Невзаимные ферритовые устройства СВЧ для модулей фазированных антенных решеток

УДК 621.372

М.М. Дамаев, А.А. Димитрюк, М.М. Твердохлебов НЕВЗАИМНЫЕ ФЕРРИТОВЫЕ УСТРОЙСТВА СВЧ ДЛЯ МОДУЛЕЙ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

Проведен анализ отечественных и зарубежных научно-технических публикаций по расчету, конструированию и производству невзаимных ферритовых устройств для приемо-передающих модулей активных фазированных антенных решеток, проанализированы проблемы, возникающие при создании на основе этих базовых элементов интегрированных ферритовых устройств, сочетающих в себе качества нескольких устройств обработки СВЧ сигнала.

Многофункциональные ферритовые устройства, циркуляторы, краевые волны, микрополосковые линии на ферритовой подложке, расчетные модели

M.M. Damaev, A.A. Dimitryuk, M.M. Tverdokhlebov NONRECIPROCAL FERRITE MICROWAVE DEVICES FOR PHASED ARRAYS MODULES

The article presents the analysis of the Russian and foreign scientific publications devoted to computation, design and manufacturing technology of nonreciprocal ferrite devices intended for application in receiving-transmitting modules of arrays is carried out. Problems, which appear in design of integrated ferrite devices, and combine properties of several microwave signal-processing devices, are analyzed. The possibility for the development of a complex approach to designing and manufacturing of nonreciprocal ferrite devices with improved radio-engineering characteristics is shown. The main directions for further research are formulated

Multifunctional ferrite devices, circulators, edge-guided waves, microstrip lines on ferrite substrate, calculation models

Особенности ферромагнетизма в диапазоне СВЧ открыли возможность создания целого ряда устройств, обеспечивающих ту или иную функцию управления параметрами СВЧ-сигнала. Фундаментальные монографии [1-3] обобщают мировой опыт исследования волноводных и коаксиальных устройств такого типа и определили в свое время направления развития ферритовой техники СВЧ.

В ходе развития авиационной и космической техники возникла необходимость миниатюризации бортовых радиотехнических комплексов различного назначения и, в первую очередь, элементов СВЧ тракта, в основном и определяющего массогабаритные характеристики аппаратуры. В связи с этим наметилась тенденция создания комплексированных (интегрированных) устройств, обеспечивающих одновременно несколько функций обработки СВЧ-сигнала при тех же или уменьшенных массогабаритных параметрах и тех же или улучшенных радиотехнических характеристиках.

Простейшими современными миниатюрными многофункциональными устройствами (МФФУ) являются устройства, представляющие собой сочетание (микросборку) миниатюрных развязывающих ферритовых узлов (МФРУ) с базовыми элементами (БЭ) или минимальными автономны-

ми блоками (МАБ), на которые может быть разбита СВЧ схема при использовании метода декомпозиции, развитого В.В. Никольским [4].

Результаты разработки наиболее интересных многофункциональных ферритовых устройств описаны в [5-7]. Представлены в основном результаты экспериментальных исследований различных типов МФФУ (вентили-фильтры, вентили-аттенюаторы, вентили-ограничители), содержатся сведения о новых вариантах конструкций собственно невзаимных узлов с улучшенными характеристиками, а также формулируются некоторые практические рекомендации по их конструированию. Показано, что ферритовое устройство может обеспечить эффективную развязку прямой и обратной волн в сантиметровом диапазоне в полосе частот порядка 100%. Многими авторами отмечается, что при использовании комбинированных подложек из разных марок ферритов и при неоднородном подмагни-чивании отношение обратных и прямых потерь можно существенно увеличить.

Для создания новых вариантов конструкций и улучшения радиотехнических характеристик существующих многофункциональных ферритовых устройств на основе сочетания миниатюрных ферритовых развязывающих узлов с базовыми элементами СВЧ тракта необходимо использовать единый обобщенный подход к проектированию таких устройств, базирующийся на результатах электродинамических и конструкторско-технологических исследований всех элементов СВЧ тракта, в первую очередь ферритовых.

Наиболее распространенным и универсальным по применению невзаимным ферритовым устройством является Y-циркулятор. Несмотря на конструктивную простоту и технологичность в изготовлении, он описывается достаточно сложной электродинамической моделью. Модель, предложенная Н. Bosma [8], была дополнена и уточнена в ряде работ F.J. Rozenbaum, T. Nagao и др. [9] и явилась базовой для последующих исследований, уточнявших эту модель.

