СВЧ ФЕРРИТОВЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ

Полезная модель относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), в частности к антенно-фидерным устройствам, и может найти применение в радиотехнических схемах СВЧ-диапазона, в частности в радиолокационных станциях с фазированной антенной решеткой (ФАР) широкого применения.
Известен сверхвысокочастотный фазовращатель (см. RU 2207666, МПК Н01Р 1/195, опубл. 27.06.2003), содержащий ферритовый стержень, установленный вдоль оси отрезка запредельного прямоугольного волновода и магнитную систему управления полем СВЧ-энергии. Две диэлектрические пластины с диэлектрической проницаемостью в пределах от 1,5 до 1,9 от диэлектрической проницаемости феррита расположены на поверхностях ферритового стержня, параллельных узким стенкам волновода, причем толщина пластин выбрана из определенного соотношения.
Недостатком известного сверхвысокочастотного фазовращателя является его завышенный поперечный габаритный размер за счет наличия прямоугольного волновода и размещенного на нем управляющей магнитной системы. Кроме того, металлический прямоугольный волновод экранирует ферритовый стержень от управляющей магнитной системы. Указанные недостатки ограничивают: сектор сканирования диаграммой направленности ФАР, быстродействие и энергосбережение фазовращателя.
Известен сверхвысокочастотный фазовращатель (см. RU 31873, МПК Н01Р 5/107, опубл. 27.08.2003), содержащий входной и выходной переходы, связывающие соответственно отрезки микрополосковых линий и отрезок прямоугольного волновода, вдоль оси которого установлен ферритовый стержень, на параллельных боковых поверхностях которого закреплены диэлектрические пластины с различной диэлектрической проницаемостью, входной и выходной волноводы выполнены в виде первого и второго отрезков прямоугольных волноводов, имеющих элементы настройки в виде оригинально выполненных и установленных штырей связи, настроечных винтов и диэлектрических вставок.
Недостатком известного сверхвысокочастотного фазовращателя является сложность его конструкции, обусловленная наличием элементов настройки в виде установленных штырей связи, настроечных винтов и диэлектрических вставок. Кроме того, известный СВЧ-ферритовый фазовращатель имеет недостаточно высокое быстродействие и завышенную потребляемую мощность.
2
Известен сверхвысокочастотный фазовращатель (см. RU 148916, МПК Н01Р 1/00, опубл. 20.12.2014), содержащий корпус в виде отрезка запредельного прямоугольного волновода, ферритовый сердечник, установленный вдоль оси корпуса, магнитную систему управления полем СВЧ энергии, две диэлектрические пластины, расположенные на поверхностях ферритового сердечника, параллельных узким стенкам корпуса. Корпус выполнен из диэлектрического материала с диэлектрической проницаемостью не более 3,5, на внешние поверхности которого нанесен слой металла с удельным сопротивлением (0,05÷0,15) Ом⋅мм/м и толщиной, в 2-3 раза превышающую толщину скин-слоя в слое металла на рабочей частоте фазовращателя.
Известный сверхвысокочастотный фазовращатель имеет значительный поперечный габаритный размер, а его металлический прямоугольный волновод экранирует ферритовый стержень от управляющей магнитной системы, что ограничивает сектор сканирования диаграммой направленности ФАР, негативно влияет на быстродействие и энергосбережение фазовращателя.
Известен прямоугольный ферритовый фазовращатель (см. патент US 6867664, МПК Н01Р 1/18, Н01Р 1/19, опубл. 15.03.2005), содержащий ферритонаполненный центральный участок с парой магнитных силовых линий смещения, расположенных на противоположных сторонах волновода, причем каждая линия смещения примыкает к одной из двух противоположных сторон. Каждая из линий магнитного смещения создает магнитное поле в заполненном ферритом среднем участке. Результирующее магнитное поле в половине центральной секции имеет ту же величину, но противоположно направленную магнитному полю в другой половине центральной секции. Это в идеальном случае приводит к нулевому магнитному полю в самом центре заполненного ферритом центрального участка. СВЧ-сигнал распространяется через волноводный фазовращатель в направлении, перпендикулярном линиям магнитного поля. Величина сдвига фаз зависит от величины магнитных полей. Эти магнитные поля управляются регулированием тока, протекающего по линиям смещения.
Недостатками известного сверхвысокочастотного фазовращателя является его значительный поперечный габаритный размер, недостаточный сектор сканирования диаграммой направленности ФАР, сниженное быстродействие и энергосбережение фазовращателя.
Известен ферритовый фазовращатель (см. патент US 8427254, МПК Н01Р 1/19, опубликован 23.04.2013), включающий отрезок прямоугольного волновода, прямоугольные ферриты в виде листов, широкими поверхностями прикрепленные к внутренним противолежащим стенкам прямоугольного волновода, и систему управления СВЧ полем. Обращенные друг к другу широкие поверхности ферритов покрыты диэлектрическими слоями, имеющими высокое тепловое сопротивление и малые потери СВЧ энергии, выполненные, например, из алюмооксидной керамики.
Такая конструкция фазовращателя позволяет снизить нагрев феррита при прохождении СВЧ сигнала большой мощности и, тем самым, обеспечить его высокую эффективность. Однако известный СВЧ-ферритовый фазовращатель имеет недостаточно высокое быстродействие и завышенную управляющую мощность.
Известен СВЧ-ферритовый фазовращатель, совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип (см. RU 113075, МПК Н01Р 1/18, опубл. 27.01.2011). СВЧ ферритовый фазовращатель включает входной и выходной согласователи, фарадеевскую секцию, представляющую собой линию передачи СВЧ сигнала в виде диэлектрического волновода на основе продольно подмагниченного ферритового стержня круглого сечения, катушку для продольного подмагничивания ферритового стержня, внешние магнитопроводы. На диэлектрическом волноводе размещены два частично металлизированных ферритовых сердечника, обеспечивающих замыкание магнитного потока между ферритовым стержнем и внешними магнитопроводами, причем стык металлизированных внутренней и торцевых поверхностей каждого сердечника выполнен с фаской, поверхность которой также металлизирована.
