МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
РЕФЕРАТ
З дисципліни: "Кошти ТЗІ мікрохвильового та оптичного діапазонів"
По темі: "Ферритові мікрохвильові пристрої для систем з високим рівнем потужності"
Перевірив: Щербина А.А.
Виконав: ст.гр. СТЗІ-07-1
Харків 2010
На сьогоднішній день розроблено і випускається широка гама феритових приладів мікрохвильового діапазону, які дозволяють створювати сучасні системи, що задовольняють нинішнім і перспективним вимогам мікрохвильової електроніки, програм космічних досліджень, робіт з фізики високих енергій, систем бездротового зв'язку і інших різних систем мікрохвильового діапазону. Серед усього різноманіття можна виділити найбільш важливі і часто вживані. Саме вони і будуть розглянуті нижче.
Циркулятор - многоплечее (багатополюсного) пристрій для спрямованої передачі енергії електромагнітних коливань: енергія, підведена до одного з плечей, передається в інший (строго певне) плече відповідно до порядку їх чергування.
Розрізняють електронні й ферритові циркулятори. Електронні циркулятори виконують на основі дискретних елементів - транзисторів, діодів, резисторів. Дія феритових циркуляторов засновано на здатності феритів, намагнічених у зовнішньому постійному магнітному полі, створювати при взаємодії з електромагнітним полем (хвилею) невзаємні фазовий зсув, невзаємні поворот площини поляризації [1, c .645-646] або таку комбінацію хвиль, яка забезпечує їх поширення тільки в одному з плечей.
Розрізняють такі ферритові циркулятори: фазовий У-циркулятор з зосередженими параметрами, застосовуваний в діапазоні частот від сотень до тисяч МГц, невзаємні фазовий зсув в якому здійснюється за допомогою намагніченого феритового зразка та системи індуктивно пов'язаних витків; циркулятор на основі розгалужених прямокутних або круглих хвилеводів або Полоскова ліній (у т. ч. мікрополоскових ліній) - У-, Т-і Х-циркулятор з розподіленими параметрами, використовувані в діапазоні частот від тисяч до десятків тисяч МГц, наприклад поляризаційний Х-циркулятор (рис.1).
Ферритові циркулятори не вимагають джерела живлення, і працюють на значно більш високих потужностях, ніж активні. Також вище їх робочий частотний діапазон. При цьому на низьких частотах, їх габарити можуть виявитися неприйнятно великими.
Ферритові Х - і У-циркулятори використовують в антенно-фідерних трактах для перемикання антени або модуля складної фазованою антеною решітки з режиму передачі в режим прийому. Феритовий У-циркулятор, в якому одне з плечей містить поглинаючу навантаження, являє собою різновид вентиля. Утворюючи з декількох У-циркуляторов послідовні (каскадні) з'єднання, можна отримувати циркулятор з будь-яким заданим числом плечей; такі системи в поєднанні з смугасто-пропускають фільтрами дозволяють реалізувати пристрої для складання або поділу сигналів з різними несучими частотами з використанням при цьому мінімального числа фільтрів.
Рис.1 Поляризаційний циркулятор на основі відрізка хвилеводу з круглим перерізом
На малюнку 1, 2, 3, 4 - плечі циркулятора у вигляді відрізків стандартних хвилеводів з прямокутним перетином, розташованих під кутом 45 ° послідовно по відношенню один до одного; пунктиром зображено феритовий зразок, що забезпечує поворот площини поляризації хвилі на 45 ° у напрямку, вказаному стрілкою, в результаті енергія, якщо її підвести до плеча 4, надходить тільки в плече 1, до плеча 3 - тільки в плече 4 т.д.
Головними характеристиками циркулятора є його вносяться прямі втрати A пр = P 1 + / P 2 - = P 2 + / P 3 - = P 3 + / P 1 - і зворотні втрати (розв'язка) A обр = P 1 + / P 3 - = P 2 + / P 1 - = P 3 + / P 2 -. Приклад наведено для трехплечевого циркулятора (Y-циркулятора), знак плюс належить до потужностей, що вводяться в циркулятор, а знак мінус - до виведеним. У робочому діапазоні частот хороший циркулятор має зазвичай наступними параметрами: A пр ≤ 0,5 дБ; A обр ≥ 30 дБ.
