ПОЛОСКОВЫЙ ЦИРКУЛЯТОР ФАЗОВОГО ТИПА

Полезная модель относится к радиотехнике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использована, например, в радиолокационных системах дециметрового диапазона длин волн с одной приемо-передающей антенной.
Широко используемые в современных радиолокационных станциях (РЛС) сантиметрового диапазона волноводные циркуляторы фазового типа (А.Л.Микаэлян «Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах», Государственное энергетическое издательство, Москва, 1963,) характеризуются целым рядом положительных свойств: широкополосность, малый уровень вносимых потерь, работоспособность при больших уровнях мощности, многофункциональность и др. Существенными недостатками известных конструкций фазового циркулятора, ограничивающим его применение в РЛС дециметрового диапазона, являются большие габариты (длина устройства составляет, примерно, десять длин волн) и, как следствие этого, - большой вес. Эти недостатки фазового циркулятора обусловлены, прежде всего, применением в его составе громоздких волноводных устройств: волноводно-щелевых мостов и двойных тройников.
Задачей, на решение которой направлена "полезная модель, является создание малогабаритного устройства дециметрового диапазона, обладающего полезными свойствами фазового циркулятора. Техническими результатами, достигаемыми при реализации полезной модели, в частности, являются упрощение конструкции, уменьшение габаритных размеров, снижение веса, повышение технологичности изготовления. Влияние на получение указанных технических результатов оказывают следующие существенные признаки. Сущность предлагаемой полезной модели заключается в реализации известной схемы фазового циркулятора в полосковом исполнении. При этом громоздкие волноводно-щелевые мостовые устройства заменены их аналогами, выполненными в полосковом
варианте, а невзаимный фазовращатель (обычно использующий волновод как необходимую структуру с круговой поляризацией СВЧ магнитного поля) выполнен с использованием полосковой структуры гребенчатого типа. Полосковый циркулятор фазового типа состоит из двух мостовых устройств и невзаимного фазовращателя, размещаемого между ними. Мостовые устройства в полосковом исполнении представляют собой либо 3-х дБ направленный ответвитель со связанными полосками четвертьволновой длины, либо 3-х дБ направленный ответвитель шлейфного типа, либо тройниковый разветвитель. Невзаимный фазовращатель выполнен на полосковой замедляющей структуре гребенчатого типа.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где показано: на фиг.1 - обобщенная структурная схема фазового циркулятора; на фиг.2 - примерная конструкция полоскового циркулятора фазового типа. На фиг.3 - схема формирования круговой поляризации СВЧ магнитного поля; на фиг.4 - поперечное сечение невзаимного фазовращателя с электромагнитной системой; на фиг.5 - схема другого возможного варианта полоскового циркулятора фазового типа.
Функционально полосковый циркулятор фазового типа, структурная схема которого приведена на фиг.1, состоит из двух мостовых устройств 1 и 2, двухканального невзаимного фазовращателя 3 с 90-градусным дифференциальным сдвигом фаз и двух 45-градусных взаимных фазовращателей 4. В качестве мостовых устройств могут быть использованы 3-х дБ направленные ответвители на связанных полосковых линиях или шлейфного типа, обеспечивающие на выходах фазность в 90 градусов, или двойные тройниковые разветвители с синфазными выходами. При указанных на фиг.1 сдвигах фаз в отдельных элементах полоскового циркулятора фазового типа обеспечивается циркуляция в направлении плеч 5-6-7-8-5.
Конструкция полоскового циркулятора фазового типа, соответствующая схеме, приведенной на фиг.1, представлена на фиг.2. В качестве 3-х дБ направленных ответвителей использованы ответвители 9 и 10
со связанными полосками четвертьволновой длины. Выходные плечи 11,12 и 13, 14 ответвителей соединены с коаксиальными разъемами 15, 16 и 17, 18, установленными на торцевых стенках корпуса 19. Выходные плечи 3-х дБ направленных ответвителей 20, 21 и 22, 23 соединены с полосковыми структурами 24 и 25, формирующими вдоль полосковых линий области с круговой поляризацией СВЧ магнитного поля. Взаимные 45-градусные фазовращатели реализованы за счет разности электрических длин выходных плеч 20, 21 и 22, 23.
1
2
1
2
1
2
1
Полосковые структуры 24 и 25 представляют собой замедляющую систему гребенчатого типа с длиной зуба, равной 1/8/λ где λ средняя длина волны. Известно, что круговая поляризация СВЧ магнитного поля формируется двумя составляющими тока, ориентируемыми в пространстве под углом друг к другу в 90° и сдвинутыми по фазе на 90 электрических градусов. Как показано на фиг.3, это условие выполняется, если ток I, протекающий вдоль проводника, у основания зуба делится пополам на две равные составляющие i и i. Составляющая i ориентирована вдоль основного проводника, а составляющая i - вдоль зуба, который перпендикулярен основному проводнику. Если фазу тока i принять равной нулю, то фаза тока i, приходящего после отражения от разомкнутого конца зуба в точку разветвления, будет отставать от фазы тока i на 90 градусов. При этих условиях суммарный вектор i, оставаясь постоянным по амплитуде, во времени будет совершать вращение по часовой стрелке с частотой, равной частоте СВЧ колебаний. Поскольку вокруг проводника с током формируется магнитное поле, то и оно будет поляризовано по кругу.
Круговая поляризация СВЧ магнитного поля необходима для реализации невзаимного фазовращателя, принцип действия которого основан на взаимодействии намагниченного феррита с- СВЧ магнитным полем Ферритовый вкладыш, выполненный в виде плоских пластин 26, размещен в четыре ряда на крышках 27 над областями круговой поляризации. Подмагничивание ферритовых пластин 26 осуществляется электромагнитной
системой, состоящей из двух магнитопроводов 28 с полюсными наконечника 29 и катушек 30, закрепленной на крышках 27. Направление подмагничивания ферритовых пластин показано стрелками.
Работу полоскового циркулятора фазового типа, т.е. прохождение подводимых к его плечам сигналов, можно проследить, используя схему, приведенную на фиг.1. Подобно волноводному циркулятору, полосковый циркулятор фазового типа в зависимости от конкретного назначения может иметь различные варианты конструктивного исполнения. Конструкция, приведенная на фиг.2, характеризуется минимальными габаритами, но работоспособна при сравнительно небольших уровнях мощности. Использование 3-х дБ направленных ответвителей шлейфного типа позволяет значительно улучшить мощностные характеристики, но при этом возрастают габариты.
На фиг.5 приведена конструкция трехплечного полоскового циркулятора фазового типа с использованием 3-х дБ направленного ответвителя шлейфного типа 31 в сочетании с тройниковым разветвителем 32. Нагрузка 33 функционально заменяет собой четвертое плечо полоскового циркулятора фазового типа, которое обычно нагружается на согласованную нагрузку.
Имея ввиду современные тенденции к миниатюризации радиоэлектронных средств, в том числе и РЛС, представляется целесообразным также выполнение циркулятора фазового типа в микрополосковом исполнении для замены маломощных микрополосковых Y-циркуляторов, используемых в приемо-передающих модулях в качестве антенных коммутаторов.