СВЧ ФЕРРИТОВЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ

Заявляемая полезная модель относится к антенно-фидерным устройствам и приборам техники СВЧ и может найти применение в радиотехнических схемах СВЧ диапазона и, в частности, в РЛС с ФАР широкого применения.
Известны СВЧ ферритовые фазовращатели, в которых осуществляется управление фазой СВЧ сигнала. Такие приборы перспективны при создании быстродействующих приемо-передающих ФАР РЛС, измерительной техники СВЧ диапазона, см., например,:
1. Б.Лакс и К.Батон. «Сверхвысокочастотные ферриты и ферримагнетики, изд. «Мир», Москва, 1965 г. стр.344.
2. Дж.Л.Альтман. «Устройства СВЧ», изд. «Мир», Москва, 1968 г., стр.107, 219, 441.
3. W.J.Ince and E.Stern, "Nonreciprocal Remanence Phase Shifters in Rectangular Waveguide". IEEE. Transactions on MMT, V.15, Feb. 1967, pp.87-95.
4. М.Сколник. «Справочник по радиолокации», т.2, Радиолокационные антенные устройства, изд. «Советское радио», Москва, 1977 г., стр.221-227.
5. В.Г.Курбаков, Е.М.Сидоров и др., Авторское свидетельство №784668.
Известен СВЧ ферритовый фазовращатель, описанный в авторском свидетельстве №784668, авторы В.Г.Курбаков, Е.М.Сидоров и др. Указанный прибор является наиболее близким к предлагаемой полезной модели и выбран в качестве прототипа. Прибор-прототип имеет в своем составе линию передачи СВЧ сигнала в виде прямоугольного волновода, симметрично расположенный вдоль оси волновода ферритовый вкладыш, полиэтиленовые пленки, расположенные в зазорах между поверхностями ферритового вкладыша и широкими стенками прямоугольного волновода, систему подмагничивания ферритового тороида в виде провода, симметрично расположенного вдоль продольной оси ферритового вкладыша, причем концы провода перпендикулярно расположены к оси волновода и выходят наружу через узкую стенку прямоугольного волновода.
Прибор-прототип работает следующим образом:
СВЧ сигнал поступает на вход прямоугольного волновода с симметрично расположенным вдоль оси волновода ферритовым вкладышем. В зависимости от величины тока, проходящего по проводу магнитной системы, происходит намагничивание ферритового вкладыша, изменяется электрическая длина волновода с вкладышем, что влечет изменение фазового сдвига. Полиэтиленовая пленка после ее тепловой обработки обеспечивает прочность крепления ферритового вкладыша в прямоугольном волноводе. При подаче в прибор СВЧ сигнала высокого уровня средней мощности происходит разогрев его элементов: прямоугольного волновода, ферритового вкладыша. В связи с разностью коэффициентов теплового расширения указанных элементов в них возникают термические упругие механические напряжения. Указанные механические напряжения в ферритовом вкладыше вызывают изменение в нем намагниченности и, как следствие, деградацию номиналов фазового сдвига, установленных током в проводе.
Таким образом, прибор прототип на сегодняшний день не обеспечивает требования к фазовращателям по уровню входной средней СВЧ мощности и интервалу рабочих температур из-за термических упругих напряжений, возникающих при воздействии высокого уровня мощности и температуры.
Целью заявленной полезной модели является увеличение уровня входной средней мощности и интервала рабочих температур за счет снижения термических упругих напряжений в ферритовом тороиде.
Задача решается путем выполнения ферритового тороида феррит - диэлектрического вкладыша составным из N равных частей, причем при величине допустимой фазовой ошибки не более ±22,5 на номиналы фазовых сдвигов число N должно быть не менее 9.
На фиг. изображен эскиз СВЧ ферритового фазовращателя.
СВЧ ферритовый фазовращатель содержит:
Линию передачи СВЧ сигнала в виде прямоугольного волновода 1. Феррит - диэлектрический вкладыш 2. Феррит - диэлектрический вкладыш 2 состоит из ферритового тороида 3, разделенного на N равных частей, надетых на диэлектрический стержень 4. Систему подмагничивания ферритового тороида в виде симметрично расположенного вдоль оси феррит - диэлектрического вкладыша провода 5, концы которого перпендикулярно расположены к оси волновода и выходят наружу через узкую стенку прямоугольного волновода. Для крепления феррит - диэлектрического вкладыша 2 в прямоугольном волноводе 1 в зазорах между ними введены полиэтиленовые пленки 6.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Подаваемый на вход прибора СВЧ сигнал поступает в прямоугольный волновод 1, в котором симметрично расположен феррит - диэлектрический вкладыш 2, состоящий из поперечно намагниченного ферритового тороида 3, надетого на диэлектрический стержень 4. При прохождении через провод 5 тока происходит поперечное намагничивание ферритовых торидов, изменяется их магнитная проницаемость и, как следствие, фазовый сдвиг фазовращателя.
Авторами было экспериментально установлено, что уровень деградации номиналов фазового сдвига снижается, если ферритовый тороид 3 разделить на № равных частей, не менее 9. Физическое объяснение полученного экспериментального результата заключается в резком (непропорциональном) снижении упругих напряжений в каждой части тороида и в снижении суммарного упругого напряжения в целом (составленном из N частей) тороиде 3. Действительно, отдельные части (отдельные тороиды) крепятся в прямоугольном волноводе 1 за счет использования полиэтиленовой пленки 6, которая совместно с диэлектрическим стержнем 4 обеспечивает фиксацию каждого отдельного тороида. Термическая деформация отдельного тороида из-за его уменьшенных размеров и при таком креплении не приводит к резкому увеличению термического упругого напряжения и, как следствие, к резкой деградации номиналов фазового сдвига. В этом (свободном вдоль оси волновода) состоянии пребывают все N тороидов, т.к. они не склеены между собой. Суммарная деградация номиналов фазового сдвига при одновременном воздействии средней СВЧ мощности и температуры в три и более раз меньше, чем у прибора прототипа.
Эксперименты показали, что оптимальное число частей (отдельных тороидов) д.б. не менее 9, т.к. при меньшем числе сохраняется высокий уровень деградации фазового сдвига (более 23,5°).
Для конкретной модели прибора, имеющего тип ФВФВ2-16 и децимальный номер конструкторской документации КЖГП.467711.020, было экспериментально определено число N, при котором обеспечивается допустимая (±22,5°) деградация номинала фазового сдвига в 360 град. при воздействии и мощности, и температуры одновременно. Для обеспечения гарантированной и высокой стабильности фазового сдвига в конструкторской документации на прибор ФВФВ2-16 число N выбрано равным 18.
Техническая, реализуемость полезной модели была подтверждена фактом изготовления и поставкой опытных и промышленных образцов прибора.
Основные технические характеристики опытных образцов прибора в сравнении с параметрами прибора-прототипа следующие:
Параметры образцов
Параметры прототипа
Центральная частота, ГГц
4,0
4,0
Полоса рабочих частот, %
7.5
7,5
Вносимые потери, дБ
1,1
1,1
Входная средняя мощность, Вт
250
200
Деградация фазового сдвига, град
7,5
23,5