Y-ЦИРКУЛЯТОР С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМ ВКЛАДЫШЕМ ИЗ МАГНИТНОГО МАТЕРИАЛА

Y-циркулятор с цилиндрическим вкладышем из магнитного материала
Полезная модель относится к области техники СВЧ для передачи сверхвысокочастотных сигналов, и может быть использована в качестве невзаимных элементов СВЧ в многокаскадных схемах СВЧ, требующих значительной развязки между отдельными каскадами, например, в радиолокационных станциях для направленной передачи высокочастотной энергии, от передающей системы к антенне и направленной передачи отраженной энергии в приемную систему.
Качество работы циркуляторов определяется параметрами "прямые потери" и "коэффициент отражения", которые необходимо уменьшить, чтобы уменьшить потери мощности передаваемого сигнала и улучшить коэффициент стоячей волны сверхвысокочастотного тракта. Кроме этого, желательно увеличить полосу рабочих частот.
Известен сверхвысокочастотный циркулятор, содержащий Т-образное сочленение в виде отрезка предельного волновода, в центре широкой стенки которого расположен отрезок коаксиальной линии, а ферритовый вкладыш имеет прямоугольную форму и прижат к узкой стенке отрезка предельного волновода [А.с. СССР №797496].
Недостаток известного устройства заключается в сложности конструкции и трудности создания устройства миллиметрового диапазона..
Известен сверхвысокочастотный циркулятор, содержащий Т-образное сочленение отрезков линий передач, постоянный магнит и ферритовый вкладыш [Гуревич, А.Г. Ферриты на сверхвысоких частотах / А.Г. Гуревич. - М.: Гос. изд. физ.-мат. литер. 1960. - 407 с].
Недостаток известного устройства заключается в сложности использования в многокаскадных СВЧ-схемах и невозможности соединения пассивных и активных нагрузок без использования переходных элементов.
Известен также сверхвысокочастотный циркулятор, содержащий Y-сочленение, в котором ферромагнитный, металлический и диэлектрический материалы выполнены в виде микрополосковых линий, причем толщина металлического слоя выбирается меньше, чем глубина скин-слоя. [WO 2006110744 (А2)].
Недостаток устройства заключается в необходимости использовать сложную тонкопленочную технологию для изготовления элементов.
Наиболее близким к заявляемому является Y-циркулятор, с корпусом в виде призмы с тремя входными плечами для соединения с прямоугольными волноводами, при этом внутри корпуса в центре расположена диэлектрическая вставка с цилиндрическим вкладышем из феррита марки 2СЧ1 [Сверхвысокочастотные приборы и элементы» Проспект ОАО «Завод Магнетон» стр. 31., модель ФВЦН2-120-4, Санкт-Петербург, март 2011.].
Характеристики циркулятора в значительной степени определяются свойствами магнитного материала из которого выполнен вкладыш. К недостаткам Y-циркулятора с вкладышем из феррита марки 2СЧ1 следует отнести недостаточно широкую полосу рабочих частот, значительные прямые потери и коэффициент отражения, недостаточную развязку между плечами при прохождении высокочастотной энергии
В основу полезной модели положена задача расширения функциональных возможностей Y-циркулятора с вкладышем из магнитного материала, путем улучшения сверхвысокочастотных характеристик вкладыша.
Поставленная задача решается тем, что в Y-циркуляторе с цилиндрическим вкладышем из магнитного материала, с корпусом в виде призмы с тремя входными плечами для соединения с прямоугольными волноводами, с диэлектрической вставкой внутри корпуса в центре которой расположен цилиндрический вкладыш из магнитного материала, согласно полезной модели в качестве магнитного материала используют нанокомпозит на основе опаловой матрицы, намагниченный в плоскости, параллельной оси симметрии циркулятора.
0,5
0,5
2
4
0,5
0,5
2
4
При этом в качестве магнитного нанокомпозита используют опаловую матрицу с диамером микросфер от 240 до 300 нм с магнитными частицами ферритов - CoZnFeO и NiZnFeO. Указанный размер микросфер ограничивает до 60 нм размер частиц ферритов, помещенных в межсферические промежутки.
Выполнение вкладыша из магнитного нанокомпозита на основе опаловой матрицы с частицами ферритов позволило за счет ограничения размера магнитных частиц до 60 нм улучшить сверхвысокочастотные характеристики вкладыша и обеспечить новый технический результат -достигнуть увеличения ширины полосы рабочих частот циркулятора, снижения прямых потерь и коэффициента отражения, увеличения развязки между плечами при прохождении высокочастотной энергии.
