СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ

2
Полезная модель относится к радиотехнике СВЧ, предназначена для управления величиной фазового сдвига электромагнитной волны в волноводных линиях передачи и может быть использовано, главным образом, при построении систем с электрическим сканированием луча. Известен «Сверхвысокочастотный фазовращатель» [RU 148916, опубл. 20.12.2014 г. МПК H01P 1/00], 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, отличающийся тем, что 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.
k
ф
k
ф
k
ф
k
ф
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является «Сверхвысокочастотный фазовращатель» [RU 2207666 C1, опубл. 27.06.2003 г., МПК H01P 1/195], содержащий ферритовый стержень, установленный вдоль оси отрезка запредельного прямоугольного волновода, магнитную систему управления полем СВЧ-энергии, а также 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 соотношения 0,4≤2t/t≤0,7 где t - толщина диэлектрических пластин; t - толщина ферритового стержня. Сверхвысокочастотный фазовращатель может быть выполнен так, что две диэлектрические пластины с диэлектрической проницаемостью в пределах от 1,0 до 1,6 от диэлектрической проницаемости феррита могут быть расположены на поверхностях ферритового стержня, параллельных широким стенкам волновода. Толщина пластин выбирается из соотношения 0,27≤2h/h≤0,5, где h - толщина диэлектрических пластин; h - высота ферритового стержня. Кроме того, сверхвысокочастотный фазовращатель может содержать n диэлектрических пластин, где n=1÷4, с диэлектрической проницаемостью в пределах от 0,5 до 1,0 от диэлектрической проницаемости феррита, и расположены на одной или двух широких стенках волновода.
Недостатками известных устройств является низкая стабильность фазового сдвига и неравномерность его на краях рабочей полосы частот в диапазоне температур от -50°C до +70°C, обусловленные технологическими разбросами параметров материалов сложного ферритодиэлектрического заполнения отрезка прямоугольного волновода сверхвысокочастотного фазовращателя.
Задачей предлагаемого сверхвысокочастотного фазовращателя является улучшение его технических характеристик в диапазоне рабочих частот и температур.
Технический результат предлагаемого сверхвысокочастотного фазовращателя состоит в повышении стабильности фазового сдвига и уменьшении неравномерности его характеристики на краях рабочей полосы частот в диапазоне температур от -50°C до +70°C.
Сущность предлагаемого сверхвысокочастотного фазовращателя состоит в том, что он содержит ферритовый стержень, расположенный вдоль оси отрезка прямоугольного волновода, магнитную систему управления СВЧ-энергией с ферритовыми магнитопроводами.
1
1
0
Новым в заявляемой полезной модели являются выбор размеров сторон прямоугольного волновода из условия, что a/b=1,18-1,22, при соотношении размеров сторон прямоугольного ферритового стержня с размерами сторон отрезка прямоугольного волновода a/a=1,86-1,93, b/b=1,49-1,55. Длину прямоугольного ферритового стержня, коэрцитивная сила которого, в (1,2-1,3) раза ниже коэрцитивной силы ферритовых магнитопроводов магнитной системы управления СВЧ полем, выбирают из условия (1,6-3,4)λ. При этом поверхности соприкосновения ферритовых стержня и магнитопроводов, образующих замкнутую магнитную цепь магнитной системы управления СВЧ энергией, выполняют полированными, где
0
где λ - длина волны в свободном пространстве;
a - размер широкой стенки прямоугольного волновода;
1
a - ширина ферритового стержня прямоугольного сечения;
b - размер узкой стенки прямоугольного волновода;
1
b - высота ферритового стержня прямоугольного сечения.
На фиг. 1 представлена конструкция сверхвысокочастотного фазовращателя.
На фиг. 2 представлена зависимость потерь сверхвысокочастотного фазовращателя от частоты, где
1
10
f - частота запредельности волны квази-H,
2
3
11
f и f - частоты, на которых резонирует волна квази-E,
4
01
f - частота, на которой начинается распространение волны квази-H,
в
н
Δf=f-f - рабочая полоса частот,
ср
α - средний уровень СВЧ потерь фазовращателя
Сверхвысокочастотный фазовращатель состоит из отрезка прямоугольного волновода 1, выполненного из материала (металла или полимерного композита с металлическим покрытием) с большим удельным сопротивлением. При этом размер широкой стенки отрезка прямоугольного волновода выполнен равным, например в Ка-диапазоне частот, 2,9 мм, а размер узкой стенки равен 2,4 мм, а их отношение соответственно будет равным 1,21. Ширина ферритового стержня, определяемая как 2,9/1,86 будет равной 1,56 мм. Высота ферритового стержня при этом будет равна 2,4/1,49=1,61 мм.
Вдоль центральной оси отрезка прямоугольного волновода 1 установлен прямоугольный ферритовый стержень 2, выполненный например, из материала, 1СЧ12, причем длина стержня будет равной 29,8 мм. Согласование сверхвысокочастотного фазовращателя осуществляется согласователями 3, выполненными, из немагнитных материалов, например, керамических СВЧ диэлектриков.