Более точно решающая проблемы согласования дискового резонатора и подключаемых к нему плеч модель была предложена М.В. Вамберским и совершенствовалась сотрудниками созданного им в МВТУ им. Н.Э. Баумана научного коллектива. Известны работы и других российских авторских коллективов, внесших свой вклад в разработку методики расчета, компьютерного проектирования и создание новых вариантов конструкции Y-циркуляторов с улучшенными радиотехническими характеристиками [6]. Приведенные в них результаты были обобщены и систематизированы в обзоре [10].

Следующим шагом в развитии микрополосковой ферритовой техники явилось создание широкополосных циркуляторов с резонаторами треугольной, четырехугольной и шестиугольной формы, а также циркуляторов на сосредоточенных элементах, способных работать на более низких частотах, чем традиционные дисковые.

Дальнейшее развитие теории и техники дисковых циркуляторов пошло по пути создания осенесимметричных трех- и многоплечных устройств с разными волновыми сопротивлениями подключаемых к резонатору линий. В отечественной литературе такие устройства получили закрепившееся название невзаимных устройств на ферритовых резонаторах [11]. Именно они представляются наиболее перспективными для создания многофункциональных ферритовых устройств обработки и управления сигналом.

К узлам такого типа прежде всего относятся циркуляторы-трансформаторы сопротивлений (Ц-Т), которые представляют собой трехплечевые сочленения микрополосковой линии (МПЛ) с дисковым резонатором, заполненным ферритом и подмагниченным перпендикулярно его плоскости.

В [11] рассмотрены особенности расчета таких устройств, а также описан подход к созданию методики расчета на ЭВМ их комплексных входных сопротивлений. Показано, что для расчета циркуляторных сопротивлений с точностью 3...4 % необходимо учитывать большое число (не менее 31) членов рядов, входящих в выражения для мнимых частей сопротивлений.

Там же проведена оценка интервалов трансформации сопротивлений, получены приближенные расчетные соотношения, даны рекомендации по построению алгоритма расчета, а также изложена сама методика компьютерного анализа циркулятора-трансформатора активных сопротивлений, обобщены и результаты работ, посвященных анализу невзаимных 4-плечных делителей-сумматоров мощности.

Однако приведенные в этой монографии расчетные соотношения позволяют проводить анализ МФФУ такого типа лишь в малых пределах изменения коэффициента гиротропии, отсутствуют достаточно простые аналитические соотношения, позволяющие, во-первых, анализировать радиотехнические характеристики устройств на основе многоплечного сочленения МПЛ с ферритовым резонатором в широком интервале частот и конструктивных параметров и, во-вторых, проводить анализ их технологической точности.

Такой анализ необходим, т.к. даже простые ферритовые устройства, выполняющие одну функцию обработки СВЧ-сигнала, характеризуются высокой чувствительностью их выходных характеристик к производственным погрешностям [13].

Следовательно, для разработки многофункциональных устройств на основе многоплечного сочленения также необходимо использовать общую методику их проектирования, позволяющую разрабатывать устройства этого типа с требуемыми высокими радиотехническими и конструкторско-технологическими характеристиками.

Очень интересным и перспективным классом МФФУ являются узлы, работающие на основе эффекта смещения поля и явления невзаимной предельности в миниатюрных линиях передачи, заполненных ферритом, или, как их еще называют, узлы на основе краевых волн.

В зарубежной и отечественной литературе широко представлены описания различных циркуляторов и вентилей на основе краевых волн [5, 6, 14-16], однако в большинстве публикаций лишь схематически описаны конструкции и приведены результаты экспериментальных исследований макетных образцов невзаимных устройств на краевых волнах. Для создания МФФУ на краевых волнах используются особенности распространения электромагнитных волн в микрополосковых линиях передачи на поперечно намагниченной ферритовой подложке, обеспечивающие эффекты смещения поля в одиночной линии и невзаимной связи в связанных МПЛ. Невзаимное распределение электромагнитного поля для прямой и обратной волн, а также эффекты смещения поля и невзаимной предельности в миниатюрных линиях передачи с закороченным по боковой стенке токонесущим проводником дают возможность, во-первых, существенно увеличить боковую связь между двумя миниатюрными линиями передачи, во-вторых, обеспечить ее регулирование путем изменения внешнего постоянного подмагничива-ющего поля, и, в-третьих, обеспечить сильное различие связи (невзаимность) для противоположных направлений распространения СВЧ-колебаний. Многофункциональные устройства на основе невзаимно связанных линий передачи были предложены и исследованы в [5, 6, 17, 18].

