МИКРОПОЛОСКОВЫЙ ФЕРРИТОВЫЙ ВЕНТИЛЬ СВЧ
MICROSTRIP FERRITE UHF ISOLATOR

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к развязывающим ферритовым устройствам - микрополосковым ферритовым вентилям СВЧ и может быть использовано как развязывающее устройство в различных системах радиоэлектронной аппаратуры.
Известен СВЧ-циркулятор (вентиль), содержащий металлизированную ферритовую плату с размещенным на лицевой стороне тонкопленочным проводящим диском, соединенным с тремя симметрично расположенными проводящими микрополосковыми линиями передачи, и, по меньшей мере, один постоянный магнит, выполненный цилиндрическим и закрепленный первым торцом на поверхности проводящего диска, а на втором его торце закреплен держатель, выполненный в виде плоского диска с тремя подсоединенными к нему симметрично расположенными между проводящими микрополосковыми линиями передачи стойками, причем диаметр постоянного магнита соизмерим с диаметром плоского диска держателя, а высота - с высотой стойки.
В котором, целью повышения прочности при сохранении электрических характеристик в условиях воздействия механических динамических нагрузок, основание каждой стойки соединено внахлест с лицевой стороной ферритовой платы, причем центры каждого нахлесточного соединения расположены симметрично на диаметре, отношение которого к высоте постоянного магнита близко к единице, а суммарная площадь этих соединений превышает удвоенную площадь соединения постоянного магнита с проводящим диском, при этом держатель и стойки выполнены из немагнитного материала [Патент 2012106 РФ. СВЧ-циркулятор /Василевский В.А. и др./ /Бюл. - 1994 г./].
Известен СВЧ-вентиль, содержащий поперечно намагниченную металлизированную ферритовую подложку, на которой нанесено n-плечее разветвление отрезков микрополосковой линии передачи, и соединенную с одним из плеч согласованную нагрузку.
В котором, с целью увеличения вентильного соотношения расширения рабочей полосы частот и эксплуатационных возможностей, согласованная нагрузка выполнена в виде отрезка копланарной лини передачи, центральный проводник которого образован резистивным слоем и короткозамкнут на одном конце, а другим концом присоединен к торцу первого отрезка микрополосковой линии передачи, длина l которого выбрана l>/8, а ширина превышает ширину других отрезков микрополосковой линии передачи и расстояние между экранными проводниками отрезка копланарной линии передачи, образующими емкостной зазор с торцем первого отрезка микрополосковой линии передачи [Патент №1838849 SU. СВЧ-вентиль /Малорацкий Л.Г./ /Бюл. - 1993 г. - №32/].
Однако как первый аналог, так и второй по характеристикам и прежде всего массогабаритным не вполне отвечают современным требованиям различных систем радиоэлектронной аппаратуры.
Более того, второй аналог отличается ростом прямых потерь с ростом его рабочей частоты из-за наличия большого количества микрополосковых линий передачи,
Известен микрополосковый ферритовый вентиль, содержащий ферритовую подложку с металлическим слоем на обратной стороне, разветвлением первого, второго и третьего полосков и поглощающим слоем на лицевой стороне и магнитную систему для намагничивания ферритовой подложки, при этом первый и второй полоски, служащие соответственно входом и выходом вентиля, выведены на границы ферритовой подложки для соединения с внешними устройствами, третий полосок, являющийся распределительной нагрузкой, выполнен в виде прямого либо изогнутого свернутого проводника, а поглощающий слой расположен снизу или сверху третьего полоска.
В котором с целью увеличения развязки вентиля, третий полосок имеет участок с плавно изменяющейся шириной [ПМ №6276 РФ Микрополосковый ферритовый вентиль /Оснос В.М./ /Бюл. - 1998 г./].
Однако данный микрополосковый вентиль отличается:
- большими прямыми потерями для своего рабочего диапазона частот,
- узким рабочим диапазоном частот,
- большими массогабаритными характеристиками.
Технический результат изобретения - расширение рабочего диапазона частот, снижение прямых потерь при сохранении обратных потерь (затухания), уменьшение массогабаритных характеристик.
