Материал: Справочник магнитного диска. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны». Ерошенко Д.А., Климов А.И

В волноводных трактах СВЧ широко используется направленный ответвитель, представляющий собой два пересекающихся под прямым углом прямоугольных волновода, в общей широкой стенке которых на расстоянии а/4 от узких стенок прорезано отверстие связи какой-либо формы (рис. 5, б). Возможные формы отверстий, применяемых в таких ответвителях, показаны на рис. 6. Форма и размеры отверстий существенно влияют на величину переходного ослабления. В направленных ответвителях с элементами резонансного типа (щели, крестообразные отверстия) удается получить малые значения переходного ослабления. Принцип работы такого отверстия основан на том, что точка расположения отверстия является точкой круговой поляризации вектора магнитного поля волны Н₁₀. Направление вращения вектора Н однозначно определяет направление распространения волны Н₁₀ в волноводе. Направленное ответвление мощности объясняется сохранением направления вращения вектора Н в верхних и нижних волноводах. Для уменьшения переходного ослабления в таких отверстиях делают два диагонально расположенных крестообразных отверстия связи.

Рис. 6. Формы отверстий связи, используемых

в направленных ответвителях

а) б)

Рис. 7. Полосковые направленные ответвители:

а – двухшлейфовые, б – на связанных линиях

На рис. 7 показаны полосковые направленные ответвители. Двухшлейфовый ответвитель (рис. 7, а) является аналогом двухдырочного волноводного ответвителя. Шлейфы длиной λ_л/4 выполняют роль отверстий и расположены на расстоянии λ_л/4 друг от друга. Требуемое переходное ослабление и согласование входов обеспечивается подбором волновых сопротивлений шлейфов и соединяющих их линии. Принцип работы полоскового ответвителя на связанных линиях (рис. 7, б) состоит в том, что направленный переход из основной линии (1 – 3) во вторичную (2 – 4) осуществляется за счет расположения в поле линии (1 – 3). Для этого расстояние d между линиями делается достаточно малым. Величина переходного затухания в таком ответвителе зависит от зазора между линиями d и от длины связанного участка l. В таком направленном ответвителе обеспечивается распределенная по длине связь между линиями.

Мостовые устройства СВЧ. Мостами СВЧ называют направленные ответвители с переходным ослаблением 3 дБ. Таким образом, мост делит мощность поровну между плечами 3 и 4 (см. рис. 8).

а) б)

Рис. 8. Волноводно-щелевые мосты:

а – в Н плоскости, б – в Е плоскости

Различают следующие мостовые устройства СВЧ: волноводно-щелевые мосты в Н- и Е-плоскостях; кольцевой мост; двойной Т-мост; свернутый двойной Т-мост. Мосты СВЧ,являясь частным случаем направленных ответвителей, на эквивалентной схеме отображаются в виде восьмиполюсника.

Волноводно-щелевой мост в Н-плоскости (рис. 8, а) представляет собой два прямоугольных волновода, часто общей узкой стенки которых длиной l вырезается. В результате образуется широкий прямоугольный волновод с размерами поперечного сечения А × b. Размер А этого волновода выбирается таким образом, чтобы в нем распространяющимися были волны Н₁₀ и Н₂₀, т.е. λ < A < 3λ/2. При возбуждении плеча 1 волной Н₁₀ в широком волноводе возбуждаются волны Н₁₀ и Н₂₀. Эпюры поперечных составляющих электрического поля этих волн в месте возбуждения показаны на рис. 3.13. Из графиков следует, что в области входа 2 моста a ≤ x ≤ 2a волны Н₁₀ и Н₂₀ широкого волновода находятся в противофазе. Поэтому плечо 2 является развязанным. Волны Н₁₀ и Н₂₀ в широком волноводе имеют разные фазовые скорости. Поэтому в месте расположения плеча 3 и 4 они приобретают разность фаз , где , . Здесь ;

Рис. 9. Эпюры электрического поля волн Н₁₀ и Н₂₀ в плоскости

входов 1 и 2 волноводно-щелевого моста

– продольные постоянные распространения волн Н₁₀ и Н₂₀ в широком волноводе. Для того, чтобы мощность поделилась поровну между плечами 3 и 4, необходимо так выбрать длину l, чтобы . Таким образом, наименьшая длина моста определяется из условия и .

Аналогично работает волноводно-щелевой мост в Е-плоскости (рис. 8, б). Он представляет собой два прямоугольных волновода, в общей широкой стенке которых прорезано два, примыкающих к узким стенкам, прямоугольных отверстия. Таким образом, на участке длиной l образуется прямоугольный коаксиал. В области отверстий связи возбуждаются волны Т и Н₁₀. Длина моста l выбирается из условия обеспечения разности фаз между этими волнами π/2: , где k = 2π/λ.

Волноводно-щелевые мосты в Н- и Е-плоскостях имеют одинаковые матрицы рассеяния:

.

