Циркуляторы
Введение.
Под
сверхвысокими частотами (СВЧ) принято понимать участок электромагнитного спектра
с частотами колебаний, лежащими приблизительно между 30Мгц и 3000Ггц,
и с длинами волн соответственно между 10м и 0,1мм. Таким образом,
диапазон СВЧ расположен между областью “обычных” радиоволн и участком
инфракрасных и световых излучений.
Роль
диапазона СВЧ непрерывно возрастает в связи с бурным развитием самых
разнообразных областей науки и техники- радиолокации, радиоуправления, связи.
Сверхвысокочастотные приборы широко используются в ракетной и атомной технике и
во многих областях физических исследований. Освоение космического пространства,
нарастающее использование электроники СВЧ в народном хозяйстве и медицине
потребуют ещё более широкого применения техники иприборов СВЧ.
Циркуляторы.
Циркулятором в технике
сверхвысоких частот принято называть многополюсник, схематически изображённый
на рис 1 и отличающийся следующими важными свойствами. При подаче сигнала в
плечо 1 энергия передаётся только в плечо 2 и неответвляется в другие плечи (на
рис.1 плечи 3 и 4). Если энергия поступает на вход циркулятора со стороны плеча
2, то она не попадает в плечи 1 и 4, а передаётся в плечо 3. Плечо 3 в свою
очередь оказывается связанным только с плечом 4. Последнее плечо (на рис. 1 -
плечо 4) обеспечивает связь только с плечом 1.
Идеальный циркулятор должен обладать
недиссипативными свойствами, т. е. передача сигнала между соответствующими
плечами должна происходить без потерь мощности. Получить перечисленные свойства
можно только с помощью невзаимных (необратимых) элементов, входящих в состав
рассматриваемого восьмиполюсника.
На рис. 2 изображены
две упрощённые схемы фазовых циркуляторов, использующих невзаимный фазовый
сдвиг в прямоугольном волноводе, содержащем намагниченный феррит. В состав
каждого из циркуляторов входят два моста, между которыми в простейшем случае
расположена одна ферритовая пластинка, находящаяся в области круговой
поляризации высокочастотного магнитного поля.
В отличие от резонансного вентиля, напряженность
постоянного магнитного поля выбирается значительно ниже величины Hорез,
соответствующей условию ферромагнитного резонанса. При этом потери в феррите
для обоих направлений вращения высокочастотного магнитного поля могут быть
сделаны достаточно малыми. Однако ввиду различия величин активной и пассивной
магнитных проницаемостей фазовые скорости волн, распространяющихся по волноводу
в противоположных направлениях, также оказываются различными.
Выберем такую длину
ферритовой пластины, при которой разность фазовых сдвигов в “прямом” и
“обратном” направлениях составляет ровно π. Такой четырёхполюсник иногда
называют гиратором. Тогда при подаче сигнала на вход 1 схемы, изображённой на
рис. 2,а (т. е. в Н- плечо двойного тройника), две волны, приходящие во второй
тройник и являющиеся первоначально синфазными, оказываются в противофазе ввиду
сдвига на π в гираторе. С учётом свойств тройниковых разветвлений передача
энергии в этом случае возможна только в Е- плечо, обозначенное цифрой 2. Таким
образом, вся мощность, поданная на вход 1, поступает без потерь и отражения в
плечо 2.
Если теперь подать
сигнал со стороны Е- плеча второго моста (вход 2 на рис. 2,а), то две волны,
поступающие справа налево в первый мост, не претерпевают относительно друг
друга сдвига фаз в ферритовой секции. По свойствам Е-тройников эти волны на
выходе из второго моста являлись противофазными. Поступая в первый мост, две
противофазные волны обеспечивают передачу энергии только в Е-плечо,
обозначенное цифрой 3.
Рассматривая движение
волн из плеча 3, а затем из плеча 4, можно убедиться в полном соответствии
схемы, изображённой на рис. 2,а, идеальному циркулятору (рис. 1).
Схема циркулятора
изображённого на рис. 2,б, чаще применяется на практике и отличается от выше
рассмотренной схемы заменой двойных тройников на щелевые мосты. Вместо одной
ферритовой пластины большей частью используются две более короткие одинаковые
пластины, расположенные в обоих каналах циркулятора и создающие разностный
сдвиг фаз, равный π/2. В этом случае в одном из каналов включается также
обычный ножевой диэлектрический фазосдвигатель, обеспечивающий взаимный фазовый
сдвиг на π/2 (см. рис. 2,б).