Технический результат достигается заявленным микрополосковым ферритовым вентилем СВЧ, содержащим ферритовую подложку с металлическим слоем на обратной стороне, на ее лицевой стороне расположены три микрополосковые линии передачи - первая, вторая, третья, симметрично расположенные между собой, нагрузка из поглощающего материала, по меньшей мере, один согласующий элемент, при этом одни концы первой, второй, третьей микрополосковых линий передачи имеют разветвления, которые соединены между собой в виде диска - диска разветвления заданного диаметра, другие их концы - выведены по краю ферритовой подложки, другие концы первой и второй микрополосковых линий передачи являются входом и выходом вентиля СВЧ соответственно, другой конец третьей микрополосковой линии передачи соединен с нагрузкой из поглощающего материала с обеспечением функции распределенной нагрузки, магнитную систему для намагничивания ферритовой подложки.
В котором
третья микрополосковая линия передачи выполнена в виде четырех ступеней - первая, вторая, третья, четвертая, при этом, первая, вторая и третья ступени выполнены прямоугольной формы, первая длиной - (2,07÷2,1) мм, шириной (0,18÷0,19) мм, вторая - длиной (0,27÷0,28) мм, шириной (0,16÷0,17) мм, третья - длиной (0,33÷0,34) мм, шириной (0,14÷0,15) мм, четвертая - в виде правильного конуса, длиной (0,98÷1,0) мм, шириной основания (0,14÷0,15) мм, последовательно расположенные по их длине симметрично относительно центральной оси диска разветвления и соединенные между собой,
согласующий элемент выполнен прямоугольной формы, длиной (0,19÷0,20) мм, шириной (0,12÷0,13) мм, вдоль первой ступени, начиная от ее стыка со второй ступенью,
диск разветвления выполнен диаметром (1,29÷1,30) мм,
нагрузка из поглощающего материала выполнена в виде сектора с углом (89÷90)°, радиусом (1,28÷1,30) мм и расположена вершиной сектора на расстоянии (3,10÷3,12) мм от центра диска разветвления под третьей и четвертой ступенями третьей микрополосковой линии передачи,
магнитная система представляет собой подложку из технического железа, полностью покрытую слоем никеля толщиной (4,0÷12,0) мкм, соразмерную ферритовой подложке, и магнит четвертой группы намагниченности, диаметром, соразмерным диаметру диска разветвления, высотой не менее 1,5 мм, при этом ферритовая подложка расположена обратной стороной на подложке из технического железа, магнит - на диске разветвления и соединены между собой соответственно.
Раскрытие сущности изобретения.
Совокупность существенных признаков заявленного микрополоскового ферритового вентиля СВЧ обеспечивает, а именно.
1) Выполнение третьей микрополосковой линии передачи в виде четырех ступеней - первая, вторая, третья, четвертая.
При этом,
первая, вторая и третья ступени выполнены прямоугольной формы, первая длиной - (2,07÷2,1) мм, шириной (0,18÷0,19) мм, вторая - длиной (0,27÷0,28) мм, шириной (0,16÷0,17) мм, третья - длиной (0,33÷0,34) мм, шириной (0,14÷0,15) мм,
четвертая - в виде правильного конуса, длиной (0,98÷1,0) мм, шириной основания (0,14÷0,15) мм, которые (упомянутые четыре ступени) последовательно расположены по их длине симметрично относительно центральной оси диска разветвления и соединенные между собой.
2) Выполнение согласующего элемента прямоугольной формы, длиной (0,19÷0,20) мм, шириной (0,12÷0,13) мм, вдоль первой ступени, начиная от ее стыка со второй ступенью.
3) Выполнение нагрузки из поглощающего материала в виде сектора с углом (89÷90)°, радиусом (1,28÷1,30) мм, и которая расположена вершиной сектора на расстоянии (3,10÷3,12) мм от центра диска разветвления под третьей и четвертой ступенями третьей микрополосковой линии передачи.
Это обеспечивает плавное согласование третьей микрополосковой линии передачи с нагрузкой из поглощающего материала и, как следствие, - расширение рабочего диапазона частот, снижение прямых потерь при сохранении уровня обратных потерь не менее 22 дБ.
Выполнение диска разветвления диаметром (1,29÷1,30) мм в совокупности когда
магнитная система представляет собой подложку из технического железа, полностью покрытую слоем никеля толщиной (4,0÷12,0) мкм, соразмерную ферритовой подложке, и магнит четвертой группы намагниченности, диаметром, соразмерным диаметру диска разветвления, высотой не менее 1,5 мм, при этом ферритовая подложка расположена обратной стороной на подложке из технического железа, магнит - на диске разветвления и соединены между собой соответственно.
