Циркулятор

(51)5 Н 01 Р САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ(21) 4804470/09 (22) 22.03,90 (46) 29.02.92, Бюл. М 8 (71) Опытное конструкторское бюро при Мо- сковском заводе "Эра" (72) Ю.А.Кирсанов, Ю,К.Колоколов, В.С.Лесин, А.Н.Соколов и В.Н,Куликов (53) 621.372(088,8) (56) Патент США М 4633199, кл, Н 01 Р 1/39, опублик. 1986,(54) ЦИРКУЛЯТОР (57) Изобретение относится к радиотехнике сверхвысоких частот, Циркулятор содержитмногоплечее волноводное разветвление в Н-плоскости, в центре которого установле-. ны намагниченный ферритовый диск 2 и трансформирующий элемент 4, выполненный в виде усеченного проводящего конуса, большее основание которого расположено на широкой стенке волноводного разветвления и выполнено с диаметром Ок =Й/2+ + Аг/2, равным диаметру ферритового диска. Меньшее его основание гальванически соединено с концом токонесущего проводника 6 отрезка микрополосковой линии передачи, размещенного в одном из плеч волноводного разветвления. Диаметр меньшего основания трансформирующего элемента 4 бк равен А 2/2. В циркуляторе обеспечивается расширение эксплуатационных возможнбстей за счет использования его в волноводно-микрополосковых СВЧ- трактах, а также увеличение развязки. 2 ил.Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в качестве развязывающего устройства в приемно-передающих модулях СВЧ,Известен трехплечий волноводный циркулятор СВЧ, содержащий поперечно намагниченный ферритовый диск и волноводное Ч-образное сочленение,Недостатком указанного волноводного циркулятора СВЧ являются ограниченные эксплуатационные возможности, Указанный циркулятор можно использовать только в волноводных СВЧ-трактах, а при использовании его в волноводно-микрополосковых СВЧ-схемах необходимо подключать сравнительно громоздкие волноводно-микрополосковые СВЧ-переходы, что увеличивает габариты, ухудшает электрические параметры и ограничивает эксплуатацион,ные возможности прибора.Наиболее близким к предлагаемому является циркулятрр, содержащий многоплечее волноводное разветвление в Н-плоскости, в центре которого на одной из широких стенок установлен поперечно намагниченный ферритовый диск с трансформирующим элементом, ось симметрии которого совпадает с осью симметрии ферритового диска.Недостатки известного циркулятора обусловлены малой величиной развязки между каналами из-за того, что трансформирующий элемент выполнен в виде диэлектрического диска, а также высоким уровнем электромагнитных потерь прибора, из-за того, что при использовании известного циркулятора в схемах, собранных на разнотип н ых линиях передачи (волноводномикрополосковых), требуется подключение волноводно-микрополоскового СВЧ-перехода.Цель изобретения - уменьшение прямых потерь и увеличение развязки,Поставленная цель достигается тем, что в циркулятор, содержащий многоплечее волноводное разветвление в Н-плоскости, в центре которого на одной из широких стенок установлен поперечно намагниченный ферритовый диск с трансформирующим элементом, ось симметрии которого совпадает с осью симметрии ферритового диска, по крайней мере в одно из плеч волноводного разветвления введен отрезок микрополосковой. линии передачи, толщина диэлектрической подложки которого равна высоте ферритового диска, а конец токонесущего проводника расположен на ферритовом диске вдоль его радиуса, трансформирующий элемент выполнен в виде усеченного проводящего конуса, боль шее основание которого расположено на другой широкой стенке волноводного разветвления, а меньшее гальванически соединено с токонесущим проводником, при этом диаметры большего основания О усеченного проводящего конуса и его меньшего основания б соответственно равны; О,=ф= 2 + 2);Л Ж,Ъб =- - ,2где 11 - длина волны СВЧ-колебаний в линии, образованной широкой стенкой волноводного разветвления и меньшимоснованием трансформирующего элемента; 