ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ СВЧ СИГНАЛА

Предлагаемая полезная модель относится к технике СВЧ и может быть использована в различных радиотехнических системах, например, в волноводных трактах приемников и передатчиков РЛС.
Известен переключатель СВЧ сигнала (О.И. Фальковский, Техническая электродинамика, М., «Связь», 1978 г., стр. 407). Он состоит из двух поляризационных мостов и включенной между ними ферритовой секции, содержащей круглый волновод с соосно расположенным в нем ферритовым стержнем, и магнитную систему с током, создающую в феррите продольное управляющее магнитное поле. При одном направлении тока и его определенном значении плоскость поляризации СВЧ сигнала в круглом волноводе с ферритом поворачивается по часовой стрелке на угол +45° и СВЧ сигнал с первого входа проходит на второй выход. После переключения направления тока плоскость поляризации поворачивается на угол -45° и СВЧ сигнал проходит на четвертый выход, т.е. происходит переключение СВЧ сигнала.
Такой переключатель СВЧ сигнала имеет следующие недостатки:
а) значительные потери, вследствие нескольких причин:
- весь СВЧ сигнал идет в одном волноводе с ферритом;
- ферритовый стержень расположен на оси круглого волновода, где находится максимум электрического вектора СВЧ поля;
- наличие диэлектрических шайб, поддерживающих стержень;
б) невозможность обеспечения эффективного съема тепла с ферритового стержня при повышенной мощности СВЧ сигнала, что приводит к перегреву феррита и ухудшению параметров переключателя СВЧ сигнала.
Указанные недостатки не позволяют использовать такой переключатель во многих радиотехнических системах.
Известен переключатель СВЧ сигнала (А.И. Мамонов, А.В. Воронежцев, Система переключения СВЧ сигнала высокого уровня мощности, «Антенны», выпуск 9 (136), 2008 г., стр. 102-105). Он состоит из входного двойного свернутого Т-моста, двух одинаковых фазовращателей и выходного щелевого моста. Каждый фазовращатель содержит круглый волновод, вкладыш из СВЧ феррита в виде трубки, прилегающей к внутренней поверхности волновода, магнитопровод с обмоткой, уложенной в пазах магнитопровода. Обмотки фазовращателей соединяются так, чтобы протекающий в них ток создавал в волноводах с ферритами квадрупольные магнитные поля с противоположными направлениями. Величина тока должна быть такова, чтобы при одном его направлении разность фаз СВЧ сигналов на выходах фазовращателей была равна +90°; СВЧ сигнал в этом случае проходит с входа на первый выход. При обратном направлении тока разность фаз СВЧ сигналов на выходах фазовращателей составляет -90°, а СВЧ сигнал с входа проходит на второй выход.
Такой переключатель СВЧ сигнала имеет существенно меньшие потери вследствие следующих причин:
а) ферритовые трубки расположены вплотную к стенкам круглых волноводов, где величина электрического вектора СВЧ поля минимальна;
б) в каждом канале переключателя идет только половина входного СВЧ сигнала;
в) в волноводах отсутствуют какие-либо детали, поддерживающие феррит. Плотное прилегание ферритовых вкладышей к стенкам круглых волноводов
позволяет производить эффективный съем тепла с них, что делает возможным использование известного СВЧ переключателя при повышенной мощности СВЧ сигнала без ухудшения электрических параметров.
Однако он имеет существенные недостатки.
Первым недостатком известного переключателя СВЧ сигнала является образование в нем при высокой средней мощности входного сигнала (1кВт и более) значительной тепловой энергии за счет диссипативных потерь в круглых волноводах с ферритовыми вкладышами, в результате чего, на поверхности фазовращателей наблюдается температура 110…120°C и более. Температура ферритового вкладыша при этом будет еще выше, что приближает феррит к температуре, называемой точкой Кюри, при которой исчезает намагниченность феррита. Поэтому при повышенной температуре феррита (140…150)°С намагниченность его существенно уменьшается и, соответственно, уменьшается разность фаз СВЧ сигналов на выходах переключателя (Теория и применение ферритов на СВЧ, Госэнергоиздат, М., Л., 1963 г., стр. 18). Это приводит к величине разности фаз менее 90°, что увеличивает потери сигнала в канале передачи и уменьшает развязку между входом и развязанными выходами переключателя.