Другой путь реализации многофункциональных устройств на основе краевых волн заключается в применении микрополосковой линии с широким токонесущим проводником, выполненной на перпендикулярно намагниченной в противоположных направлениях относительно оси симметрии токонесущего проводника ферритовой подложке [6, 19].

Теоретические исследования линий передачи с поперечно намагниченным ферритом дают в основном хорошие качественные результаты, адекватно отражающие суть физических процессов распространения электромагнитных волн в таких линиях. Имеются и публикации, в которых описаны расчетные модели, позволяющие получить и достаточно точные количественные результаты расчета основных электродинамических характеристик линий передачи с краевыми волнами [20, 21].

Тем не менее необходимо отметить, что всесторонние исследования радиотехнических характеристик, выявление предельно достижимых параметров, анализ технологической точности МФФУ на краевых волнах в строгой постановке задачи до настоящего времени проведены не достаточно полно.

Одна из причин отсутствия этих исследований обусловлена отсутствием простого и физически наглядного метода решения волнового уравнения для векторов электромагнитного поля в гиромагнитных средах с учетом возможности вариации полей в линии по всем трем координатам ортогональной системы координат, поэтому обычно применяются приближенные электродинамические модели, основанные на допущении отсутствия вариации поля по одной или двум координатам. На основе этих моделей уже можно как проводить анализ основных радиотехнических характеристик МФФУ на краевых волнах, так и оценить влияние на эти характеристики конструкторско-технологических погрешностей производства. Для этого необходимо оценить область применяемости таких моделей, сравнив их с более общими и строгими. Такой подход позволяет разрабатывать МФФУ на основе многоплечных ферритовых резонаторов и линий с краевыми волнами с требуемыми высокими радиотехническими характеристиками и обеспечить повторяемость этих характеристик с высоким процентом выхода годных изделий при их серийном производстве.

Более строгие электродинамические модели могут быть получены с помощью метода векторных электродинамических потенциалов, позволяющего провести классификацию и анализ всех классов и типов волн, которые могут существовать в линии передачи с гиротропным заполнением [22-24].

Таким образом, накопленный опыт исследования ферритовых СВЧ устройств различного назначения позволяет создавать миниатюрные многофункциональные ферритовые узлы, предназначенные для использования в приемопередающих модулях фазированных антенных решеток.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гуревич А.Г. Ферриты на сверхвысоких частотах / А.Г. Гуревич. М.: Физматгиз, 1960.

470 с.

2. Микаэлян А.Л. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах / А.Л. Микаэлян. М. - Л.: ГЭИ, 1963. 644 с.

3. Лакс Б. Сверхвысокочастотные ферриты и ферримагнетики / Б. Лакс, К. Баттон; пер. с англ. М.: Мир, 1965. 676 с.

4. Никольский В.В. Декомпозиционный подход к задачам электродинамики / В.В. Никольский, Т.И. Никольская. М.: Наука, 1983. 304 с.

5. Многофункциональные миниатюрные ферритовые узлы / Е.С. Краснов, И.Ю. Бакаленко, М.Н. Богданов, А.А. Димитрюк, А.В. Филиппов // Функциональная электроника. М.: НИИЭИР, 1989. С. 49-54.

6. Бакаленко И.Ю. Миниатюрные ферритовые узлы на основе связанных линий передачи / И.Ю. Бакаленко, А.А. Димитрюк, Е.С. Краснов // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТПО. 1988. № 1. С. 24-28.

7. Ищенко А.Н. Интегральные ферритовые устройства СВЧ / А.Н. Ищенко, Н.Д. Урсуляк // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1997. № 11. С. 56-73.

8. Bosma H. On stripline Y-circulation at UHF / H. Bosma // IEEE Trans. On MTT. 1964. Vol. 12. № 1. P. 61-72.

9. Сакала О. Циркуляторы для СВЧ интегральных схем / О. Сакала // Зарубежная радиоэлектроника. 1978. № 3. С. 63-75.

