Лекция
Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про устройства свч, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое устройства свч, антенные переключатели, ферритовые вентили, циркуляторы , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.
В современных радиотехнических системах широко применяют устройства управления амплитудой (многоканальные переключатели, аттенюаторы, амплитудные модуляторы,ограничители) и фазой (фазовращатели) СВЧ сигнала.
Для этих целей используют СВЧ диоды. Управляющий СВЧ диод может включаться в линию последовательно или параллельно.
В микрополосковую линию бескорпусные диоды обычно включают параллельно.
Принцип работы многоканального переключателя (рис. 4.1) заключается в том, что при подаче положительного смещения диод открывается, его сопротивление становится намногоменьше Z0 и линия в этом сечении шунтируется диодом.
Рис. 4.1 — Схема многоканального переключателя
Подводимая мощность отражается от этого сечения линии. Если же на диод подать отрицательное смещение, то он закрывается, его сопротивление становится большим и не шунтируетлинию. В диоде поглощается небольшая доля переключаемой мощности. Это позволяет выполнять переключатели для относительно большой мощности на маломощных приборах. Если этамощность мала (менее 1 Вт), то можно применять СВЧ диоды различных типов: варакторы, туннельные диоды и др. Если же уровень мощности превышает 1 Вт, то пригодны только р-i-n —диоды, способные рассеять до 10 Вт средней мощности. Необходимо отметить, что вносимые потери в переключателе в режиме пропускания LПи запирания LЗ связаны зависимостью
где Rmax, Rmin — сопротивления диода при подаче отрицательного и положительного смещения соответственно, К — качество р-i-n-диода.
Обычно переключатели разрабатывают на максимальный уровень переключаемой мощности. В этом случае режим работы переключателя целесообразно выбрать таким, чтобы вположениях «включено» и «выключено» в диоде поглощалась одинаковая мощность. При этом в диоде поглощается около 6% коммутируемой мощности. Потери в режиме «включено»составляют 0,5 дБ, в режиме «выключено» (26...28) дБ. Если требуется увеличить вносимые потери в режиме «выключено», вдоль линии можно установить несколько диодов на расстояниичетверти длины волны. Мощность управления одним р-i-n
— диодом составляет (0,03...0,1) Вт.
Если нужно уменьшить мощность управления (например, при большом числе диодов), можно применить варакторы МДП. У этих приборов при изменении напряжения смещенияизменяется емкостная проводимость. Ток утечки в них не превышает 10-14 А, из за чего требуемаямощность управления существенно уменьшается.
На основе одноканального переключателя созданы электрически управляемые аттенюаторы. В них напряжение смещения диода плавно изменяют в пределах ±Uсм При этом вносимоезатухание изменяется в пределах (0,5...28) дБ.
Если в линию включить варактор или диод с барьером Шоттки без внешнего смещения, то на нем за счет проходящего сигнала поддерживается постоянное напряжение порядка 1 В, т. е.происходит амплитудное ограничение сигнала. Такие схемы используются в РЛС для защиты входных цепей приемников и в ЧМ приемниках для устранения паразитной амплитудноймодуляции.
Переключающие свойства р-i-n-диодов используют для создания дискретных микрополосковых фазовращателей (рис. 4.2).
Рис. 4.2 — Схемы одного разряда микрополосковых фазовращателей с переключением отрезков линий (а), мостового (б), шлейфного (в)
Такие фазовращатели для упрощения управления ими строят по принципу двоичной разрядности.
На практике широко применяются переключатели и аттенюаторы, выполненные на широкополосных направленных ответвителях (ШНО), которые используются при разработкемодуляторов. На рис. 4.3 показан антенный коммутатор на двух 3 дБ-мостах.
Рис. 4.3 — Схема антенного коммутатора
При передаче VD1 и VD2 открыты, мощность передается в точки 5 и 6 и не поступает в антенну. Отражаясь через открытые диоды, сигналы со сдвигом фаз 90°, складываясь в ШНО1,поступают в антенну синфазно. Из-за неидеальности элементов VD1 и VD2 мощность просачивается в плечи 7 и 8, при этом синфазно складывается в плече 3 и гасится резистором R ипротивофазно -в плече 4 (сигнал отсутствует). При приеме диоды закрыты, при этом сигнал из антенны делится пополам в плечах 5 и 6 и передается в плечи 7 и 8 соответственно. При этом вплече 4 сигналы в фазе, ав 3 -в противофазе (сигнал отсутствует).
Если в плече 2 установить резистор R= Z0, схема превратится в выключатель (плечо 1 — вход, 4 — выход). Если VD1 и VD2 открыты — состояние «выключено», закрыты — «включено».Если управляющий ток подавать не скачком, а плавно, можно плавно модулировать мощность на выходе.
Аттенюатор на основе одиночного ШНО изображен на рис.4.4.
Рис. 4.3 — Схема аттенюатора на основе одиночного ШНО
Вход и выход являются развязанными плечами. Как и в предыдущем случае, можно плавно модулировать входной сигнал.
