ФЕРРИТОВЫЙ СВЧ АТТЕНЮАТОР

Предлагаемое техническое решение относится к технике СВЧ и предназначено для использования в различных СВЧ трактах, а также в многоканальных системах регулирования СВЧ сигнала.
Известен прецизионный аттенюатор (Дж.Л.Альтман, Устройства сверхвысоких частот, пер. с англ., МИР, М., 1968 г., стр.215-216), который состоит из двух переходников с прямоугольного на круглый волновод, в каждом из которых находится поглощающая пластина, плоскость которой перпендикулярна электрическому вектору входного и выходного СВЧ сигнала. Между переходниками находится поворотная секция на круглом волноводе с поглощающей пластиной, проходящей через ось волновода. При повороте секции меняется ослабление СВЧ сигнала, а его фаза при этом практически (не более 3÷5°) не меняется, так как основа пластины представляет собой очень тонкий лист диэлектрика с небольшой
диэлектрической проницаемостью. Недостатками такого аттенюатора являются невозможность использования его в современных быстродействующих следящих системах с цифровым управлением из-за наличия механического привода, а также сложность конструкции с механическим приводом.
Наиболее близким по технической сущности является амплитудный модулятор (Б.Лакс и К.Баттон, Сверхвысокочастотные ферриты и ферримагнетики, пер. с англ., МИР, М., 1965 г., стр.475), который содержит два переходника с прямоугольного на круглый волновод, в каждом из которых находится поглощающая пластина, плоскость которой перпендикулярна электрическому вектору входного и выходного сигналов. Между ними расположена секция, содержащая круглый волновод и соосно расположенный в нем тонкий ферритовый стержень. На волноводе находится магнитная система с обмоткой, при подаче тока в которую в ферритовом стержне создается управляющее продольное магнитное поле. Вместо переходников в амплитудном модуляторе могут применяться поляризационные мосты, ко вторым входам которых должны быть подсоединены поглощающие нагрузки. При изменении тока в обмотке в соответствии с эффектом Фарадея плоскость поляризации сигнала на выходе ферритовой секции поворачивается и амплитуда сигнала на выходе аттенюатора будет меняться. Такой аттенюатор может успешно использоваться в быстродействующих системах регулирования. Недостатком его является значительное изменение фазы (до 50÷60°) проходящего через него СВЧ сигнала при регулировании его амплитуды, что в ряде применений, например, в многоканальных фазированных СВЧ системах, делает практически невозможным использование такого аттенюатора.
Технический результат предлагаемого решения заключается в значительном уменьшении изменения фазы СВЧ сигнала на выходе СВЧ аттенюатора при изменении его амплитуды.
Указанный результат достигается тем, что ферритовый СВЧ аттенюатор содержит входной и выходной поляризационные мосты и расположенную между ними волноводную секцию, которая состоит из круглого волновода с ферритовым вкладышем и магнитной системы с током. Ферритовый вкладыш выполнен в виде трубки или стержня, прилегающих к внутренней поверхности круглого волновода. Магнитная система с током установлена относительно вектора электрического поля входного СВЧ сигнала так, что прямая линия, проходящая через ось круглого волновода и противоположные узлы поперечного квадрупольного магнитного поля совпадает с этим вектором.
Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые совместно с известными признаками позволяют успешно реализовать поставленную цель.
На фиг.1 приведена конструкция ферритового СВЧ аттенюатора.
На фиг.2 приведено сечение по АА ферритового СВЧ аттенюатора.
На фиг.3 приведена картина векторов электрических полей входного и выходного сигналов.
Он состоит из входного поляризационного моста 1 с нагрузкой 2, ферритовой секции 3, выходного поляризационного моста 4 с нагрузкой 5. Ферритовая секция 3 состоит из круглого волновода 6 с ферритовым вкладышем 7 в виде трубки, прилегающей к внутренней поверхности волновода 6, и магнитной системы 8. Волновод 6 выполняется в виде тонкостенной латунной трубы, а магнитная система 8 по конструкции аналогична статору асинхронного двигателя.
Ферритовый СВЧ аттенюатор работает следующим образом. СВЧ сигнал с входа через поляризационный мост 1 поступает в круглый волновод 6 с ферритовым вкладышем 7. Пусть выходной поляризационный мост 4 ориентирован так, что входной и выходной сигналы имеют одинаковую
поляризацию; при отсутствии тока в магнитной системе 8 их можно записать так (без учета диссипативных потерь):
вх
вых
н
Е=Е sinωt; Е=Е sin(ωt-φ), где ω - угловая частота сигнала;
н
вх
х
у
φ - начальная фаза, равная сумме электрических длин каналов обоих поляризационных мостов 1 и 4 и волновода 6 с ферритовым вкладышем 7, в котором отсутствует поперечное квадрупольное магнитное поле. После подачи тока в обмотку магнитной системы 8 в ферритовом вкладыше 7 образуется поперечное квадрупольное магнитное поле Н (фиг.2), которое имеет четыре ветви и четыре узла a, b, c, d. В соответствии с принципом действия такого поля в круглом волноводе с ферритом (см. например, А.И.Мамонов, Ферритовая волноводная секция с квадрупольным магнитным полем и ее применение в управляемых СВЧ устройствах, Антенны, №2(93) 2005 г., стр.76-80) проекции вектора Е на оси Х и У Е и Е при прохождении ферритовой секции 3 приобретают управляемые фазовые сдвиги +δ и -δ и на ее выходе выглядят следующим образом:
вх
вых
После обратного проектирования векторов (1) и (2) на ось α, совпадающую с направлением как Е, так и Е (фиг.3), и суммирования этих проекций, получается:
вых
Из (3) следует, что при появлении тока и, соответственно, δ≠0 амплитуда Е уменьшается пропорционально cosδ и достигает нуля при δ=90°. При этом фаза СВЧ сигнала не зависит от δ и остается неизменной. Вторая часть сигнала, не прошедшая на выход аттенюатора, имеет ортогональную поляризацию и поглощается в нагрузке 5.
Таким образом, при изменении амплитуды на выходе ферритового СВЧ аттенюатора от максимальной до нуля фаза сигнала не изменяется. На практике затухание сигнала можно изменять от 0 до 32÷35 дБ; при этом наблюдается изменение фазы 3÷4° (сюда же входит погрешность измерений 1÷2°), что в 10 и более раз меньше, чем у прототипа. Также следует отметить, что в отличие от прототипа в предлагаемом техническом решении отсутствует гистерезис индукции в ферритовом вкладыше 7. В результате этого характеристика регулирования амплитуды является однозначной, что весьма важно, например, в системах автоматического регулирования.