Ферритовые магнитопроводы 4 могут быть выполнены из феррита, например 1СЧ13, при этом коэрцитивная сила материала ферритового стержня марки 1СЧ12 ниже коэрцитивной силы материала ферритового магнитопровода 1СЧ13 в 1,27 раза. Магнитная система управления СВЧ-энергией содержит ферритовые магнитопроводы 4 и катушку 5 с обмотками управления и обнуления.
Помимо этого, конструкция сверхвысокочастотного фазовращателя (Фиг. 1) имеет по сравнению с прототипом преимущества при его создании, например в Ка-диапазоне частот, где заполнение отрезка прямоугольного волновода большим количеством деталей не представляется возможным из-за ничтожных размеров ферритового стержня и диэлектрических пластин.
Сверхвысокочастотный фазовращатель работает следующим образом. Импульсом тока определенной величины и длительности, который подается в обмотку обнуления магнитной системы управления СВЧ-энергией, сверхвысокочастотный фазовращатель выводится на предельный гистерезисный цикл. После окончания импульса обнуления сверхвысокочастотный фазовращатель переходит в состояние, соответствующее остаточной намагниченности на петле гистерезиса, при котором фаза СВЧ сигнала на выходе сверхвысокочастотного фазовращателя принимается за нулевой отсчет. Далее, подавая в обмотку управления магнитной системы управления СВЧ-энергией импульс тока противоположной полярности, происходит установка фазового сдвига в момент окончания импульса тока. Установившийся в сверхвысокочастотном фазовращателе фазовый сдвиг определяется длительностью импульса тока, поступающего в обмотку управления магнитной системы управления СВЧ-энергией. Благодаря наличию замкнутой магнитной цепи, состоящей из ферритовых стержня 2 и магнитопроводов 4, происходит запоминание установившегося после окончания импульса тока управления фазы, которое может сохраняться в сверхвысокочастотном фазовращателе сколь угодно долго. Причем, каждое последующее значение фазового сдвига устанавливается из состояния нулевого отсчета фазы после окончания импульса тока в обмотке обнуления
СВЧ сигнал, проходя через отрезок прямоугольного волновода, вдоль центральной оси, которого расположен продольно намагничиваемый ферритовый стержень прямоугольного сечения, взаимодействует с ним. В результате протекания импульсов тока в обмотке управления изменяется намагниченность ферритового стержня. Происходит изменение магнитной проницаемости феррита стержня и, как следствие, изменение фазовой скорости электромагнитной волны. Тем самым на выходе сверхвысокочастотного фазовращателя осуществляется приращение фазового сдвига электромагнитной волны по сравнению со входом.
В предлагаемом сверхвысокочастотном фазовращателе (фиг. 1) взаимодействие СВЧ сигнала на единицу длины ферритового стержня усиливается благодаря выбранным соотношениям между размерами отрезка прямоугольного волновода и ферритового стержня.
1
4
н
10
в
01
11
2
1
3
4
Длина ферритового сердечника выбирается так, что рабочая полоса частот Δf находится между f и f (фиг. 2), т.е. частотами обусловленными распространением волн Н-типа в заполнении отрезка прямоугольного волновода сверхвысокочастотного фазовращателя, представленном на фиг. 1. Причем для обеспечения максимального фазового сдвига сверхвысокочастотным фазовращателем необходимо, чтобы нижняя частота рабочего диапазона f находилась бы максимально близко к частоте запредельности волны квази-H, а верхняя частота рабочего диапазона f - к частоте, на которой начинается распространение волны квази-H. При этом частоты, на которых резонирует волна квази-E при изменении поля подмагничивания, своего местоположения на частотной оси не меняют и располагаются в следующих интервалах: f  f и f  f.
Кроме этого, увеличению фазового сдвига на выходе сверхвысокочастотного фазовращателя способствует использование для ферритовых магнитопроводов 4 материала с коэрцитивной силой выше в 1,27 раз коэрцитивной силы материала прямоугольного ферритового стержня 2, а также полировка поверхностей соприкосновения прямоугольного ферритового стержня и ферритовых магнитопроводов.
2
0
Например, сверхвысокочастотный фазовращатель, работающий в Ка-диапазоне частот и состоящий из отрезка прямоугольного волновода сечением 2,9 мм ×2,4 мм, выполненного из титана ОТ4-0 с удельным сопротивлением 1,71 Ом × мм/м, вдоль центральной оси которого установлен ферритовый стержень прямоугольного сечения 1,56 мм ×1,61 мм из материала 1СЧ12 длинной 29,8 мм и коэрцитивной силой 1,1 Э, причем ферритовые магнитопроводы выполнены из феррита 1СЧ13 с коэрцитивной силой 1,4 Э, имеет в диапазоне f±1,75% стабильный фазовый сдвиг более 450° с неравномерностью на краях полосы 5,0% в диапазоне температур от -50°C до +70°C (Таблица).
Таким образом, предлагаемая конструкция сверхвысокочастотного фазовращателя позволяет повысить стабильность фазового сдвига и уменьшить его неравномерность на краях рабочей полосы частот в диапазоне температур от -50°C до +70°C.