В технике СВЧ широкое применение находят устройства, в которых используются ферриты, помещенные в постоянное подмагничивающее поле: резонансный ферритовый вентиль,ферритовый вентиль на смещении поля, ферритовый Y-циркулятор, ферритовый циркулятор на основе эффекта Фарадея и др.
Ферритовый вентиль — СВЧ-устройство с односторонним прохождением электромагнитной волны, то есть с очень малым затуханием волны, проходящей в одном направлении, и очень большим — для волны обратного направления.
Циркулятор — согласованный недиссипативный невзаимный многополюсник, в котором передача мощности происходит в одном направлении с входа 1 на вход 2, с входа 2 на вход 3 и т. д., с входа с наибольшим номером — на вход 1 . Чаще всего применяются шестиполюсные и восьмиполюсные циркуляторы (т. е., соответственно, с тремя и четырьмя входами, называемые Y- и X-циркуляторами). Циркуляторы применяются в качестве развязывающих устройств (функциональных узлов СВЧ), например: для одновременного использования общей антенны на передачу и на прием; в параметрических усилителях; в схемах сложения мощностей генераторов.
Феррит обладает одновременно магнитными свойствами ферромагнетика и электрическими диэлектрика (диэлектрическая проницаемость 
, тангенс угла потерь 
, удельная проводимость 
сим/м). При отсутствии постоянного магнитного поля начальная магнитная проницаемость 
практически равна единице.
У ферритов, подмагниченных постоянным магнитным полем, относительная магнитная проницаемость является кососимметричным тензором второго ранга, то есть описывается девятью скалярными величинами:
где 
— скалярные величины, определяющие значение относительной магнитной проницаемости феррита.
Действительные составляющие компонент тензора магнитной проницаемости определяют фазовую скорость распространения электромагнитной волны, а мнимые — магнитное поле в
феррите. Выражения для компонент приведены в .
Реакция намагниченного феррита на электромагнитное поле СВЧ существенно зависит от соотношения между направлением распространения электромагнитной волны в феррите и направления подмагничивающего поля. При поперечном подмагничивании направление вектора Н подмагничивающегополя перпендикулярно направлению распространения волны, а при продольном подмагничивании эти направления совпадают. И в том и в другом случаях магнитнаяпроницаемость феррита может быть выражена через эффективные скалярные относительные магнитные проницаемости:
— при поперечном подмагничивании
и 
— при продольном подмагничивании.
В безграничной ферритовой среде при поперечном подмагничивании электромагнитный процесс может быть описан двумя линейно поляризованными волнами:
- обыкновенной, для которой вектор напряженности СВЧ магнитного поля поляризован в направлении, совпадающем с направлением подмагничивающего поля и эффективная магнитная проницаемость феррита равна 
— необыкновенной, у которой вектор напряженности СВЧ магнитного поля поляризован в плоскости перпендикулярной к направлению подмагничивающего поля и
эффективная магнитная проницаемость — . 
Эти волны имеют разные скорости распространения. Между ними возникает фазовый сдвиг, что проводит к изменению поляризации электромагнитного поля на пути распространенияволны от линейной до круговой и наоборот. Это явление называется двойным лучепреломлением или эффектом Коттона-Мутона.
В развязывающих приборах (вентилях, Y-циркуляторах)используется только необыкновенная волна.
При продольном подмагничивании электромагнитный процесс в феррите может быть описан двумя волнами с круговой поляризацией разного направления: «+» (правополяризованной) и«–» (левополяризованной), для которых феррит имеет эффективные магнитные проницаемости 
, соответственно. У правополяризованной волны вектор магнитного поля вращается по часовой стрелке для наблюдателя, смотрящего по направлению подмагничивающего поля, а у левополяризованной волны оно имеетпротивоположное направление. Скорости распространения этих волн разные, поэтому между ними возникает фазовый сдвиг. Направление вращения плоскости поляризации определяетсятолько направлением подмагничивающего поля и не зависит от направления распространения электромагнитной волны. Это невзаимное явление называется эффектом Фарадея.
В показано, что величина вещественной части эффективной магнитной проницаемости определяется из формулы
Таким образом, необыкновенная волна может быть представлена суперпозицией двух волн с круговой поляризацией вектора СВЧ магнитного поля. В данном случае направление распространения волны лежит в плоскости, перпендикулярной направлению подмагничивающего поля. В большинстве СВЧ ферритовыхустройств используются прямоугольные волноводы с волной типа Н10. В целом эта волна линейно поляризованная.
Однако существуют две продольные плоскости, параллельные узкойстенке, где магнитное поле имеет чисто круговую поляризацию. Направления вращения векторов СВЧ магнитного поля в этих плоскостях взаимно противоположны и меняются наобратные при изменении направления распространения СВЧ энергии в волноводе. В произвольных продольных сечениях волновода СВЧ магнитное поле имеет эллиптическуюполяризацию.
