ВОЛНОВОДНЫЙ ЦИРКУЛЯТОР ФАЗОВОГО ТИПА

Полезная модель относится к радиотехнике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использована в радиолокационных станциях (РЛС) в качестве развязывающего устройства, антенного коммутатора и переключателей режимов работы «антенна-эквивалент».
Широко используемые в радиотехнических системах и, особенно, в РЛС ферритовые волноводные циркуляторы фазового типа (А.Л.Микаэлян «Теория применения ферритов на сверхвысоких частотах», стр.561-579, Гос. Энергетическое изд. М.; Л. 1963 г.) характеризуются целым рядом положительных свойств: широкополосность, малый уровень вносимых потерь, работоспособность при больших уровнях СВЧ мощности, многофункциональность и др. Существенными недостатками, ограничивающими их применение в РЛС дециметрового диапазона, являются: большие габариты и, как следствие этого, значительный вес.
Конструктивно, фазовый циркулятор состоит из трех основных узлов: двух мостовых устройств и расположенного между ними двухканального невзаимного фазовращателя. В качестве мостовых устройств обычно используются волноводные щелевые мосты (3-децибельные направленные ответвители) со связью через щели в общей узкой стенке, а также двойные волноводные тройники (Т-мосты) в различном сочетании. Двухканальный невзаимный фазовращатель представляет собой систему, состоящую из двух волноводов с общей узкой стенкой.
Основные характеристики современных фазовых циркуляторов: диапазон длин волн, широкополосность, уровень допустимой мощности, а также масса и габариты определяются в основном свойствами и размерами мостовых устройств. Применение громоздких Н-плоскостных щелевых мостов и двойных Т-мостов, которые к тому же сравнительно узкополосны и требуют настройки, ограничивает применение фазовых циркуляторов на
длинах волн свыше двадцати сантиметров, поскольку длина таких циркуляторов составляет порядка десяти длин волн.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание циркулятора, который можно использовать в РЛС дециметрового диапазона. Техническими результатами, достигаемыми при реализации полезной модели, в частности, являются упрощение конструкции, уменьшение габаритных размеров, снижение веса, повышение технологичности изготовления, улучшение эксплуатационных и электрических характеристик. Влияние на получение указанных технических результатов оказывают следующие существенные признаки.
Сущность предполагаемой полезной модели заключается в конструировании волноводного циркулятора фазового типа с использованием альтернативных мостовых устройств, например, 3-х дБ направленного ответвителя шлейфного типа, двойного волноводного и двойного волноводно-коаксиального тройника с расположением выходных плеч в Е-плоскости волновода, которые обладают компактностью конструкции, широкополосностью и не требуют регулировки. Это позволит оптимизировать масса-габаритные и электрические характеристики волноводных циркуляторов фазового типа и расширить область их основного применения - в РЛС дециметрового диапазона.
На фиг.1 и 2 приведена в двух проекциях неразъемная конструкция волноводного циркулятора фазового типа с использованием двух 3-дБ направленных отвтетвителей шлейфного типа и ферритовой секции, содержащий взаимный и невзаимный фазовращатели.
На фиг.3 и 4 представлена конструкция волноводного циркулятора фазового типа с использованием двойного волноводно-коаксиального тройника в сочетании с 3-дБ направленным ответвителем шлейфного типа и невзаимного фазовращателя на волноводе половинной высоты.
На фиг.5 и 6. представлена конструкция волноводного циркулятора фазового типа с использованием двух волноводных (волноводно-
коаксиальных) мостов и невзаимного фазовращателя на волноводе половинной высоты с встроенной магнитной системой.
Конструктивно, волноводный циркулятор фазового типа с двумя 3-дБ ответвителями шлейфного типа (фиг.1 и 2) выполнен в виде двух параллельных отрезков стандартного волновода 1 и 2. По концам волноводы соединены между собой вставками 3, в которых имеются волноводные каналы-шлейфы 4 примерно четвертьволновой длины. Сечение волноводов-шлейфов 4 и их число выбираются из условия получения 3-дБ связи (деление мощности пополам) в требуемой рабочей полосы частот. При этом рабочая полоса 3-х дБ направленного ответвителя шлейфного типа, оцениваемая по коэффициенту стоячей волны по напряжению входа и коэффициенту деления мощности, с увеличением числа шлейфов увеличивается, поскольку пропорционально уменьшается высота волновода-шлейфа.
Невзаимные фазовращатели 5 и 6 с дифференциальным 90-градусным сдвигом фаз выполнен в виде набора ферритовых пластин 7, размещаемых в волноводных каналах в области круговой поляризации СВЧ магнитного поля. Ферритовые пластины 7 подмагничиваются магнитной системой, состоящей из четырех магнитов 8. Магнитная система может быть выполнена с использованием постоянных магнитов или в электромагнитном варианте. Для работы волноводного циркулятора фазового типа на высоком уровне СВЧ мощности необходимо принудительное охлаждение ферритовых пластин 7, которое может быть осуществлено циркуляцией жидкости (воды) по каналам в стенках волновода.