Також виділяють такі характеристики, як робоча частота (довжина хвилі), смуга пропускання, гранична робоча потужність, діапазон робочих температур, спосіб включення в тракт (вид роз'ємів), масогабаритні показники, стійкість до зовнішнього постійному магнітному полю, термін служби (обумовлений старінням постійного магніту ).
Феритовий вентиль - пристрій з одностороннім проходженням електромагнітної хвилі, тобто з дуже малим загасанням хвилі, що проходить в одному напрямі і дуже великим - для хвилі зворотного напрямку.
Вентилі застосовують для поглинання відбитих хвиль в лінії передачі, покращуючи тим самим узгодження різних елементів ланцюга. Їх ефективність визначається вентильним ставленням В, тобто ставленням ослаблень зворотної та прямої хвиль, вираженим в децибелах:
B = α обр / α пр | (1.1) |
де α - коефіцієнти загасання зворотної та прямої хвилі.
Принцип дії вентилів заснований на тому, що намагнічена феритова пластина є невзаємних середовищем. Тобто при прямому проходженні хвилі вектор її поляризації повертається з положення А в положення А, а при зворотному проходженні, він не повертається у вихідне положення А
Найбільш широко застосовуються вентилі трьох типів: резонансні, із зміщенням поля і фарадеевскіе.
Вентиль з резонансним поглинанням на прямокутному хвилеводі (рис.2) з хвилею типу H 10 заснований на використанні поперечно намагніченої феритової вставки 1, розташованої в області хвилеводу з обертовим полем .
Рис.2 хвилепровідий резонансний вентиль
1 - феритова вставка, 2 - постійний магніт, 3 - діелектрична пластина
Поперечний полі підмагнічування створюють постійним магнітом 2, причому величину поля підбирають рівній полю гіромагнітного резонансу для право поляризованої хвилі. Падаюча хвиля, при проходженні якої на ферит діє вектор H з лівим обертанням щодо поля підмагнічування, поширюється через вентиль з невеликим затуханням. Відбита хвиля, при проходженні якої на ферит діє правообертальні вектор , Інтенсивно загасає з-за великих втрат у фериті при магнетомеханічним резонансі.
Поле підмагнічування необхідне для існування гіромагнітного резонансу, і необхідне положення феритової пластини в хвилеводі залежать від частоти, що обмежує діапазонні властивості резонансного вентиля. Розширити робочу смугу частот резонансного вентиля вдається за допомогою діелектричної пластини 3, скріпляє з феритової пластиною. Діелектрична пластина сприяє збереженню в смузі частот умов обертання вектора в зоні розташування фериту.
Основну частку прямих втрат становлять магнітні втрати в фериті, що з'являються внаслідок феромагнітного резонансного поглинання (рис.3).
Рис.3 Залежність втрат у фериті від магнітного поля
При конструюванні резонансних вентилів вибирається область роботи поблизу резонансу. Втрати на "хвості" резонансної кривої становлять помітну величину і в основному визначають втрати в феритовому пристрої.
Вентилі зі зміщенням поля використовують те, що розподілу змінного електричного поля у хвилеводі з намагніченої феритової пластиною розрізняються для різних напрямків розповсюдження. І може бути знайдено положення пластини, для якого електричне поле на її поверхні дорівнює нулю для одного з напрямків розповсюдження. На цю поверхню поміщається поглинач, наприклад тонка плівка металу.