Так, при конструировании волноводных резонансных вентилей ферритовые вкладыши, имеющие обычно форму пластин, размещаются вдоль волновода так, чтобы осьсимметрии их поперечного сечения лежала в одной из плоскостей с круговой поляризацией СВЧ магнитного поля. В длинноволновой части сантиметрового и в дециметровом диапазонахдлин волн применяют волноводные резонансные вентили с ферритовыми вкладышами, расположенными в плоскости H. Для них требуется высокое значение внешнегоподмагничивающего поля. Это позволяет избежать взаимных потерь в области «слабых полей» в режиме, когда намагниченность феррита не достигает насыщения. В сантиметровомдиапазоне длин волн применяют волноводные вентили со смещением поля (рис. 4.4).
Рис. 4.4 — К пояснению принципа действия вентиля на смещении поля
Они содержат: постоянный магнит 1, создающий поперечное подмагничивающее поле; ферритовый вкладыш 2; резистивная пленка 3. Если ферритовый вкладышнамагничен поперечным постоянным магнитным полем
так, что вещественная часть величины эффективной магнитной проницаемости ' становится отрицательной, одна из распространяющихся волн («обратная», обозначенная на рис. 4.4 как E )приобретает характер поверхностной волны. Такая волна распространяется вдоль поверхности вкладыша и имеет максимальную амплитуду напряженности электрического поля на границераздела феррит — незаполненный волновод. По мере удаления от этой границы амплитуда поля уменьшается экспоненциально. Волна противоположного направления («прямая», обозначеннаяна рис. 4.4 как E ) не является поверхностной, изменение амплитуды напряженности поля в поперечном сечении имеет гармонический характер и она по структуре отличается от основноготипа волны H10 и
имеет вид, как показано на рис. 4.4.
Если нанести на правую (по рис. 4.4) поверхность ферритового вкладыша тонкую резистивную пленку, то «обратная» волна будет поглощаться значительно сильнее, чем «прямая»,которая имеет в месте размещения поглощающей пленки малую (близкую к нулю) амплитуду поля.
С изменением напряженности постоянного магнитного поля будут изменяться свойства ферритовой пластинки, что сказывается на характеристиках вентиля. В табл. 4.1 приведенызначения основных параметров вентилей: прямого Lр и обратного Lр
затуханий и собственного КСВ, а также для сравнения указаны величины напряженности постоянного подмагничивающего поля H 0.
Табл. 4.1 — Основные параметры ферритовых вентилей
Трехплечие циркуляторы.
Кроме вентилей, в технике СВЧ применяются циркуляторы (рис. 4.5), которые позволяют обеспечить развязку каналов и согласование СВЧ устройств.Циркулятор представляет собой торцевое соединение трех или четырех полосковых линий или волноводов в Н-плоскости под углом 120° или 90°. В центре соединенияустанавливаетсяферритовый диск, находящийся в постоянном полемагнита.
Рис. 4.5 — Варианты конструкции трехплечих Y-циркуляторов
Наиболее простым в конструктивном исполнении является циркулятор, в котором феррит окружен диэлектрической втулкой (рис. 4.5, а). Конструкция циркулятора для работы приповышенной импульсной мощности отличается тем, что в нем используются два ферритовых диска, размещенных на одной оси с небольшим зазором между дисками (рис. 4.5, б). Дляобеспечения согласования на входах циркулятора в широком диапазоне частот применяются диэлектрические штыри, размещаемые относительно ферритового диска как показано на рис. 4.5, в.
Действие циркулятора можно объяснить следующим образом. Волна типа Н10, поступающая в плечо 1, дифрагирует на ферритовом цилиндрическом вкладыше и
возбуждает равные по амплитуде поверхностные волны, огибающие феррит в противоположных направлениях. Взаимодействие этих поверхностных волн с намагниченным ферритом характеризуется различными значениями магнитной
проницаемости. При этом фазовые скорости поверхностных волн оказываются различными. Подбирая диаметр ферритового цилиндра и величину намагничивающего поля Н0, можно присложении поверхностных волн получить пучность напряженности электрического поля в центре плеча 2, а узел напряженности электрического поля в центре плеча 3. При этом энергия из плеча1 поступит в плечо 2 и не поступит в плечо 3. Если энергия подается со стороны плеча 2, то она передается в плечо 3 и не поступает в плечо 1. При подаче энергии в плечо 3 она передается вплечо 1 и не поступает в плечо 2. В реальных конструкциях циркуляторов имеет место просачивание мощности из плеча 1 в плечо 3 ит.д. Поэтому для характеристики циркуляторовприменяются такие параметры, как развязка между плечами
Lр и прямые потери Lр . Y-циркуляторы чувствительны к колебаниям окружающей температуры, величине магнитного поля, размерам ферритов и т.д. Для устранения этогоферрит помещают в диэлектрическую втулку, которая может являться своеобразным элементом настройки циркулятора, так как подбором еедиаметра можнорегулировать ширину рабочей полосы. Для примера характеристики некоторых циркуляторов представлены в табл. 4.2.
Табл. 4.2 — Характеристики некоторых Y-циркуляторов
внешний вид циркулятора
Ферритовый вентиль
Статью про устройства свч я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое устройства свч, антенные переключатели, ферритовые вентили, циркуляторы и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны
Комментарии
Оставить комментарий
Устройства СВЧ и антенны
Термины: Устройства СВЧ и антенны