Кольцевой мост представляет собой свернутую в кольцо линию передачи длиной 3λ_л/2, в которую с интервалом λ_л/4 включены четыре входные линии передачи. В качестве линии передачи могут быть использованы прямоугольный волновод в Е- и Н-плоскостях, коаксиальная, полосковая линия и т.п. Для примера на рис. 10 приведен кольцевой мост в полосковом исполнении.

Рис. 10. Полосковый кольцевой мост

При возбуждении плеча 1 в обе стороны по кольцу распространяются волны, которые в области плеч 2 и 4 оказываются синфазными, а в области плеча 3 – противофазными. Поэтому мощность делится поровну между плечами 2 и 4, а плечо 3 – развязано. При этом плечи 2 и 4 возбуждаются в противофазе, т.к. расстояние между ними равно λ_л/2. Согласование входов моста обеспечивается подбором волновых сопротивлений линии и линии кольца. Возбуждая последовательно все плечи кольцевого моста, можно составить матрицу рассеяния:

.

Двойной Т-мост является еще одним представителем волноводных мостовых устройств (рис. 11). Он представляет собой гибрид волноводных Е- и Н-тройников. (см. рис. 4). При возбуждении плеча 1 мощность делится поровну между плечами 3 и 4, возбуждая их синфазно. Плечо 2 оказывается развязанным, так как вектор электрического поля волны Н₁₀ плеча 1 оказывается ориентированным вдоль волновода плеча 2 и в нем возбуждаются волны типа Е, которые находятся в закритическом режиме. При возбуждении плеча 2 мощность также делится поровну между плечами 3 и 4, возбуждая их, однако, в противофазе. Плечо 1 оказывается развязанным, т.к. вектор электрического поля волны Н₁₀ плеча 2 ориентирован параллельно широким стенкам волновода плеча 1 и в нем возбуждаются волны типа H_0n (n = 1, 2, …), которые находятся в закритическом режиме. Учитывая взаимность данного устройства, можно составить матрицу рассеяния:

.

Рис. 11. Двойной волноводный Т-мост

Отличительной особенностью двойного Т-моста является то, что он складывает мощности синфазных равноамплитудных источников, подключенных к плечам 3 и 4, в плече 1, а противофазных – в плече 2. Поэтому такие устройства находят применение в антеннах моноимпульсных радиолокационных станций для формирования суммарно-разностных каналов.

Свернутый двойной Т-мост (рис. 11) является разновидностью двойного Т-моста и имеет такую же матрицу рассеяния.

Многоканальные делители мощности СВЧ . Такие делители мощности находят применение в трактах многоэлементных антенных решеток (АР). Предназначены для деления мощности источника в требуемом соотношении между большим числом выходных каналов, возбуждающих излучающие элементы АР. Эквивалентный многополюсник такого делителя показан на рис. 12.

Рис. 12. Многоканальный делитель мощности СВЧ

Мощность источника, подключаемого к первой паре клемм (входу), должна быть распределена между N выходными парами клемм. Элементами для построения таких делителей могут служить тройники, балансные делители мощности, мостовые устройства и их комбинации. Наиболее распространенными являются параллельная (рис. 13, а), последовательная (рис. 13, б) и параллельно-последовательная (рис. 13, в) схемы построения многоканальных делителей. Каждый квадратик на этих схемах обозначает элементарный делитель мощности.

Рис. 13. Схема многоканальных делителей мощности:

а – параллельная, б – последовательная,

в – параллельно-последовательная

Характеристики многоканальных делителей могут быть найдены по известным характеристикам элементарных делителей путем объединения их в общую схему.

3. Лабораторные задания и методические указания по их выполнению

Измерить в полосе частот 8,5-12,0 ГГц с шагом 0,25 ГГц следующие характеристики волноводного направленного ответвителя на основе двух прямоугольных волноводов 23х10 мм2 с общей узкой стенкой и тремя отверстиями связи:

1) частотную характеристику КСВ по входу;

2) частотную характеристику рабочего затухания;

3) частотную характеристику переходного ослабления;

4) коэффициент развязки между выходными основным и боковым плечами.

При проведении измерений к неиспользуемым плечам ответвителя необходимо подключать согласованные нагрузки.

Полученные результаты оформить в виде таблицы.

4. Содержание отчета

В отчете должны быть представлены:  краткая теория направленных ответвителей, описание их электрических характеристик, результаты измерений характеристик исследованного направленного ответвителя и выводы.

5. Контрольные вопросы

1. Волноводные Е- и Н-тройники, их свойства, применение в СВЧ-технике.

2. Двойной волноводный Т-мост, его свойства, применение в СВЧ-технике.

3. Балансный делитель (сумматор) мощности и его свойства.

4. Направленные ответвители и мосты, их основные электрические параметры и применение в СВЧ-технике.

5. Методика исследования характеристик направленных ответвителей.

Лабораторная работа № 5 исследование пассивных невзаимных устройств свч

Цель работы

1. Изучение конструкций и основных свойств невзаимных и взаимных устройств СВЧ на основе волноводов с намагниченными ферритами.