На фиг. 1 представлена схема Y-циркулятора с цилиндрическим вкладышем из магнитного нанокомпозита на основе опаловой матрицы
0,5
0,5
2
4
на фиг. 2 - образец вкладышей из магнитного нанокомпозита на основе опаловой матрицы с частицами CoZnFeO;
21
на фиг. 3 - Зависимость развязки (|R|)между плечами Y-циркулятора с вкладышем из магнитного нанокомпозита на основе опаловой матрицы от частоты;
12
на фиг. 4 - Зависимость прямых потерь (|R|) Y-циркулятора с вкладышем из магнитного нанокомпозита на основе опаловой матрицы от частоты;
11
на фиг. 5 - Зависимость коэффициента отражения (|R|) Y-циркулятора с вкладышем из магнитного нанокомпозита на основе опаловой матрицы, от частоты;
0,7
0,3
2
4
на фиг. 6 - Зависимость компонент тензора эффективной магнитной проницаемости нанокомпозита от постоянного магнитного поля f=16,4 ГГц; магнитные наночастицы CoZnFeO;
0,7
0,3
2
4
на фиг. 7 - Зависимость основных параметров Y-циркулятора с вкладышем из магнитного нанокомпозита (образец с магнитными наночастицами CoZnFeO;) от частоты.
0,5
0,5
2
4
0,5
0,5
2
4
Конструкция Y-циркулятора с цилиндрическим вкладышем из магнитного нанокомпозита на основе опаловой матрицы показана фиг. 1. Y-циркулятор имеет корпус 1 в виде призмы с тремя входными плечами 2, 3, 4 для соединения с прямоугольными волноводами 5, из которых поступает высокочастотная энергия для дальнейшего прохождения через Y-циркулятор. Внутри корпуса 1 располагается диэлектрическая вставка 6 предназначенная для согласования плеч 2, 3, 4 Y-циркулятора с внешними волноводами 5, упрощает его настройку, расширяя полосу пропускания, внутри корпуса 1. В диэлектрической вставке 6 расположен вкладыш 7, выполненный в виде цилиндра из магнитного нанокомпозита на основе опаловой матрицы, намагниченный в плоскости, параллельной оси симметрии циркулятора. В качестве магнитного нанокомпозита используют опаловую матрицу с размером микросфер от 240 до 300 нм с магнитными частицами ферритов - CoZnFeO и NiZnFeO. Указанный размер микросфер ограничивает до 60 нм размер частиц ферритов, помещенных в межсферические промежутки.
Работа Y-циркулятора осуществляется следующим образом. При поступлении электромагнитной энергии в плечо 2 Y-циркулятора электромагнитная волна падает на вкладыш 7, выполненный из магнитного нанокомпозита на основе опаловой матрицы, и возбуждает в нем две волны, бегущие по азимуту в противоположных направлениях. В результате их интерференции образуется стоячая волна. Вектор напряженности магнитного поля этих волн имеет поляризацию, близкую к круговой с противоположными направлениями вращения. Вследствие этого скорости этих волн оказываются различными и интерференционные узлы и пучности располагаются несимметрично относительно возбуждающего плеча 2. Размеры вкладыша 7, напряженность подмагничивающего поля выбираются таким образом, чтобы пучность стоячей волны установилась напротив плеча 3, а узел - напротив плеча 4. Тогда в плече 3 волна возбуждается полем вкладыша 7, а в плече 4 не возбуждается, что и приводит к желаемому результату. Высокочастотная энергия проходит из плеча 2 в плечо 3. Так как система симметричная, то колебания из плеча 3 будут передаваться только в плечо 4, а из плеча 4 - в плечо 2, т.е. будет реализована последовательность передачи 2-3-4-2. При изменении направления внешнего магнитного поля последовательность передачи также изменится на обратную: 2-4-3-2. Заявляемая полезная модель основана на результатах проведенных экспериментальных и теоретических исследований.
При экспериментальных исследованиях в Y-циркуляторе ФВЦН2-29 ферритовый цилиндрический вкладыш из магний-марганцевого феррита марки 2СЧ1 заменяли на вкладыши из магнитных нанокомпозитов (фиг. 1).
0,5
0,5
2
4
0,5
0,5
2
4
Вкладыши изготовлены на основе опаловой матрицы с магнитными частицами CoZnFeO и NiZnFeO. Наиболее удачными оказались четыре образца (фиг. 2)
12
ф
0,5
0,5
2
4
На фиг. 3 показаны зависимости развязок (элемент матрицы рассеяния |R|) между плечами Y-циркулятора с цилиндрическими вкладышами из магнитных нанокомпозитов (диаметр вкладыша D=6,4 мм, высота h=3,4 мм) от частоты. Частотные зависимости развязок приведены для образца нанокомпозита с наночастицами CoZnFeO. Для сравнения на фиг. 3 приведена кривая для вкладыша из феррита 2СЧ1, который используется в стандартном Y-циркуляторе ФВЦН2-29.
