невзаимных фазовращателей) сигнал на выходе 8 не используется и к этому выходу подключают согласованную нагрузку. Передатчик подключают к каналу суммарного сигнала через переключатель, который попеременно коммутирует выход 6 к передатчику и приемнику суммарного сигнала. Наличие переключателя препятствует пеленгации близких целей. Применение в схеме суммарно-разностного устройства невзаимных фазовращателей, как это показано, например, на рис.4.15, позволяет непосредственно подключить передатчик к выходу 8. При этом благодаря фазовым набегам СВЧ мощность передатчика делится мостами I–IV поровну и в фазе между всеми излучателями 1-4. 105 Циркулятор мостового типа представляет собой волноводное, коаксиальное или полосковое соединение, в котором размещен намагниченный ферритовый образец. Наиболее простым циркулятором мостового типа является Yциркулятор (англ. – Y-circulator). Волноводный Y-циркулятор (рис.4.16, а) выполняется на основе Y-тройника в плоскости Н, в центре которого размещен поперечно подмагниченный ферритовый цилиндр, окруженный диэлектрической втулкой. Поле подмагничивания создается внешними дисковыми магнитами. Принцип действия Y-циркулятора состоит в следующем. Волна, поступающая в плечо 1 циркулятора, разветвляется на две волны, которые огибают феррит с двух сторон. Области существования вектора магнитного поля с круговой поляризацией для этих волн попадают в ферритовый образец, причем направления вращения векторов относительно направления поля подмагничивания оказывается противоположным. Из-за отличия магнитных проницаемостей µ + и µ − волны, которые огибают ферритовый образец, имеют разные фазовые скорости. Размеры и параметры ферритового цилиндра подобраны такими, чтобы эти волны приходили на выход 2 с одинаковыми фазами, а на выход 3 – противофазно. Следовательно, передача мощности из плеча 1 совершается только в плечо 2. Так как Y-циркулятор имеет вращательную симметрию, то можно утверждать, что передача из плеча 2 будет осуществляться в плечо 3, а из плеча 3 – в плечо 1. Идеальная матрица рассеяния Y-циркулятора имеет вид 0 0 1  S = 1 0 0 .   0 1 0 (4.14) Диэлектрическая втулка в конструкции Y-циркулятора (рис.4.16, а) способствует повышению температурной стабильности и стойкости характеристик к изменению величины поля подмагничивания. Подобную конструкцию имеет Yциркулятор в полосковом исполнении 2 4 1 (рис.4.16, б). В керамическую подложку а а 3 1 врезан ферритовый вкладыш 2, подд 2 3 ф магниченный постоянным магнитом 3. Нанесенный на подложку металлический пленочный диск 4 обеспечивает 1 необходимую структуру электромагнита б ного поля. Простота такой конструкции, а малые габариты и масса, достаточно хоРис. 4.16. Y-циркуляторы : рошие электрические параметры (потери а – волноводный, б – полосковый 0,2 – 0,5 дБ; развязка 20 – 25 дБ; КСВ = 1,1 – 1,3; относительная полоса частот 20 – 50%) обусловили ее широкое использование. Известны также конструкции полосковых Y-циркуляторов, у которых подложка изготовлена из феррита. 106 Относительная рабочая полоса частот волноводных Y-циркуляторов может достигать 30%, а полосковых – октавы. Y-циркуляторы широко применяются, в частности, в схемах работы передатчика и приемника на одну антенну. Если к одному из плеч Y-циркулятора подключить согласованную нагрузку, то остальные плечи образуют вентиль. Так наиболее часто реализуются вентили для миллиметрового диапазона. 107