Фарадеевскій вентиль складається з відрізка круглого хвилеводу з феритовим стрижнем, розташованим по осі, і зовнішнього соленоїда, що створює поздовжнє полі подмагнічіваіія. З обох сторін круглий хвилевід закінчується плавними переходами до прямокутним волноводам. Усередині переходів паралельно широким стінок вхідної та вихідної прямокутних хвилеводів встановлені поглинають пластини. Вихідний прямокутний хвилевід повернутий по відношенню до вхідного на кут 45 °. Хвиля, подана на вхід 1, не відчуваючи ослаблення в поглинаючій пластині, перетворюється в хвилю H 11 круглого хвилеводу з вертикальною поляризацією. Діаметр і довжина феритового стрижня і напруженість подмагнічівающего поля вибрані так, що площина поляризації хвилі при поширенні на відрізку круглого хвилеводу з феритом повертається за годинниковою стрілкою на кут 45 °, і хвиля без втрат проходить через перехід з поглинаючою пластиною у вихідний прямокутний хвилевід, вузькі стінки якого виявляються паралельними вектору E. Для зменшення відбиттів кінці феритового стрижня і поглинаючих пластин мають скоси. Хвиля, що надходить на вхід 2, без ослаблення перетворюється в хвилю H 11 круглого хвилеводу. При поширенні на ділянці з феритовим стрижнем площину поляризації хвилі повертається за годинниковою стрілкою на 45 ° (напрямок повороту площини поляризації при ефекті Фарадея не залежить від напрямку поширення хвилі і визначається тільки напрямком поля подмагнічіваіія). На виході ділянки з феритом вектор E виявляється паралельним широким стінок прямокутного хвилеводу входу 1 і поглинаючою пластині. На вхід 1 хвиля не проходить, і вся переносима нею потужність розсіюється в поглинаючій пластині. Такий вентиль може розглядатися як окремий випадок фарадеевского циркулятора. [2, с 65-67]
Фазовращатель це пристрій, призначений для зміни фази електромагнітних коливань на виході щодо фази коливань на його вході. Фазообертачі поділяються на регульовані і нерегульовані.
Фазосдвігатель на основі обертового магнітного поля, що містить кільцеподібний ферит в циліндричному хвилеводі, согласователі, а також розташовану на зовнішній поверхні хвилеводу котушку збудження, причому кольцеообразний ферит розсічений по довжині на дільниці певних розмірів і між секціями залишені або повітряні прошарки, або встановлені металеві або діелектричні платівки певної форми.
Недоліком такого технічного рішення є те, що, вирішуючи певні завдання поширення хвиль мікрохвильового діапазону в хвилеводі, зокрема придушення вищих типів хвиль, а також узгодження феритової секції, воно ніяк не стосується поліпшення технологічності виготовлення фазовращателя, при якому виникають значні труднощі.
Найбільш близьким по технічній сутності і досягається результату є феритовий фазовращатель з поперечним магнітним полем, що містить феритовий вкладиш, встановлений в порожнині металевого хвилеводу, товщина стінки якого багато менше його радіуса, і магнітну систему, аналогічну статора асинхронного двигуна.
У цьому технічному рішенні виготовлення статора виробляють окремо з набору пластин, що вирубуються з листа електротехнічного заліза або пермаллоя, і обмоток, вкладених у цей набір, причому при складанні фазовращателя він повинен встановлюватися на хвилевід з феритом.
Для включення у тракт фазовращатель на обох кінцях повинен мати фланці, а також, як правило, і збільшення діаметра хвилеводу для розташування, наприклад, узгоджувачів, що вимагає використання в хвилеводі знімного фланця (хоча б одного) або використання сходинки, які припаюються до волноводу після складання статора з хвилеводом. За допомогою пайки фланця до волноводу домогтися необхідної якості шва неможливо без значного збільшення довжини хвилеводу і товщини його стінки, а це різко погіршує параметри феритового фазовращателя і, крім того, при сильному розігріванні неможливо зберегти діаметр каналу хвилеводу з необхідною точністю. Цю проблему вирішують виготовляючи хвилевід з двома фланцями і сходинками на кінцях цілком з однієї заготовки, в результаті чого на ньому відсутні шви і з'єднання і можна досить точно витримати всі розміри. Таким чином, при низьких витратах вдається забезпечити мінімальну довжину хвилеводу і мінімальну товщину його стінки, високу точність виконання внутрішнього і зовнішнього діаметрів, що гарантує отримання найкращих електричних параметрів.
При подачі струму в обмотку магнітної системи в хвилеводі з феритом утворюється поперечне магнітне поле і при певній його орієнтації щодо вектора електромагнітної хвилі відбувається зміна її фази, яке збільшується при збільшенні індукції керуючого поля. Найбільш ефективне зміна фази відбувається при створенні чотирьохполюсних магнітного поля [3, с.76-81], причому центральні лінії цього поля та лінії (або хоча б їх кінці), на яких розташовуються точки обертання вектора магнітного поля хвилі, повинні збігатися. Для зменшення споживання енергії управління елементи муздрамтеатру повинні виконуватися з матеріалів з найбільшою магнітною проникністю. Крім того магнітопровід статора виготовляється з простих деталей без застосування складних і дорогих вирубних штампів. У такому статорі різко спрощується укладання котушок, так як це робиться зовні у відкриті пази.