Вторым недостатком известного переключателя СВЧ сигнала является невозможность увеличения развязки между его входом и выходами до величины 28…30 дБ, которая особенно необходима при одновременном использовании его в качестве циркулятора. Это вызвано высоким КСВ по входам фазовращателей, достигающим 1,5…1,6. Качество согласования на стыке круглого волновода с ферритовым вкладышем зависит от диаметра круглого волновода, толщины стенки ферритового вкладыша, величины намагниченности и диэлектрической проницаемости феррита. Однако эти же факторы определяют и другие основные характеристики переключателя СВЧ сигнала: уровень потерь, подавление высших типов волн, величину мощности управляющего сигнала. Необходимость выполнения требований к этим параметрам приводит к значительной разнице волновых сопротивлений круглого волновода с ферритовым вкладышем и прямоугольного волновода, результатом чего является значительная величина КСВ по входам фазовращателей.
Таким образом, недостатком известного переключателя является значительный уровень потерь и недостаточная развязка между его входом и выходами при повышенной мощности СВЧ сигнала.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в уменьшении потерь и увеличении развязки между входом и выходами переключателя СВЧ сигнала.
Сущность полезной модели состоит в том, что переключатель СВЧ сигнала содержит двойной свернутый Т-мост, две волноводные развилки, магнитопровод с обмоткой, уложенной в его пазах, щелевой мост и два фазовращателя. Каждый фазовращатель выполнен из круглого волновода, ферритового вкладыша, прилегающего к внутренней поверхности круглого волновода.
Новым в предлагаемой полезной модели является введение на входе и выходе каждого фазовращателя по две фторопластовые втулки с заглушенными с внешних сторон отверстиями, в которые вставлен керамический стержень. Кроме того, внутри каждого ферритового вкладыша вплотную к нему установлена фторопластовая трубка.
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 представлена конструкция переключателя СВЧ сигнала.
Предлагаемый переключатель СВЧ сигнала содержит двойной свернутый Т-мост 1, две волноводных развилки 2 и 3, щелевой мост 4 и два фазовращателя 5 и 6, каждый из которых содержит круглый волновод 7, ферритовый вкладыш 8, магнитопровод с обмоткой 9, четыре фторопластовых втулки с заглушенными с внешних сторон отверстиями 10, 11, 12 и 13, два керамических стержня 14 и 15, фторопластовую трубку 16.
Переключатель СВЧ сигнала работает следующим образом.
СВЧ сигнал с входа после прохождения двойного Т-моста 1 делится на две равные части, которые через входную развилку 2 поступают на входы обоих фазовращателей 5 и 6 с одинаковыми амплитудами и фазами. При одном направлении тока в обмотках магнитопровода 9, создающего разность фаз СВЧ сигналов на выходах фазовращателей 5 и 6 равную +90°, сигнал с входа проходит на выход 1; при обратном направлении тока СВЧ сигнал проходит на выход 2. Фторопластовые втулки 10, 11, 12 и 13 с установленными в них керамическими стержнями 14 и 15 образуют четвертьволновые трансформаторы, которые обеспечивают хорошее согласование каждого из фазовращателей 5 и 6. Большая разница диэлектрической проницаемости фторопласта (2,2) и керамики (15-16) позволяет достичь требуемого значения эквивалентной диэлектрической проницаемости каждого четвертьволнового трансформатора в целом и обеспечить на входе каждого фазовращателя 5, 6 низкий уровень КСВ (<1,25). Это позволяет получить высокую развязку -30 дБ и более входа от выходов 2 и 3 при прохождении СВЧ сигнала на выход 1 и от выходов 1 и 3 при прохождении СВЧ сигнала на выход 2; по сравнению с прототипом развязка увеличивается на 8…10 дБ. Кроме того, при таком согласовании каждого фазовращателя потери на отражение уменьшаются в 4…5 раз.
Установка внутри ферритового вкладыша 8 фторопластовой трубки 16 увеличивает в нем плотность магнитной составляющей поля СВЧ сигнала вследствие эффекта втягивания фторопластом СВЧ электромагнитного поля в феррит; при этом увеличивается сдвиг фазы СВЧ сигнала каждым фазовращателем 5 и 6 и, соответственно, разность фаз сигналов на их выходах. Так как абсолютная величина разности фаз в обоих состояниях переключателя СВЧ сигнала должна оставаться равной 90°, то толщину стенки ферритового вкладыша 8 нужно уменьшить. Уменьшение объема феррита приводит к уменьшению, как магнитных потерь, так и диэлектрических потерь каждого фазовращателя 5 и 6 за счет замены части феррита диэлектриком, имеющим tgδ меньше чем у феррита в 2…3 раза.
В целом потери предлагаемого переключателя СВЧ сигнала на 40…50% меньше, чем у прототипа и составляют 0,3…0,35 дБ, что позволяет успешно применять его, например, в волноводных трактах, как приемника, так и передатчика РЛС с выходной средней мощностью 1 кВт и более без принудительного охлаждения.