10 15 А 2 - длина волны СВЧ-колебаний в линии, образованной этой же широкой стенкой и боковой поверхностью трансформирующего элемента; 20 бф - диаметр ферритового диска, Введение по крайней мере одной микрополосковой линии, состоящей иэ диэлектрической подложки, расположенной в одной плоскости с ферритовым диском на широкой стенке сочленения, и микрополоскового токонесущего проводника, расположенного на диэлектрической подложке, а также выполнение трансформирующего элемента в виде усеченного металлического конуса, большое основание которого установлено на широкой стенке волноводного сочленения, а меньшее гальванически связано с микрополосковым токонесущим проводником, позволяют обеспечить однонаправленную электромагнитную 30 35 связь между волноводными и хотя бы одной микрополосковой СВЧ-линией передачи и таким образом уменьшить электромагнитные потери циркулятора при использовании его в волноводно-микрополосковых СВЧ- трактах без громоздких волноводно-микро- полосковых подключающих устройств, ухудшающих электрические параметры и увеличивающих габариты прибора.Конусообразная форма трансформирующего элемента совместно с широкой стенкой У-образного сочленения выполняет функцию конической радиальной линии, обеспечивающей хорошее согласование между высокоомной волноводной СВЧ-ли 4045 55 полнен ферритом, и гальванически связанной с ней микрополосковой линией, Хорошее согласование СВЧ-линий передачи волноводных и по крайней мере одной микрополосковой), образующих У-образное 50 нией передачи, т.е. волноводным плечомциркулятора и низкоомной СВЧ-линией, образованной малым основанием конуса и противоположной широкой стенкой волновода, зазор между которыми полностью за15 20 25 скЪм и широкой стенкой сочленения, то про 40 45 Последнее связано или с распространени 55 сочленение, обеспечивает работоспособность предлагаемого циркулятора СВЧ, Работоспособность циркулятора на заданной длине волны (Л 1) обеспечивается за счет выбора высоты конуса равной расстоянию между ферритовым диском и противоположной широкой стеной сочленения, а диаметра меньшего основания конуса - равному Й/2,Увеличение развязки между каналами циркулятора обеспечивается за счет выбора диаметра ферритового диска равным диаметру большого основания конуса, составляющему (Л 1/2 + Лг/2), а высота конуса -равной расстоянию между ферритовым диском и противоположной широкой стенкой сочленения, Большая величина развязки обусловлена тем, что размер диаметра ферритового диска составляет (Л/2 + Л 2/2) и центральная часть его торцовой поверхности, имеющая диаметр Л 1/2, соединена металлическим конусом с одной из широких поверхностей сочленения. Одинаковая высота ферритбвого диска и диэлектрической подложки обеспечивает низкий коэффициент отражения в плечах циркулятора, а следовательно, высокий уровень развязки,Если высота металлического конуса меньше расстояния между ферритовым диисходит уменьшение величины развязки между каналами циркулятора из-за нарушения одномодового распространения поверхностей ферритовой волны в ферритовом диске, так как в этом случае уменьшается перепад волновых сопротивлений между СВЧ-линиями сочленения, одна из которых заполнена ферритом полностью, а другая - частично. Если величина диаметра малого основания конуса не равна Л 1/2;,прибор становится неработоспосббным на заданной длине волны, так как в этом случае нарушается условие электродинамического резонанса в объеме ферритового диска, ограниченного малым основанием конуса,Если диаметр ферритового диска не равен (Л 1/2+Л 2/2), то величина развязки между каналами циркулятора уменьшается,ем в ферритовом диске высших типов волн, если диаметр больше (Л 1/2 + Й/2), или с конечной составляющей СВЧ-поля по границе ферритового диска, ограниченного малым основанием конуса, если диаметрменьше (Л 1/2 + Л 2/2). На фиг,1 представлен циркулятор, видсверху(без верхней широкой станки волно 5 10 вода); на фиг.2 - сечение А - А на фиг.1 (с верхней широкой стенкой волновода).