Внешний вид одного из
циркуляторов, имеющего один щелевой мост и один “свёрнутый” двойной волноводный
тройник, показан на рис. 3. В четвёртом плече циркулятора в данном случае
включена согласованная нагрузка. Развязка плеч циркулятора имеет обычно
величину порядка 20-30 дб при вносимых потерях порядка 0,3-0,5 дб. Существуют циркуляторы,
способные работать при весьма высоких импульсных и средних мощностях в полосе
частот, примерно соответствующей полосе частот, используемых волноводных
мостов.
На рис. 4 и 5 схематически
изображены два других типа ферритовых циркуляторов. В четырёхплечем устройстве,
показанном на рис. 4, используется эффект Фарадея. Ферритовый стержень,
находящийся в продольном постоянном магнитном поле, располагается вдоль оси
круглого волновода, возбуждаемого на волне типа Н11. К этому волноводу под
углами 45град подключаются четыре входа, выполненных на базе стандартных
прямоугольных волноводов.
Развязка между соответствующими плечами
достигается за счёт поляризационных явлений. Так, при подаче энергии со стороны
плеча 4 волна не может поступать в плечо 2 вследствие взаимно перпендикулярного
расположения плоскостей поляризации в соответствующих прямоугольных волноводах.
Далее, волна не может ответвляться из круглого волновода в плечо 3, так как
после прохождения секции с ферритом электрическое поле в круглом волноводе
параллельно широкой стенке плеча 3. Единственным возможным направлением
движения энергии из плеча 4 является плечо 1, что и требуется от циркулятора.
В трёхплечем
циркуляторе, изображённом на рис. 5, используется Y-образный
120-градусный волноводный тройник в плоскости Н. Ферритовый цилиндр
располагается в центре тройника; постоянное магнитное поле Но, перпендикулярно
плоскости чертежа.
Рис.5
цилиндре и создаёт две
поверхностные волны, обегающие намагниченный ферритовый цилиндр в двух
противоположных направлениях. Подбирая диаметр цилиндра и величину Н0, можно
обеспечить расположение максимума электрического поля в центре плеча 2 при
узле, расположенном в центре плеча 3. В результате энергия из плеча 1
передаётся в плечо 2 и не попадает в плечо 3. Невзаимность обеспечивается за
счёт различия фазовых скоростей волн, обегающих ферритовый стержень в
направлении часовой стрелки и в противоположном направлении. Поэтому при подаче
энергии в плечо 2 она передаётся только в плечо 3, которое в свою очередь
оказывается связанным только с плечом 1.
На частотах порядка
3 Ггц и ниже часто используются Y-циркуляторы,
образованные не волноводами, а полосковыми линиями. Благодаря своей
компактности и простоте конструкции Y-циркуляторы находят на практике
широкое применение.
На рис. 6,апоказано
простейшее применение циркулятора в качестве развязывающего вентиля при большой
мощности СВЧ генератора. Более интересным и практически важным является
применение циркуляторов в так называемых отражательных усилителях СВЧ
диапазона, к числу которых относятся квантовые парамагнетические усилители на
полупроводниковых диодах. Усиленный сигнал, отражающийся от усилителя,
отделяется циркулятором от падающей волны, как показано на рис. 6,б, и
направляется в нагрузку, например, в приёмник. Наконец, циркуляторы могут
применяться также в качестве основного элемента ферритового антенного
переключателя, изображенного на рис. 6,в. Ввиду того, что развязка плеч
циркулятора обычно не превышает 30-40 дб, в плече, идущем к приёмнику,
оказывается необходимым включать резонансный разрядник защиты приёмника.
Вывод
В диапазоне
СВЧ можно разместить значительно большее число каналов связи, чем на более
низких частотах. Например, легко увидеть, что даже узкая полоса частот в 1% при
средней частоте 10Ггц (λ=3см) позволяет в принципе
разместить столько же независимых каналов, сколько их имеется во всём диапазоне
от сверхдлинных до ультракоротких волн длиною 3м. Большая информационная
ёмкость СВЧ диапазона позволяет осуществлять многоканальную телефонную и
телевизионную связь, в особенности на сантиметровых, миллиметровых и, возможно,
на субмиллиметровых волнах. Создание квантовых генераторов и усилителей
оптического диапазона даёт возможность ещё более повысить информационную
ёмкость каналов связи с непосредственным использованием методов и аппаратуры
СВЧ диапазона.
Литература.
1.Лебедев
И.В. Техника и приборы СВЧ. М. 1970.
2. Альтман
Д. Устройства СВЧ. М. 1968.
3. Дулин
В.Н. Устройства СВЧ. М. 1972.
4.
Передающие устройства СВЧ. Под ред. Вамберского М.В. М. 1984.
Содержание.
1.Введение.
2
2.Основная
часть. 3
3.Вывод.
7
4.Литература.
8
5.Содержание.
9
Похожие работы на - Циркуляторы
| |