2. Экспериментальное исследование характеристик резонансного ферритового вентиля но основе прямоугольного металлического волновода.

Домашнее задание: изучить теоретический раздел работы.

1. Свойства свч ферритов. Гиромагнитные эффекты в намагниченных ферритах

Использование ферритов на СВЧ обусловлено рядом специфических эффектов, возникающих при распространении электромагнитных волн в намагниченной ферритовой среде. Ферритовые приборы применяются в СВЧ и КВЧ диапазонах в качестве развязывающих устройств (вентилей и циркуляторов), поляризаторов, перестраиваемых резонаторов и фильтров. Основные характеристики и параметры этих устройств определяются свойствами ферритов, представляющих собой смеси оксидов железа и других металлов (марганца, кобальта, никеля, цинка, кадмия, магния). Ферриты – это трудно механически обрабатываемые керамические материалы с высоким удельным сопротивлением (более 10⁶ Ом∙см) с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r=5–20 и низким тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ_э=10^-3–10^-4. Начальная относительная магнитная проницаемость СВЧ ферритов в слабых низкочастотных полях μ=10–3000. На СВЧ при отсутствии постоянного намагничивающего поля μ ферритов лишь незначительно отличается от единицы. Структура ферритов может быть моно- и поликристаллической. Монокристаллы – это правильные многогранники с упорядоченной кристаллической решеткой во всем объеме; поликристаллы состоят из большого числа хаотически сросшихся мелких кристаллов. Ферритовые образцы состоят из доменов – мелких областей, намагниченных до насыщения. Размеры домена очень малы – менее 1 мкм. Поскольку векторы намагниченности доменов в отсутствие внешнего магнитного поля имеют произвольную пространственную ориентацию, образец в целом может быть ненамагниченным. С ростом температуры вследствие нарушения ориентации магнитных моментов электронов намагниченность доменов уменьшается и при температуре Кюри порядка t_c=100-600 °С она исчезает. Магнитные свойства ферритов определяются наличием в их кристаллической решетке «магнитных частиц» – атомов или ионов, обладающих векторным магнитным моментом m. Такой момент обусловлен нескомпенсированными спиновыми магнитными моментами m_сп электронов атома (орбитальные моменты дают незначительный вклад в суммарный магнитный момент атома). Рассмотрим «магнитный» атом, находящийся в постоянном магнитном поле напряженностью Н₀ (рис. 1). Пусть магнитный момент атома m составляет с вектором Н₀ некоторый угол α. Под действием возникшего со стороны магнитного поля момента силы механический момент атома L и магнитный момент m начинают прецессировать (вращаться) вокруг направления Н₀. Таким образом, вектор m описывает в пространстве конус с осью в виде вектора Н₀. Соответственно, так же прецессирует и суммарный вектор намагниченности феррита М. Если смотреть по направлению постоянного магнитного поля Н₀ (вдоль оси OZ), вращение векторов m и М происходит по часовой стрелке. Частота прецессии

, (1)

где – гиромагнитная постоянная (e – заряд, m_e - масса электрона), называется круговой частотой ферромагнитного резонанса. Вследствие взаимодействия «магнитных» атомов друг с другом и с кристаллической решеткой угол прецессии α постепенно уменьшается, и за время порядка 10^-7-10^-9 с (время релаксации) становится равным 0. Магнитные моменты всех атомов выстраиваются по направлению Н₀, так же ориентируется и вектор намагниченности М (величина М есть предел отношения результирующего магнитного момента феррита к его объему при стремлении последнего к нулю) и феррит оказывается намагниченным.

Пусть в феррите вместе с постоянным действует переменное магнитное поле с частотой ω, описываемое вектором Н, поляризованным в плоскости XOY, причем амплитуда Н<<Н₀. Поскольку на магнитные моменты атомов теперь действует суммарное поле Н_Σ (рис. 1), вектор намагниченности феррита теперь имеет постоянную и переменную составляющие: М=М₀+М_ω и вращается вокруг направления Н_Σ. Если переменного магнитного поля нет, направление вектора М=М₀ совпадает с направлением вектора Н₀.

Возникновение преимущественной угловой ориентации магнитных моментов атомов и вектора намагниченности феррита М приводит к тому, что электромагнитная волна воспринимает намагниченный феррит как анизотропную среду, в которой вектор магнитной индукции B=||μ||H, где ||μ|| - тензор абсолютной магнитной проницаемости.

Из электродинамики известно, что для феррита, намагниченного полем Н₀ вдоль оси OZ, тензор магнитной проницаемости имеет вид

, (2)

где ; ; – параметр, имеющий размерность частоты, определяемый свойствами феррита; μ₀ = 4π10^-7 Г/м – абсолютная магнитная проницаемость свободного пространства.

Тензор ||μ|| является антисимметричным. Это свидетельствует о наличии гиротропных свойств у намагниченного феррита, выражающихся в специфических явлениях, сопровождающих распространение ЭМВ в такой среде (в частности, вращение плоскости поляризации ЭМВ).

а) б)

Рис. 1. К пояснению свойств намагниченного феррита