Это обеспечивает:
во-первых, снижение прямых потерь, при сохранении обратных потерь (затухания),
во-вторых, уменьшения массогабаритных характеристик магнитной системы и, как следствие - уменьшение массогабаритных характеристик микрополоскового ферритового вентиля.
Итак, заявленный микрополосковый ферритовый вентиль СВЧ в полной мере обеспечивает указанный технический результат - расширение рабочего диапазона частот, снижение прямых потерь при сохранении обратных потерь (затухания), уменьшение массогабаритных характеристик.
Выполнение:
а) первой, второй и третьей ступени третьей микрополосковой линии передачи прямоугольной формы, при этом
первой - длиной (менее 2,07 и более 2,1) мм, шириной (менее 0,18 и более 0,19) мм,
второй - длиной (менее 0,27 и более 0,28) мм, шириной (менее 0,16 и более 0,17) мм,
третьей - длиной (менее 0,33 и более 0,34) мм, шириной (менее 0,14 и более 0,15) мм
равно как
б) четвертой ступени - в виде правильного конуса, длиной (менее 0,98 и более 1,0) мм, шириной основания (менее 0,14 и более 0,15) мм,
равно как
в) согласующего элемента прямоугольной формы, длиной (менее 0,19 и более 0,20) мм, шириной (менее 0,12 и более 0,13) мм,
равно как
г) диска разветвления диаметром (менее 1,29 мм и более 1,30) мм,
равно как
д) нагрузки из поглощающего материала в виде сектора с углом (менее 89 и более 90)°, радиусом (менее 1,28 и более 1,30) мм,
равно как
е) слоя никеля толщиной (менее 4,0 и более 12,0) мкм, магнита менее четвертой группы намагниченности и высотой менее 1,5 мм, не соразмерно ферритовой подложке и диску разветвления соответственно.
Не желательно поскольку
а) указанные в формуле изобретения конструкционные параметры каждый и в их совокупности оптимизированы и
б) их нарушение приведет к нарушению достижения указанного технического результата.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 (а, б, в) дан общий вид сверху (фиг. 1а), вид сбоку (фиг. 1б), разрез третьей микрополосковой линии (фиг. 1в) заявленного микрополоскового ферритового вентиля СВЧ и где:
- ферритовая подложка - 1 с металлическим слоем - 2 на обратной стороне,
на ее лицевой стороне расположены:
- три микрополосковые линии передачи - 3, 4, 5 - первая, вторая, третья соответственно, при этом третья - выполнена из четырех ступеней 5 (а, б, в, г соответственно).
- нагрузка из поглощающего материала - 6,
- согласующий элемент - 7,
- диск разветвления - 8,
- магнитная система - 9 (подложка из технического железа - 9а), слой никеля - 9б, магнит - 9в).
На фиг. 2 даны зависимости прямых (кривая 1) и обратных (кривая 2) потерь микрополоскового ферритового вентиля СВЧ от рабочей частоты.
Примеры конкретного исполнения заявленного микрополоскового ферритового вентиля СВЧ.
Пример 1.
На обратной стороне ферритовой подложки 1, размером 8,5×5×0,25 мм формируют металлический слой 2 из меди (Cu) (бКО.028.007 ТУ), толщиной 6 мкм с подслоем хрома (Cr), толщиной 1 мкм (ЭРХ-1 ТУ 14-22-50-91), методом магнетронного напыления УВН-71М-АЛ.
На лицевой стороне ферритовой подложки 1 формируют три микрополосковые линии передачи - первая 3, вторая 4, третья 5, симметрично расположенные между собой.
При этом:
третья микрополосковая линия передачи 5 выполнена в виде четырех ступеней - первая 5а, вторая 5б, третья 5в, четвертая 5г,
при этом
первая 5а, вторая 5б и третья 5в ступени выполнены прямоугольной формы,
первая 5а длиной - 2,085 мм, шириной 0,185 мм,
вторая 5б - длиной 0,275 мм, шириной 0,165 мм,
третья 5в - длиной 0,335 мм, шириной 0,145 мм,
четвертая 5г в виде правильного конуса, длиной 0,99 мм, шириной основания 0,145 мм, при этом первая 5а, вторая 5б, третья 5в, четвертая 5г ступени последовательно расположены по их длине, симметрично относительно центральной оси диска разветвления 8 и соединены между собой.