Циркулятор содержит У.образное сочленение 1 трех вол новодн ых С В Ч-линий передачи ( - ), В центре сочленения 1 на одной из его широких стенок 3 установлен поперечно намагниченный полем Не ферритовый диск 2, В циркулятор входит трансформирующий элемент 4, ось ОО которого совпадает с осью ферритового диска 2. Кроме того, циркулятор СВЧ содержит микро- полосковую линию, состоящую из диэлектрической подложки 5, расположенной на широкой стенке 3 сочленения 1. Вдоль продольной осидиэлектрической подложки 5 расположен микрополосковый токонесущий проводник 6. Трансформирующий элемент 4 выполнен в виде усеченного металлического конуса. Большее основание 7 конуса 4 установлено на широкой стенке 8 сочленения 1. Меньшее основание 9 конуса 4 гальванически связано с микрополосковым токонесущим проводником 6. При этом высота ферритового диска 2 равна высоте диэлектрической подложки 5, диаметр ферритового диска 2 равен диаметру большего основания 7 конуса 4 и составляет (Л 1/2+ + Л/2), диаметр меньшего основания 9 конуса 4 равен Ь/2, а высота конуса 4 равна расстоянию между ферритовым диском 2 и широкой стенкой 8 сочленения 1.Циркулятор работает следующим образом.При возбуждении одного из плеч циркулятора СВЧ сигнал за счет конусообразной формы трансформирующего элемента 4, выполняющего функцию конической радиальной линии, и за счет того, что расстояние от боковой поверхности ферритового диака 2 до меньшего основания 9 конуса 4 составляет Л/4, практически без отражения поступает в намагниченный ферритовый диск 2. Последнее обусловлено тем, что радиальная линия обеспечивает высокий коэффициент трансформации в широком диапазоне частот и, следовательно, хорошее согласование высокоомных волноводных каналов У-сочленения с низкоомной центральной частью этого сочленения, образованной малым основанием конуса и близлежащей широкой стенкой сочленения. Гальваническая связь токонесущего проводника 6 микрополосковой линии с меньшим основанием конуса 9 обеспечивает сильную электромагнитную связь микрополосковой линии через трансформирующий элемент 4 с каналамии(фиг,1), Обеспечение сильной электромагнитной связи каналов У-образного сочленения с его центральной частью является40 45 50 55 одним из условий работы циркулятора СВЧ. Кроме того, работоспособность У-образного циркулятора в режиме объемных колебаний в феррите обеспечивает выполнение условия электродинамического резонанса в ферритовом резонаторе. В предлагаемой конструкции это условие достигается за счет выбора диаметра меньшего основания 9 конуса 4 равному А 1/2, а высота конуса 4 - равной расстоянию от ферритового диска до противолежащей широкой стенки У- образного сочленения. Предлагаемая конструкция циркулятора обеспечивает также работу прибора в режиме бегущей поверхностной ферритовой волны, Этот режим обеспечивается за счет значительного отличия волновых сопротивлений в СВЧ- линиях, одна из которых заполнена ферритом полностью, а другая - частично. Малая величина электромагнитных потерь и высокая величина развязки в этом режиме достигаются за счет ширины линии, частично заполненной ферритом, равной Ж/4, Для реализации режима поверхностной ферритовой волны требуется увеличить по сравнению с режимом объемных колебаний в феррите величину подмагничивающего поля, Известно, что циркулятор, работающий в режиме бегущей поверхностной ферритовой волны, по величине развязки между каналами значительно превосходит У-образные циркуляторы, работающие на объемных колебаниях в ферритовом резонаторе, В предлагаемой конструкции циркулятора, работающего в режиме бегущей ферритовой поверхностной волны, увеличение величины развязки достигается за счет незначительной величины электрической