Студопедия.Орг Главная | Случайная страница | Контакты | Мы поможем в написании вашей работы!  
 

С.10. Ферритовые циркуляторы



Ферритовый циркулятор – это многополюсник, в котором движение потока энергии происходит в строго определённом направлении, зависящем от ориентации постоянного магнитного поля. Циркуляторы используются при одновременной работе приёмника и передатчика на одну антенну, незаменимы в параметрических усилителях и пр.

Основными параметрами циркулятора в рабочей полосе частот являются величина развязки между плечами циркулятора и коэффициент бегущей волны в волноводном тракте, нагруженном на циркулятор.

Величина развязки между плечами циркулятора определяется как отношение мощности на выходе соответствующего плеча к мощности на входе циркулятора. Величина развязки обычно выражается в дБ.

На практике используют Y -циркуляторы, фазовые циркуляторы, циркуляторы на эффекте Фарадея.

С.10.1. Y-циркулятор

 
 

В основе всех Y -циркуляторов лежит симметричное 120-градусное разветвление волноводной или полосковой линии передачи (рис. С.9). Электромагнитная волна, поступающая в плечо 1 такого разветвления, делится поровну между плечами 2 и 3. Поскольку плечо 1 нагружено в этом случае на сопротивление, равное половине волнового сопротивления линии, коэффициент отражения равен 1/3, а коэффициент стоячей волны равен двум.

Рассмотрим такое разветвление, когда в его центре помещен намагниченный ферритовый цилиндр.

Пусть на вход 1 циркулятора поступает волна основного типа . В результате дифракции, которую испытывает эта волна на ферритовом цилиндре, в плечи 2 и 3 циркулятора приходят по две волны, которые проходят разной длины пути, огибая феррит с разных сторон.

Можно подобрать размеры и параметры феррита, а также величину постоянного магнитного поля так, чтобы электромагнитные волны и в плече 2 складывались синфазно, а волны и в плече 3 – противофазно, т.е. вычитались. В этом случае в плечо 3 энергия не поступает. Говорят, что плечо 3 развязано с входным плечом 1. Если теперь питание циркулятора производить со стороны плеча 2, то в согласованной нагрузке плеча 3 мощность будем выделяться, в в нагрузке плеча 1 мощности не будет.

В зависимости от направления постоянного магнитного поля движение потока энергии будет происходить или в направлении 123 (рис. С.9,а), или в обратном, т.е. в направлении 132 (рис. С.9,б). Изменение направления движения потока энергии осуществляется изменением направления намагничивающего поля.

С.10.2. Фазовый циркулятор

Рассмотрим фазовый цир­кулятор на двух щелевых мос­тах, который широко применяет­ся в технике СВЧ (см. рис. С.10). Этот циркулятор состоит из двух прямоугольных волноводов, свя­занных между собой двумя ще­левыми мостами. В одном волно­воде помещена ферритовая плас­тинка (в постоянном магнитном поле Н0), а в другом диэлектри­ческая пластинка. Параметры ферритовой пластинки и вели­чина постоянного магнитного поля выбраны так, что она обеспечивает сдвиг фаз равный , если волна распрост­раняется из плеча 1 в направ­лении плеча 4. Если волна распространяет­ся в обратном направлении, то ферритовая пластинка обеспечивает сдвиг фаз равный . Диэлектри­ческая пластинка, расположен­ная в другом волново­де обеспе­чивает одинаковый сдвиг фаз для волн разных направлений.

При возбуждении плеча 1 энергия электромагнитной волны делится пополам первым щелевым мостом. Волны с одинаковой амплитудой поступают на вход волновода с ферритовой и диэлектрической пластинами. Рассмотрим дальнейшее «движение» этих волн.

Одна волна, распространяясь в волноводе с ферритовой пластиной, приобретает дополнительный сдвиг фаз , затем делиться вторым щелевым мостом пополам и поступает в плечи 4 и 2. Волна, поступающая в плечо 2, приобретает при переходе через отверстие связи щелевого моста еще один дополнительный сдвиг фаз (см. свойства щелевого моста).

Другая волна, распространяясь в волноводе с диэлектрической пласти­ной, приобретает дополнительный сдвиг фаз , затем делиться вторым щелевым мостом пополам и поступает в плечи 4 и 2. Волна, поступающая в плечо 4, приобретает еще один дополнительный сдвиг фаз .

Таким образом, в плечи 2 и 4 поступает по две волны с одинаковой амплитудой и различными фазами. При этом фазы волн в плече 2 совпадают, а фазы волн в плече 4 отличаются на (за счет изменения фаз при переходе через отверстия связи двух щелевых мостов). В нагрузке плеча 2 выделяется мощность, а в нагрузке плеча 4 мощность не выделяется. Из свойств щелевого моста следует, что в нагрузке плеча 3 мощность не выделяется.

