Управляемые поляризаторы СВЧ могут быть выполнены на основе использования эффекта Фарадея в продольно намагниченном феррите (рис. 9). Он состоит из круглого волновода с волной Н₁₁, на оси которого расположен ферритовый стержень. Постоянное намагничивающее поле Н₀ создается соленоидом, размещенным непосредственно на волноводе. Величина этого поля выбирается такой, чтобы магнитные проницаемости феррита для волн круговой поляризации правого и левого вращений были бы различными.

Из-за различия магнитных проницаемостей феррита для этих волн они имеют разные фазовые скорости в волноводе с ферритом. Поэтому при распространении волн вдоль волновода между ними образуется сдвиг по фазе, величина которого определяется длиной стержня и напряженностью продольного магнитного поля, создаваемого при пропускании электрического тока через соленоид. Этот фазовый сдвиг определяет поворот плоскости поляризации волны Н₁₁, образованной сложением этих двух волн круговой поляризации на выходе поляризатора. Рассмотренные поляризаторы СВЧ используются как самостоятельно для изменения поляризации проходящей волны, так и в качестве элемента сложных устройств СВЧ.

а) б)

Рис. 9. Ферритовый поляризатор на эффекте Фарадея (а); поворот плоскости поляризации волны Н₁₁ в круглом волноводе с продольно подмагниченным ферритом (б)

Ферритовые фазовращатели СВЧ находят широкое применение в фазированных антенных решетках, фазовых модуляторах СВЧ колебаний, в измерительной СВЧ технике. Рабочие частоты современных ферритовых фазовращателей достигают 50-60 ГГц. На рис. 10 представлен проходной волноводный ферритовый фазовращатель. Он состоит из отрезка прямоугольного волновода, внутри которого помещен продольно подмагниченный ферритовый стержень. Поскольку плоскость поляризации вектора Е волны Н₁₀ фиксирована волноводом и волна с поляризацией параллельной широким стенкам волновода распространяться в нем не может, эффект Фарадея не возникает и волна, прошедшая через фазовращатель, получает лишь взаимный фазовый сдвиг.

Рис. 10. Взаимный ферритовый фазовращатель

Продольное магнитное поле в стержне создает соленоид, размещенный непосредственно на волноводе. Величина фазового сдвига такого фазовращателя зависит от величины намагничивающего поля, которое определяется величиной тока, протекающего через соленоид. При изменении тока в соленоиде изменяется и намагничивающее поле, что приводит к изменению магнитной проницаемости стержня и, следовательно, фазовой скорости проходящей волны.

Фазовращатели с плавным изменением фазы называются аналоговыми. Недостатком ферритового аналогового фазовращателя является низкая точность установки фазы и необходимость постоянного пропускания управляющего тока через соленоид для поддержания требуемого фазового сдвига.

На рис. 11, а показан дискретный ферритовый фазовращатель с Δφ = – π/4. Он состоит из прямоугольного волновода, внутри которого размещены три тороидальных ферритовых элемента, имеющих «прямоугольную» петлю гистерезиса (ППГ), показанную на рис. 11, б. Намагничивание феррита производится при пропускании импульсов тока по проводам, проходящим через тороиды. Амплитуда импульсов I_упр выбирается такой, чтобы феррит достиг состояния насыщения по величине магнитной индукции В. Значение фазового сдвига, вносимого одним ферритовым тороидом, определяется величиной магнитной индукции ±B_r.

Основным преимуществом таких фазовращателей является наличие внутренней магнитной памяти. Она проявляется в том, что ферриты с ППГ сохраняют состояние намагниченности неограниченно долго, а управляющий ток протекает лишь при перемагничивании феррита.

а) б)

Рис. 11. Невзаимный проходной фазовращатель на феррите с ППГ:

а – конструкция фазовращателя; б – петля гистерезиса и управляющие импульсы тока

Причем, импульсы тока имеют длительность порядка 10^-6 с и амплитуду 20-30 А. Такие фазовращатели имеют широкое практическое применение и работают в полосе частот 5-10 % от средней частоты, внося дополнительные тепловые потери примерно 1 дБ при КСВ на входе порядка 1,2. Уровень средней мощности СВЧ-колебаний, подводимых к входу фазовращателя, может достигать 0,5 кВт. Следует отметить, что рассмотренный ферритовый фазовращатель является невзаимным устройством, т.е. величина вносимого фазового сдвига изменяется при изменении направления распространения волны в волноводе. Сохранение фазового сдвига для волны с противоположным направлением распространения достигается изменением направления управляющего тока в проводах. Невзаимность фазовращателя объясняется тем, что феррит, подмагниченный поперечно относительно распространения волны СВЧ колебаний, имеет разные значения магнитной проницаемости для волн с противоположным направлением вращения вектора магнитного поля. Участки ферритовых тороидов, параллельные узким стенкам волновода, расположены в областях, в которых вектор магнитного поля волны Н₁₀ в каждой фиксированной точке вращается параллельно широкой стенке волновода. Направление вращения задается направлением распространения волны. При изменении направления распространения волны в волноводе меняется направление вращения вектора Н этой волны относительно направления намагничивающего поля Н₀ (рис. 12). Поэтому изменяется магнитная проницаемость феррита и величина вносимого фазового сдвига.

