- •Содержание
- •Часть 2 линии передач и их элементы 40
- •Часть 3 многополюсники сверхвысоких частот 88
- •Предисловие
- •Часть 1 основы теории электромагнитного поля
- •1 Скалярные и векторные поля. Операции над векторами
- •1.1 Классификация полей
- •1.2 Операции над векторами
- •2 Основные положения теории электромагнитного поля
- •2.1 Определение векторов электромагнитного поля
- •2.2 Уравнения Максвелла
- •2.3 Уравнения Максвелла для гармонических колебаний. Комплексные амплитуды
- •2.4 Энергия электромагнитного поля
- •2.5 Граничные условия для векторов поля
- •3 Плоские электромагнитные волны
- •3.1 Характеристики плоской скалярной волны
- •3.2 Плоская электромагнитная волна
- •3.3 Частные случаи распространения плоских электромагнитных волн
- •3.4 Падение плоской электромагнитной волны на границу раздела сред
- •4 Излучение электромагнитных волн
- •4.1 Элементарные источники излучения
- •4.2 Основные электрические характеристики антенн
- •4.3 Типы антенн
- •Часть 2 линии передач и их элементы
- •5 Линии передач. Резонаторы
- •5.1 Определения
- •5.2 Электрические характеристики регулярных линий
- •5.3 Коаксиальная линия
- •5.4 Двухпроводная линия
- •5.5 Прямоугольный волновод. Волна основного типа
- •5.6 Круглые волноводы
- •5.7 Полосковые линии
- •5.8 Световоды
- •5.9 Объемные резонаторы
- •Контрольные вопросы:
- •6 Расчет режимов работы нагруженных линий
- •6.1 Волновые процессы в нагруженных линиях
- •6.2 Режимы работы нагруженных линий
- •6.3 Круговая диаграмма
- •Контрольные вопросы:
- •7 Согласование нагрузок с линиями передач
- •7.1 Цели и критерии согласования
- •7.2 Согласование нагрузок методом четвертьволнового трансформатора
- •7.3 Согласование методом параллельного шлейфа
- •Контрольные вопросы:
- •8 Элементы линий передач
- •8.1 Классификация элементов
- •8.2 Элементы коаксиальных трактов
- •8.3 Элементы трактов, выполненных на прямоугольных волноводах
- •8.4 Трансформаторы типов волн
- •Контрольные вопросы:
- •Часть 3 многополюсники сверхвысоких частот
- •9 Матричное описание многополюсников сверхвысоких частот
- •9.1 Определение многополюсников
- •9.2 Матрицы 4-полюсника и их свойства
- •9.3 Матрицы многополюсников
- •10 Частотно-избирательные фильтры свч
- •10.1 Основные определения
- •10.2 Структура фильтров. Способы расчета
- •8 Пример реализации фильтра со ступенчатой структурой.
- •11 Балансные многополюсники
- •11.1 Общие свойства
- •11.2 Некоторые типы балансных восьмиполюсников
- •12 Ферритовые устройства свч
- •12.1 Физические явления в намагниченных ферритах на свч
- •12.2 Классификация устройств свч с намагниченными ферритами и их матрицы рассеяния
- •12.3 Примеры конструктивного выполнения ферритовых устройств свч
- •Контрольные вопросы:
- •Литература
12.2 Классификация устройств свч с намагниченными ферритами и их матрицы рассеяния
В технике СВЧ находят широкое применение, следующие типы ферритовых устройств: вентили, невзаимные фазовращатели, циркуляторы.
Вентилем называется четырехполюсник, пропускающий ЭМВ в одном направлении без потерь и поглощающий волны, распространяющиеся в обратном направлении. Схематическое представление и матрица рассеяния идеального вентиля представлены на рисунке 12.5.
|
|
Рисунок 12.5 – Вентиль
Невзаимный фазовращатель – четырехполюсник, фазы проходящих волн через который зависят от направления распространения (рисунок 12.6).
|
|
Рисунок 12.6 – Невзаимный фазовращатель
Циркулятор – многополюсник, движение СВЧ мощности в котором происходит по определенному закону. На рисунке 12.7 в качестве примера приведены схема и матрица рассеяния [S] трехплечевого циркулятора.
|
|
Рисунок 12.7 – Трехплечий циркулятор
В технике широкое применение находят также четырехплечие циркуляторы.