Рассмотрим теперь, как распределяется мощность между плечами 1, 3 и 4 при питании моста со стороны плеча 2. Из свойств щелевого моста следует, что в этом случае в нагрузке плеча 4 мощность не выделяется.

При возбуждении плеча 2 энергия электромагнитной волны делится пополам вторым щелевым мостом. Волны с одинаковой амплитудой поступают на вход волновода с ферритовой и диэлектрической пластинами.

Одна волна, распространяясь в волноводе с диэлектрической пластиной, приобретает дополнительный сдвиг фаз , затем делиться первым щелевым мостом пополам и поступает в плечи 1 и 3. Волна, поступающая в плечо 1, приобретает еще один дополнительный сдвиг фаз (на отверстии первого щелевого моста).

Вторая волна, распространяясь в волноводе с ферритовой пластиной, приобретает дополнительные сдвиги фаз (на отверстии второго щелевого моста) и (на ферритовой пластине), затем делиться вторым щелевым мостом пополам и поступает в плечи 1 и 3. Волна, поступающая в плечо 3, приобретает при переходе через отверстие связи щелевого моста еще один дополнительный сдвиг фаз .

Таким образом, в плечи 1 и 3 поступает по две волны с одинаковой амплитудой и различными фазами. При этом фазы волн в плече 3 совпадают, а фазы волн в плече 1 отличаются на . В нагрузке плеча 3 выделяется мощность, а в нагрузке плеча 1 мощность не выделяется.

Аналогично можно показать, что при питании циркулятора со стороны плеча 3 мощность выделяется только в нагрузке плеча 4, а из плеча 4 мощность поступает только в нагрузку плеча 1.

Таким образом, движение потока энергии в приведенном фазовом циркуляторе будет происходить в направлении 1–2–3-4.

С.10.3 Циркулятор на эффекте Фарадея

Рассмотрим циркулятор на эффекте Фарадея, эскиз которого представ­лен на рис. С.11,а. Этот циркулятор состоит из прямоугольных волноводов 1, 2, 3 и 4, а также отрезка круглого волновода, внутри которого расположен ферритовый стержень. Волноводы работают в одволновом режиме. Вокруг круглого волновода расположена магнитная система (соленоид с током или цилиндрический постоянный магнит), который создает магнитное поле, ориентированное вдоль оси ферритового стержня. При этом в феррите имеет место эффект Фарадея. Прямоугольные волноводы 2 и 4 повернуты вокруг оси круглого волновода относительно волноводов 1 и 3 на 45о по часовой стрелке, если смотреть в направлении от плеча 1 к плечу 2. Постоянное маг­нитное поле и длина ферритового стержня подобраны так, чтобы вектор волны Н11 при ее прохождении вдоль ферритового стержня, поворачивался на 45о вокруг оси волновода в том же направлении. В соответствии с невзаимностью это направление не зависит от направления движения волны.

Пусть в волновод 1 поступает волна Н 10. Эта волна преобразуется в волну Н 11 круглого волновода, которая, проходя по круглому волноводу, изменяет свою структуру за счет эффекта Фарадея (ее плоскость поляризации поворачивается на 45о). Вектор этой волны становится перпендикулярным широкой стенке волновода 2 и возбуждает в нем волну Н 10. При этом в волноводах 3 и 4 могли бы возбудиться волны класса Е; однако, поскольку волноводы являются одноволновыми, этого не происходит.

При поступле­нии волны Н 10 в плечо 2 и распрост­ранении волны Н 11 в круглом волноводе справа налево проис­ходит поворот векто­ра волны Н 11 на 45о по часовой, в результате которого создаются условия для полного прохож­дения волны в плечо 3 (см. рис. С.11,б). Рассуждая аналогич­ным образом, нет­рудно видеть, что волна из плеча 3 проходит в плечо 4, а из плеча 4 – в пле­чо 1 (см. рис. С.11,б).

При изменении направления постоянного магнитного поля феррит поворачивает вектор волны Н11 на 45о против часовой стрелки, если смотреть в направлении от плеча 1 к плечу 2 (поворот происходит по часовой стрелке относительно направления постоянного магнитного поля). В результате этого рассмотренная выше коммутация плеч заменяется на обратную . Это обстоятельство используется для создания быстродействующих переключателей, управляемых изменением направления тока соленоида. В качестве переключателя может быть использован рассмотренный циркулятор (без плеча 3), у которого направление передачи изменяется на направление при изменении направления тока в соленоиде. Такой переключатель осуществляет переключение каналов за время около 0,15 мкс.

Достоинством невзаимных ферритовых устройств, использующих эф­фект Фарадея, является малая величина намагничивающего поля. Основными недостатками таких устройств являются сравнительная сложность конструк­ции, большие габариты, трудности при согласовании волноводов 3 и 4 с круглым, необходимость применения длинных соленоидов.





Дата публикования: 2015-10-09; Прочитано: 1227 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!



studopedia.org - Студопедия.Орг - 2014-2025 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.197 с)...