Рис. 12. Поперечные сечения фазовращателя на феррите с ППГ

3. Описание лабораторной установки и методики измерений

В работе исследуется волноводный резонансный вентиль Э8-24, предназначенный для однонаправленной развязки элементов волноводного тракта, а также для улучшения качества согласования измерительной аппаратуры в диапазоне частот 8,24 – 12,05 ГГц. Потери в обратном направлении составляют не менее 20 дБ, в прямом – не более 1,6 дБ. Коэффициент стоячей волны напряжения не более 1,3. Максимальная допустимая рассеиваемая вентилем мощность 3 Вт.

Вентиль выполнен на несимметричном Н–образном волноводе сечением 2310 мм². В устройстве применен феррит марки 40СЧ (92) в виде пластины. Диэлектрический вкладыш выполнен из материала ДПЕ-2 с диэлектрической проницаемостью . Магнит (сплав АИКО – 4) при намагничивании до насыщения имеет поле в центре зазора не менее 8,8 А/м. В вентиле используется ферромагнитный резонанс, возникающий при поперечном намагничивании ферритовой пластины относительно направления распространения волны по волноводу.

Структурная схема лабораторной установки для измерения ослабления вентиля в прямом и обратном направлении приведена на рис. 13, а установки для измерения КСВ (например, во входном плече вентиля) — на рис. 14. В работе используется панорамный измеритель Р2-61, который состоит из генератора качающейся частоты (ГКЧ) 1, индикатора 2 и двух направленных ответвителей (НО) 3 («падающая волна») и 4 («отраженная волна»). В случае измерения ослабления НО 3 и НО 4 включены в схему одинаковым образом, а между ними включено через соответствующие плечи исследуемые устройство 5; ко всем свободным плечам этого устройства и к выходному плечу НО 4 присоединены поглощающие оконечные нагрузки 6 (рис. 13). В такой схеме НО 3 регистрирует падающую волну во входном плече, а НО 4 — прошедшую через устройство волну в исследуемом плече.

В случае измерения КСВ НО 3 и НО 4 включены в схему навстречу друг другу, а входное плечо исследуемого устройства 5 подключено к НО 4; ко всем свободным плечам этого устройства присоединены поглощающие оконечные нагрузки 6 (рис. 14). В такой схеме НО 3 регистрирует падающую волну во входном плече устройства 5, а НО 4 — отраженную волну в этом же плече.

Методика измерения в полосе частот ослабления и КСВ с помощью панорамного измерителя Р2-61 изложена в описании лабораторной работы № 2.

4. Лабораторные задания и методические указания по их выполнению

Измерить частотную характеристику коэффициента ослабления вентиля в прямом и обратном направлении и частотную характеристику КСВ для прямого направления.

1. Провести калибровку панорамного измерителя Р2-61 в полосе частот 8,5–11,5 ГГц.

2. Собрать схему для измерения ослабления (рис. 13), включив в нее в качестве узла 5 исследуемый вентиль. Измерить зависимости ослаблений от частоты в прямом и обратном направлениях (в интервале 9–11 ГГц с шагом 0,5 ГГц) и внести измеренные значения в таблицу.

Рис. 13. Схема для измерения ослаблений

Рис. 14. Схема для измерений КСВ

3. Собрать схему для измерения КСВ во входном плече вентиля 5 (рис. 15). Произвести на указанных в п. 2 частотах эти измерения и внести полученные значения КСВ_. в таблицу.

4. По данным п. 2 и формуле (3) рассчитать зависимость вентильного отношения от частоты и внести результаты в таблицу.

4. Содержание отчета

Эскизы конструкций волноводного резонансного вентиля и Y-циркулятора; характеристики вентилей и циркуляторов; результаты экспериментальных исследований характеристик вентиля; выводы.

5. Контрольные вопросы

1. Свойства и электрические характеристики вентилей.

3. Устройство и принцип действия вентиля с использованием ферромагнитного резонанса.

4. Устройство и принцип действия вентиля с использованием эффекта смещения поля.

5. Свойства и электрические характеристики Y-циркулятора.

7. Устройство и принцип действия Y-циркулятора.

9. Вентиль на основе Y-циркулятора.

11. Типичные случаи применения вентилей и циркуляторов.  

12. Эффект Фарадея в намагниченном феррите. Устройства СВЧ, работающие на основе эффекта Фарадея.

Литература

1. Устройства СВЧ и антенны [Текст] / Д. И. Воскресенский и др.; под ред. Д. И. Воскресенского. – М.: Радиотехника, 2006. – 376 с.

2. Бокова, О.И. Устройства СВЧ [Текст]: учеб. пособие / О.И. Бокова, Р.Н. Андреев, А.И. Климов; под ред. Н.С. Хохлова. – Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2008. – 167 с.

3. Гассанов, Л.Г. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи [Текст] / Л.Г. Гассанов, А.А. Липатов, В.В. Марков, Н.А. Могильченко. – М.: Радио и связь, 1988. – 288 с.

4. Григорьев, А.Д. Электродинамика и техника СВЧ [Текст]: Учеб. для вузов / Григорьев А.Д – М.: Высш. шк., 1990. – 335 с.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам № 1—5

по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны»

для студентов специальности

210400.62 «Радиотехника» и

210601.65 «Радиоэлектронные системы и комплексы»

очной формы обучения

Составители:

Ерошенко Денис Александрович,

Климов Александр Иванович,

Пастернак Юрий Геннадьевич,

Фёдоров Сергей Михайлович.

В авторской редакции

Компьютерный набор С.М. Фёдоров

Подписано к изданию 10.19.2015.

Уч.- изд. л. 4,4.

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

394026 Воронеж, Московский просп., 14