составляющей СВЧ-поля на границе перепада волновых сопротивлений СВЧ-линий, полностью и частично заполненных по- перечно намагниченным ферритом, из-за ширины последней, равной А 2/4. Таким образом, в предлагаемой конструкции циркулятора СВЧ сигнал в зависимости от направления внешнего подмагничивающего поля распространяется в направлении 1 -ф 1 -ф 11-или 1- 1+ -1 - 1, т,е. из волноводного канала может поступать в микрополосковый канал и наоборот, при высокой величине развязки (режим бегущей поверхностной ферритовой волны) и малых вносимых электромагнитных потерях и габаритах (без подключения волноводно-микрополоскового СВЧ-перехода).П р и м е р. Циркулятор СВЧ, собранный на У-образном сочленении трех волноводных линий передачи, Сечение волновода 13 х 3,25 мм . В центре У-образного сочлене 5 10 15 20 25 30 35 ния на одной из его широких стенок установлен поперечно намагниченный ферритовый диск. Марка феррита 2 СЧ. Размеры ферритового диска: диаметр 10 мм, толщина 0,5 мм. В одном из волноводных каналов сочленения расположена микрополосковая СВЧ-линия, содержащая диэлектрическую подложку толщиной 0,5 мм (материал - поликор) и микрополосковый проводник шириной 0,5 мм (50 Ом). Трансформирующий элемент выполнен в виде усеченного металлического конуса, диаметр большего основания которого равен 10 мм, а меньшего 3 мм, высота конуса 2,75 мм.Описанный циркулятор в 2-сантиметровом диапазоне длин волн имеет величину развязки между каналами не менее 40 дБ, прямое затухание не более 0,5 дБ. Прибор обеспечивает циркуляцию СВЧ-сигнала с укаэанными параметрами между волноводными и микрополосковой СВЧ-линиями при габаритных размерах, не превышающих размеры известного устройства соответствующего диапазона, т,е, 30 х 30 х 20 мм,Предлагаемый циркулятор по сравнению с известным позволяет увеличить величину развязки на 15 - 20 дБ, снизить электромагнитные потери на 0,2 дБ за счет обеспечения возможности использования его в волноводно-микрополосковых СВЧ- трактах без подключения громоздких волноводно-микрополосковых СВЧ-переходов, а также использовать его в многоканальных СВЧ-системах за счет увеличения числа микрополосковых линий, токонесущий проводник которых гальванически связан с малым основанием конуса,Формула изобретения Циркулятор, содержащий многоплечее волноводное разветвление в Н-плоскости, в центре которого на одной из широких стенок установлен поперечно намагниченный1ферритовый диск с трансформирующим элементом, ось симметрии которого совпадает с осью симметрии ферритового диска, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения прямых потерь и увеличения развязки, по крайней мере в одно из плеч волноводного разветвления введен отрезок микрополосковой линии передачи, толщина диэлектрической подложки которого равна высоте ферритового диска, а конец токонесущего проводника расположен на ферритовом диске вдоль его радиуса, трансформирующий элемент выполнен в форме усеченного проводящего конуса, большее. основание которого расположено на другой широкой стенкеволноводного разветвления, а меньшее гальванически соединено с1716581 10 10 4 4 5 Составитель Т. ГолубеваТехред М.Моргентал Кор Ре р А. О. Кундрик аказ 617 Тираж В Н И ИП И Государствен ного комитета по изоб 113035, Москва, Ж, РауПодписноеениям и открытиям при ГКНТ ССкая наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 токонесущим проводником, при этом диаметры большего основания О усеченного проводящего конуса и его меньшего основания б соответственно равны:О = бф = Р 1/2 + А 2/2);б =Й/2,где Л 1 - длина волны СВЧ-колебаний в линии, образованной широкой стенкой волно-,водного разветвления и меньшим основанием трансформирующего элемента; А 2 - длина волны СВЧ-колебаний в ли нии, образованной этой же широкой стенкой и боковой поверхностьютрансформирующего элемента;бф - диаметр ферритового диска.