Нагрузка из поглощающего материала 6 выполнена в виде сектора с углом 89,5°, радиусом 1,29 мм, на расстоянии 3,11 мм от центра диска разветвления 8 и расположена под третьей ступенью 5в третьей микрополосковой линии передачи 5,
Согласующий элемент 7 (один) выполнен прямоугольной формы длиной 0,199 мм, шириной 0,127 мм, вдоль первой ступени, начиная от ее стыка со второй ступенью,
При этом
- одни концы первой 3, второй 4, третьей 5 микрополосковых линий передачи имеют разветвления в две противоположные стороны, которые соединены между собой в виде диска разветвления 8 диаметром 1,295 мм,
- другие их концы - выведены по краю ферритовой подложки 1,
- другие концы первой 3 и второй 4 микрополосковых линий передачи являются входом и выходом вентиля СВЧ соответственно,
- другой конец третьей микрополосковой линии передачи 5 соединен с нагрузкой из поглощающего материала 6, с обеспечением функции распределенной нагрузки.
Магнитная система 9 представляет собой подложку 9а из технического желез БТ-ПН ГОСТ 19904-90, размером 8,5×5×0,25 мм (соразмерную ферритовой подложке 1), полностью покрытую гальваническим методом слоем никеля 9б, толщиной 8 мкм, и магнит 9в четвертой группы намагниченности, диаметром 1,295 (соразмерным диаметру диска разветвления 8), высотой 1,5 мм, при этом ферритовая подложка 1 расположена обратной стороной на подложке из технического железа 9а, магнит 9в - на диске разветвления 8 и соединены между собой соответственно.
При этом формирование элементов конструкции микрополоскового ферритового вентиля СВЧ, а именно ферритовой подложки 1 с металлическим слоем 2 на обратной стороне, трех микрополосковых линии передачи 3, 4, 5 первая, вторая, третья соответственно, нагрузки из поглащающего материала 6, согласующего элемента 7, диска разветвления 8 на лицевой стороне, осуществляют посредством технологических операций и соответственно технологических режимов технологического процесса тонкопленочной технологии с использованием соответствующих технологических материалов.
Примеры 2-5.
Аналогично примеру 1 выполнены образцы микрополоскового ферритового вентиля СВЧ, но при других конструкционных пределах, как указанных в формуле изобретения (примеры 2-3), так и за ее пределами (примеры 4-5).
Пример 6 соответствует прототипу
На изготовленных образцах микрополоскового ферритового вентиля СВЧ были измерены (определены):
- рабочая полоса частот (ГГц),
- прямые потери, дБ
- обратные потери (затухание), дБ (Стенд, включающий векторный анализатор цепей Agilent N5227A и коаксиально-микрополосковое подключающее устройство Anritsu 3680 V);
- массогабаритные характеристики.
Данные сведены в таблицу.
Как видно из таблицы образцы микрополоскового ферритового вентиля СВЧ, выполненные согласно заявленной формуле изобретения (примеры 1-3) имеют:
- рабочая полоса частот - 32-37 ГГц,
- прямые потери - не более 0,5 дБ,
- обратные потери (затухание) - не менее 20 дБ,
- массогабаритные характеристики:
-3
габаритные размеры - (8×5×2,3) мм, масса, примерно 0,25×10 кг.
В отличие от образцов, выполненных за ее пределами (примеры 4-5) и образца прототипа (пример 6), которые имеют:
- рабочую полосу частот - (35-37 и 32-34) ГГц соответственно,
- прямые потери, примерно 1,5 дБ,
- обратные потери (затухание), примерно (16-17) дБ,
- массогабаритные характеристики:
-3
-3
габаритные размеры (8×5×1,8) мм, масса 0,23×10 кг (пример 4), габаритны размеры (8×5×3) мм, масса 0,28×10 кг (пример 5).
Таким образом, заявленный микрополосковый ферритовый вентиль СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит:
расширение рабочей полосы частот - до 5 ГГц,
снижение прямых потерь - до 0,5 дБ, при сохранении обратных потерь (затухание) - не менее 22,5 дБ,
уменьшение массогабаритных характеристик - до (8×5×2,3) мм.