Взаимный 90-градусный фазовращатель, необходимый в случае использования однотипных мостовых устройств, может быть выполнен в виде набора диэлектрических пластин 9, размещаемых в одном из волноводных каналов невзаимного фазовращателя. При размещении диэлектрических пластин 9 в верхнем волноводе и подмагничивании ферритовых пластин 7 в направлениях, указанных на фиг.2, направление циркуляции соответствует нумерации плеч 10-11-12-13-10. При изменении
направления подмагничивания на обратное изменяется и направление циркуляции 10-13-12-11-10.
В волноводном циркуляторе фазового типа с разнотипными мостами (фиг.3 и 4) использованы двойной волноводно-коаксиальный тройник 14, выходные каналы 15 которого образованы делением входного волновода пополам в Е-плоскости, а коаксиальный выход 16 согласован с выходными каналами 15 посредством полоскового трансформатора сопротивления 17 в общей широкой стенке выходных каналов 15. В качестве второго мостового устройства использован 3-х дБ направленный ответвитель шлейфного типа 18. По сравнению с предыдущей конструкцией он выполнен на волноводе половинной высоты, что существенно увеличивает его широкополосность и улучшает другие электрические параметры: коэффициент стоячей волны по напряжению, деление мощности и направленность.
Благодаря уменьшению вдвое высоты выходных каналов 15 невзаимный фазовращатель 19 может быть выполнен с меньшим количеством ферритовых пластин 7, которые могут размещаться только на одной широкой стенке волноводного канала. Очевидно, что при этом упрощается конструкция и уменьшаются габариты магнитной системы 20. Согласование невзаимного фазовращателя 19 обеспечено уменьшение ширины волноводных каналов (фиг.4). Уменьшение вдвое высоты волноводных каналов ответвителя 18, помимо очевидного уменьшения масса-габаритных характеристик, позволяет улучшить его электрические характеристики.
На фиг.5 и 6 приведена конструкция волноводного циркулятора фазового типа с использованием в качестве мостовых устройств двух двойных Е-тройников 21. Дополнительное боковое плечо 22 получено присоединением к коаксиальному выходу 16 (фиг.6) волноводно-коаксиального перехода, образованного индуктивной петлей 23, введенной в волновод со стороны его торца и замкнутой на широкой стенке. Как и в предыдущем варианте, невзаимный фазовращатель 19 выполнен на
волноводе половинной высоты. Для уменьшения масса-габаритных характеристик волноводного циркулятора фазового типа, определенных в том числе и магнитной системой 20, полюсные наконечники 24 введены внутрь волновода, а ферритовые пластины 7 размещены непосредственно на полюсных наконечниках 24.
Взаимный 90-градусный сдвиг, как и в первом варианте, может быть выполнен в виде набора диэлектрических пластин 9, размещаемого в одном из каналов невзаимного фазовращателя.
Общим признаком рассмотренных вариантов конструкции волноводного циркулятора фазового типа является размещение параллельных волноводных каналов в Е-плоскости волновода (один над другим), в отличие от известной конструкции, где волноводные каналы располагаются в Н-плоскости, то есть имеют общую узкую стенку.
Отсутствие регулировочных элементов у мостовых устройств позволяет исключить из конструкции волноводного циркулятора фазового типа промежуточные фланцевые соединения, что также способствует уменьшению габаритов устройства.
Практическое использование того или иного варианта конструкции волноводного циркулятора фазового типа зависит от конкретных условий: диапазона частот, рабочей полосы частот, уровня СВЧ мощности. Предлагаемые конструкции волноводных циркуляторов фазового типа имеют, по крайней мере, в два раза меньшую длину(то есть не более 5 длин волн) и ширину, не на много превышающую ширину волновода соответствующего диапазона.
Максимальный выигрыш в масса-габаритных характеристиках дает конструкция волноводного циркулятора фазового типа с двумя волноводно-коаксиальными тройниками (длина около 2 длин волн). Максимальную широкополосность (более 30%) обеспечивает конструкция с разнотипными мостовыми устройствами. Что касается допустимого уровня СВЧ мощности, то он, как известно определяется в основном сечением волновода. Однако
использование в предлагаемых конструкциях волноводного циркулятора фазового типа волновода половинной высоты представляется целесообразным, так как требуемые уровни СВЧ мощности в дециметровом диапазоне, как правило, далеки от предельно допустимых, а выигрыш в масса-габаритных характеристиках неоспорим.
Эффективность применения предлагаемых вариантов волноводных циркуляторов фазового типа подтверждена разработкой и применением циркуляторов 4ЦВФ, 15ЦВФ и 35ЦВФ для РЛС, работающих в диапазонах длин волн 4, 15 и 35 см соответственно.