Вентили используются для защиты СВЧ генераторов от отраженных волн. Невзаимные фазовращатели применяются для управления фазами ЭМВ, например, в фазированных антенных решетках. Циркуляторы используются, например, для подключения двух генераторов к общей антенне или одной антенны последовательно то к генератору, то к приемнику.
12.3 Примеры конструктивного выполнения ферритовых устройств свч
Опишем несколько реальных конструкций устройств СВЧ, использующие намагниченные ферриты.
1 Резонансные вентили. В ферритовых резонансных вентилях используется различия затухания волн, распространяющихся в противоположных направлениях вдоль волновода с ферритовой пластиной вдоль узкой стенки волновода. Для достижения ферромагнитного резонанса постоянное магнитное поле должно быть достаточно большим. Параллельно ферритовой пластине вводится параллельная диэлектрическая пластина, которая увеличивает напряженность электромагнитного поля у феррита. Поперечное сечение устройства изображено на рисунке 12.8.
Рисунок 12.8 – Сечение волноводного резонансного вентиля с постоянным магнитом
Недостатком такой конструкции является большой вес, определяемый, главным образом, весом постоянного магнита.
Резонансные вентили могут быть сконструированы на базе коаксиальной линии с волной типа T. Образец феррита имеет вид сектора, который крепится к диэлектрической втулке. Внешнее магнитное поле создается постоянным магнитом.
2 Циркулятор на эффекте Фарадея. На рисунке 12.9 схематически показана конструкция четырехплечего волноводного циркулятора. В круглом волноводе помещается ферритовый стержень, намагниченный продольным полем , которое создается соленоидом. В круглом волноводе должна распространяться волна , а в четырех прямоугольных волноводах – волна .
Рисунок 12.9 – Поляризационный циркулятор: а – конструкция; б, в, г – структура поля в круглом волноводе при различных поляризациях
Параметры ферритового стержня и выбираются таким образом, чтобы на длине стержня плоскость поляризации волны поворачивалась на . Если поляризация волны такая, как показана на рисунке 12.9 б, то боковой волновод 3 находится в положении пропускания, а торцевой волновод 1 – в положении запирания. При поляризации волны , изображенной на рисунке 12.9 в, в положении пропускания находится торцевой волновод 1, а положении запирания – боковой волновод 3. Аналогичные рассуждения можно провести для возбуждения с других боковых плеч.
Рассмотрим передачу электромагнитной энергии через циркулятор при подключении генератора к плечу 1. Плечо 3 при этом будет развязано. Пройдя феррит, волна повернется против часовой стрелки на и будет иметь поляризацию, при которой плечо 4 находится в положении запирания, плечо 2 – в положении пропускания.
Аналогичные рассуждения можно сделать для подключения генератора к плечам 2, 3, 4 и мы приходим к выводу, что циркуляция происходит в последовательности .
3 Фазовый циркулятор (рисунок 12.10).
Рисунок 12.10 – Фазовый циркулятор
Устройство состоит из двух трехдецибельных волноводно-щелевых мостов I и II, двух невзаимных ферритовых фазовращателей и и диэлектрической пластины Д. Параметры ферритовых пластин и поперечное поле подобраны так, что в одном направлении создается фазовый сдвиг, равный , а в другом направлении – нулевой фазовый сдвиг. Диэлектрическая пластина Д создает дополнительный взаимный фазовый сдвиг .
При подключении генератора к плечу 1 энергия делится поровну между верхним и нижним волноводами и не поступает в плечо 3 в силу направленности моста. При делении в первом мосте, фаза волны в верхнем волноводе отстаёт на угол , а проходя далее по невзаимному фазовращателю, получает дополнительное отставание по фазе на и еще на за счет диэлектрической пластины, в то же самое время в нижнем волноводе эти фазовые сдвиги отсутствуют. Проходя деление во втором щелевом мосте обе волны испытывают дополнительный сдвиг на . В результате в плече 4 обе волны получают сдвиги фаз и соответственно, то есть оказываются в противофазе, а плече 2 сдвиг фаз и , то есть волны синфазны. Таким образом, энергия из плеча 1 поступает только в плечо 2. Рассуждая аналогично, можно показать, что из плеча 2 энергия поступает в плечо 3 и.т.д. Следовательно, циркуляция энергии происходит по правилу .