10. Гуревич Г.Л. Теория и проектирование циркуляторов для регенеративных усилителей СВЧ-диапазона / Г.Л. Гуревич, Ю.А. Отмахов // Обзоры по электронной технике. Сер. Электроника СВЧ. 1977. Вып. 6 (464). М.: ЦНИИ Электроника. 72 с.

11. Абрамов В.П. Невзаимные устройства на ферритовых резонаторах / В.П. Абрамов,

B.А. Дмитриев, С. А. Шелухин. М.: Радио и связь, 1980. 200 с.

12. Бакаленко И.Ю. Трансформирующие свойства трехплечевого сочленения с дисковым центральным проводником / И.Ю. Бакаленко, А.А. Димитрюк, Е.С. Краснов // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТПО. 1986. № 1. С. 27-38.

13. Димитрюк А.А. Учет влияния конструкторско-технологических погрешностей на характеристики ферритовых устройств СВЧ / А.А. Димитрюк, Р.Г. Иванов // Технологические СВЧ установки, функциональные электродинамические устройства: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 1998.

C. 135-138.

14. Бобров П.П. Экспериментальное исследование однонаправленных ферритовых микрополос-ковых линий / П.П. Бобров, А.В. Гидлевский, Ю.А. Кирсанов // Радиотехника. 1985. № 3. С. 64-67.

15. de Santis P. Symmetrical four-port edge-guided wave circulators / P. de Santis, F. Pucci // IEEE Trans. on MTT. 1976. Vol. 24. № 1. P. 10-18.

16. Неганов В.А. Невзаимные ферритовые устройства на смещении поля / В.А. Неганов, Н.Г. Сафронов, М.В. Терентьева // Радиотехника. 1989. № 5. С. 27-28.

17. Микрополосковые циркуляторы на связанных линиях / И.Ю. Бакаленко, М.Н. Богданов, А.А. Димитрюк, Е.С. Краснов // Радиотехника. 1992. № 1-2. С. 56-57.

18. Димитрюк А.А. Невзаимно связанные ферритовые линии передачи / А.А. Димитрюк // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы V Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2002. С. 232-237.

19. Мазур Е. Ферритовая полосковая линия в противоположно направленных магнитных полях / Е. Мазур // Материалы V Междунар. конф. по гиромагнитной электронике и электродинамике. М., 1980. Т. 2. С. 97-102.

20. Силин Р.А. Волноводно-полосковые линии, содержащие феррит в неоднородном магнитном поле / Р.А. Силин, Н.В. Шульга // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1981. Вып. 11. С. 6-12.

21. Волноводно-полосковые линии на ферритовой подложке с однородным и неоднородным намагничиванием / А.И. Гипсман, Р.А. Силин, А.Ф. Чурзин, Н.В. Шульга // Материалы V Междунар. конф. по гиромагнитной электронике и электродинамике. М., 1980. Т. 4. С. 135-138.

22. Димитрюк А.А. Классы электромагнитных волн, возбуждаемых в гиротропной среде сторонними токами / А.А. Димитрюк, Р.Г. Иванов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2001. Т. 4. № 4. С. 10-14.

23. Димитрюк А. А. Гиромагнитные свойства ферритов в многофункциональных устройствах СВЧ / А.А. Димитрюк, В.В. Одуев // Известия вузов России. Электроника. 2008. № 2. С. 32-28.

24. Димитрюк А.А. Решение задач электродинамики гиротропных и бигиротропных сред при помощи векторов Герца / А.А. Димитрюк // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2008. Т. 11. № 2. С. 91-95.

Дамаев Марат Мухамедович -

аспирант кафедры «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Димитрюк Александр Александрович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Твердохлебов Максим Михайлович -

студент кафедры «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Marat M. Damaev -

Postgraduate,

Department of Radio Engineering

Yu. Gagarin Saratov State Technical University

Aleksandr A. Dimitryuk -

Dr. Sc., Professor,

Department of Radio Engineering

Yu. Gagarin Saratov State Technical University

Maksim M. Tverdokhlebov -

Undergraduate,

Department of Radio Engineering

Yu. Gagarin Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 14.10.11, принята к опубликованию 15.11.11