Известный СВЧ-ферритовый фазовращатель - прототип уже не отвечает современным требованиям по уровню потерь, коэффициенту стоячей волны по напряжению (КСВн) и энергии переключения.
Задачей настоящего технического решения является разработка СВЧ-ферритового фазовращателя, который бы имел уменьшенные потери, пониженную энергию переключения и уменьшенную величину КСВн.
Поставленная задача решается тем, что СВЧ ферритовый фазовращатель включает входной и выходной согласователи, фарадеевскую секцию, представляющую собой линию передачи СВЧ сигнала в виде диэлектрического волновода на основе продольно подмагниченного ферритового стержня круглого сечения и катушку для продольного подмагничивания ферритового стержня.
Новым является то, что часть СВЧ ферритового стержня, находящаяся под катушкой покрыта слоем диэлектрического материала толщиной не менее 50% от толщины поверхностной волны диэлектрического волновода (в 8 мм диапазоне ≈0,10-0,15 мм), с относительной диэлектрической проницаемостью  не более 3, а бескаркасная катушка для продольного подмагничивания ферритового стержня в поперечном сечении выполнена в виде восьмигранника с чередующими одинаковыми большими и одинаковыми меньшими гранями, при этом большие грани прилегают к слою диэлектрического материала, а меньшие грани отстоят от слоя диэлектрического материала на расстояние не менее его толщины.
-4
Слой диэлектрического материала может быть выполнен из фторопласта или из полиэтилена, или из полипропилена с  не более 3 и с тангенсом угла диэлектрических потерь tgΔε не более 2⋅10.
Применение диэлектрического материала с относительной проницаемостью не более 3 обусловлено тем, что при величине относительной проницаемости  более 3 резко возрастает толщина поверхностной волны диэлектрического волновода и, как следствие, КСВн и потери.
Увеличение толщины слоя диэлектрического материала ограничивается жестким требованием к поперечным размерам фазовращателя.
Меньшие грани восьмиугольника отстоят от слоя диэлектрического материала на расстояние не менее его толщины потому, что при расстоянии, меньшим толщины слоя диэлектрического материала возрастают потери фазовращателя.
Настоящее техническое решение поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 изображен в продольном разрезе СВЧ ферритовый фазовращатель;
на фиг. 2 приведен СВЧ-ферритовый фазовращатель в разрезе по А-А, показанном на фиг. 1;
на фиг. 3 в таблице 1 приведены сравнительные параметры образцов СВЧ-ферритового фазовращателя, изготовленных по полезной модели, и СВЧ-фазовращателя-прототипа.
СВЧ ферритовый фазовращатель (фиг. 1) содержит диэлектрический волновод в виде ферритового стержня 1 круглого сечения, слой 2 из диэлектрического материала толщиной (0,1-0,15) мм с относительной диэлектрической проницаемостью  не более 3, бескаркасную катушку 3 для продольного подмагничивания ферритового стержня 1. Слой 2 из диэлектрического материала покрывает часть ферритового стержня 1, расположенную под бескаркасной катушкой 3. Бескаркасная катушка 3 в поперечном сечении (фиг. 2) выполнена в виде восьмигранника с чередующими одинаковыми большими и одинаковыми меньшими гранями, при этом большие грани прилегают к слою 2 диэлектрического материала, а меньшие грани отстоят от слоя 2 диэлектрического материала на расстояние не менее его толщины. На концах ферритового стержня 1 установлены фланцы 4 для крепления экранирующего корпуса 6, а к торцам ферритового стержня 1 прикреплены согласующие элементы 5.
СВЧ-ферритовый фазовращатель работает следующим образом.
Подаваемый на вход СВЧ-ферритового фазовращателя сигнал круговой поляризации, через согласующие элементы 5 поступает в диэлектрический волновод (ферритовый стержень 1). В ферритовом стержне 1 распространяющаяся кругополяризованная электромагнитная (Э/М) волна приобретает необходимый фазовый сдвиг, который обеспечивается полем, создаваемым катушкой 3.
Введение в СВЧ-ферритовый фазовращатель цилиндрического слоя 2 из высокодобротного диэлектрического материала с относительной проницаемостью  не более 3 и выполнение поперечного сечения обмотки бескаркасной катушки в виде восьмигранника с чередующими одинаковыми большими и одинаковыми меньшими гранями, где большие грани прилегают к слою диэлектрического материала, а меньшие грани отстоят от слоя диэлектрического материала на расстояние не менее его толщины снижают, по сравнению с прототипом, возмущающее воздействие на процесс распространения электромагнитной волны в диэлектрическом волноводе, то есть снижая уровень паразитного излучения и тем самым уменьшая потери прибора. За счет уменьшения объема ферритового материала (устранение переключаемых частично металлизированных ферритовых сердечников и ферритовых магнитопроводов) обеспечивается уменьшение энергии и времени переключения фазовращателя, а также уменьшения его поперечных размеров.
Были изготовлены макетные образцы СВЧ-ферритового фазовращателя, работающие в 8-миллиметровом диапазоне длин волн. Основные технические характеристики макетных образцов СВЧ-ферритового фазовращателя в сравнении с параметрами фазовращателя-прототипа приведены в таблице 1 на фиг. 3. Из данных таблицы 1 следует, что СВЧ-фазовращатель, реализованный по настоящей полезной модели, имеет повышенное быстродействие и пониженную потребляемую мощность при меньших массогабаритных показателях.