Фазообертачі використовують в різних пристроях надвисоких частот техніки, наприклад в системах з великою кількістю споживачів - для забезпечення необхідного розподілу початкових фаз надходять до них сигналів, в фідерах радіосистем - для вирівнювання електричних довжин фідерів, у фазованих антенних решітках і ін когерентних радіосистемах.
Частіше застосовується фазовращатель на основі лінії хвилеводу. Феритовий фазовращатель в прямокутному хвилеводі з подовжнім намагнічуванням. По осі хвилеводу розташований феритовий стрижень, круглого або прямокутного перерізу. Управляє магнітне поле спрямоване поздовжньо і створюється соленоїдом, намотаним зовні безпосередньо на хвилеводі. Зміною керуючого магнітного поля можна змінювати магнітну проникність фериту і відповідно швидкість розповсюдження і довжину хвилі високочастотних коливань усередині хвилеводу, а отже, і фазу поля за феритовим стрижнем. Перевагою такого фазовращателя є його простота і можливість регулювання фази в широких межах (0.360 0) при невеликому ослабленні потужності коливань (0,5.1,0 дБ).
Феритовий фазовращатель в прямокутному хвилеводі з поперечним полем подмагничивания. Феритова пластина прямокутного поперечного перерізу розміщується паралельно вузької стінці між нею і серединою хвилеводу (приблизно на відстані а / 4 від вузької стінки, де а - розмір широкої сторони хвилеводу). Полюса магніту N і S встановлюються по обидві сторони пластини. У такому фазовращателей для збільшення фазового зсуву та зменшення загальної довжини зазвичай використовуються дві ферритові пластини, що розташовуються по обидва боки від середньої площині хвилеводу і відповідно намагнічується.
Можливий коаксіальний варіант фазовращателя, в якому ферит заповнює частину простору між центральним проводом і екрануючим циліндром, а поперечне магнітне поле створюється магнітом, що встановлюються зовні відрізка коаксіальної лінії.
Окремим випадком фазовращателя є гиратора.
Гиратора - спрямований фазовращатель, в якому зміни фаз електромагнітних хвиль, що розповсюджуються в протилежних напрямках, відрізняються на 180 °. Принцип дії гиратора заснований на необоротних властивості намагніченого фериту, що викликають поворот площини поляризації, фазовий зсув і т.д.
Найпростіший гиратора являє собою відрізок круглого хвилеводу, у який поміщений намагнічений феритовий стрижень певних розмірів.
Висновки
Створення мікрохвильових пристроїв з бистроуправляемимі параметрами і систем з характеристиками, які відрізняються в різних напрямках розповсюдження мікрохвильового електромагнітного поля (невзаємних систем), неможливо без феррімагнітних діелектриків - феритів. З моменту появи феритів в кінці 40-х років не припиняється вдосконалення їх параметрів та синтез нових матеріалів, що відповідають вимогам мікрохвильових систем, в яких вони використовуються. Одним з найважливіших переваг фертом є можливість побудови за їх допомогою мікрохвильових пристроїв розрахованих на високі рівні потужності.
При створенні та розрахунку потужних мікрохвильових пристроїв необхідно враховувати пов'язані з процесами збудження хвиль магнітні втрати енергії в фериті на високих рівнях потужностей. Для визначення цих втрат використовують важливий параметр величину ширини спінових хвиль у фериті. Чим ця величина більше, тим ферит стійкіше до дії високих потужностей.
Список використаної літератури
1. А.Д. Григор'єв Електродинаміка і мікрохвильова техніка, 2-е видання. - СПб.: Лань, 2007.708 стор
2. Сазонов Д.М., Грідін А.М., Мішустін Б.А. Пристрої НВЧ - М: Вищ. школа, 1981 298 стор
3. А. Фокс, С. Міллер, М. Вейчс. Властивості феритів та їх застосування в діапазоні НВЧ. Москва, 1956