в
Y-циркулятор с вкладышем из магнитного нанокомпозита настраивался на рабочую частоту 16,4 ГГц при напряженности внешнего магнитного поля H=15003.
12
11
На фиг. 4 и фиг. 5 приведены зависимости прямых потерь (|R|) - элемент матрицы рассеяния) коэффициента отражения (|R|) Y-циркулятора с вкладышем из магнитного нанокомпозита от частоты. Для сравнения приведены кривые для вкладыша из феррита 2СЧ1.
Из графиков на фиг. 3-5 видно, что Y-циркулятор с вкладышем из магнитного нанокомпозита на основе опаловой матрицы имеет лучшие характеристики, чем с вкладышем из феррита 2СЧ1. А именно, Y-циркулятор с вкладышами из нанокомпозитов имеет более широкую полосу рабочих частот, меньшие прямые потери, лучшую развязку между плечами, меньший коэффициент отражения, а, следовательно, и коэффициент стоячей волны.
0,5
0,5
2
4
с
α
α
0
0
s
Σ
Наилучшие экспериментальные результаты получены для образца нанокомпозита с магнитными наночастицами кобальт-цинкового феррита CoZnFeO. Для этого образца проводили теоретические исследования при помощи проекционной модели [Никольский, В.В. Проекционные методы в электродинамике / В.В. Никольский // Сборник научно-методических статей по прикладной электродинамике. - М.: Высшая школа, 1977. - С. 4-23]. Настройка Y-циркулятора на частоту f=16,4 ГГц в математической модели осуществляется путем изменения значений компонент тензора магнитной проницаемости магнитного нанокомпозита µ и µ. Между компонентами тензора магнитной проницаемости µ и µ существует зависимость, которую, в принципе, можно получить, используя зависимость намагниченности от постоянного магнитного поля M=f(H) и выражения Полдера [Гуревич, А.Г. Ферриты на сверхвысоких частотах / А.Г. Гуревич. - М.: Гос. изд. физ. - мат. литер. 1960. - 407] для компонент тензора магнитной проницаемости. Однако для магнитных нанокомпозитов зависимость M=f(H) отсутствует, т.к. производство нанокомпозитов является экспериментальным. Зависимость диагональной µ и недиагональной  компонент тензора магнитной проницаемости нанокомпозита от напряженности постоянного магнитного поля получена теоретически фиг. 6 по методике, изложенной в [Голованов, А.А. Электродинамическая модель и методика расчета тензора эффективной магнитной проницаемости магнитных 3D-нанокомпозитов из опаловых матриц в микроволновом диапазоне / О.А. Голованов, Г.С. Макеева, А.А. Ефимов, М.А. Чиркина // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2012. - №2. - С. 17-22]. В расчете принято, что в каждом межсферическом объеме опаловой матрицы содержится 5 частиц феррита с диаметром d=29 нм, Частицы имеют среднюю намагниченность 4πM=7500 Гс, диэлектрическую проницаемость  и коэффициент затухания в магнитной системе α=0,04.
Σ
0
0,5
0,5
2
4
0
в
в
Настройка на частоту 16,4 ГГц происходит при µ/µ=0,95,  На фиг. 7 показаны теоретические и для сравнения экспериментальные результаты исследований Y-циркулятора с вкладышем из того же магнитного нанокомпозита (образец с частицами CoZnFeO) зависимости прямых потерь, развязки между плечами и коэффициента отражения от частоты. Настройка на частоту Y-циркулятора что соответствует напряженности постоянного поля фиг. 5 H=800 Э. Используя выражения Полдера [Гуревич, А.Г. Ферриты на сверхвысоких частотах / А.Г. Гуревич. - М: Гос. изд. физ. - мат. литер. 1960. - 407 с] для компонент тензора магнитной проницаемости определяем намагниченность 4πM=1970 Гс. Внешнее постоянное магнитное поле составляет H=1600 Э, что согласуется с экспериментом (H=1500-1650 Э).
Из графиков на фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, фиг. 7 видно, что Y-циркулятор с вкладышем из магнитных нанокомпозитов на основе опаловых матриц имеет лучшие характеристики, чем Y-циркулятор с вкладышем из феррита 2СЧ1. А именно, Y-циркулятор с вкладышем из магнитных нанокомпозитов на основе опаловых матриц имеет более широкую полосу рабочих частот, меньшие прямые потери, лучшую развязку между плечами, меньший коэффициент отражения, а, следовательно, и коэффициент стоячей волны, что обеспечивает лучшие сверхвысокочастотные характеристики.