СВЧ АТТЕНЮАТОР-ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ

Предлагаемое техническое решение относится к технике СВЧ и может быть использовано для регулирования амплитуды и фазы СВЧ сигналов в волноводных трактах.
Известен амплитудный модулятор (Б. Лаке 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 СВЧ сигнала на выходе ферритовой секции поворачивается, в результате чего амплитуда сигнала на выходе амплитудного модулятора изменяется.
Недостатками его являются недопустимое изменение фазы СВЧ сигнала (50°…60°) при регулировании его амплитуды, а также неоднозначность амплитудной характеристики вследствие гистерезиса индукции СВЧ феррита. Это делает практически невозможным применение такого аттенюатора, например, в многоканальных фазированных СВЧ системах. Кроме того такой аттенюатор не может регулировать фазу СВЧ сигнала независимо от величины его амплитуды.
Наиболее близким по технической сущности является ферритовый СВЧ аттенюатор (Мамонов А.И., Матвеев А.Г., Ферритовый СВЧ аттенюатор, патент на полезную модель №55512 по заявке №2006104454 от 13.02.2006 г.). Он содержит входной и выходной поляризационные мосты и расположенную между ними волноводную секцию, состоящую 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 образует в волноводе с ферритом поперечное квадрупольное магнитное поле, причем прямая линия, проведенная через ось круглого волновода и противоположные узлы этого поля, совпадает с электрическим вектором СВЧ сигнала. Такой ферритовый аттенюатор посредством изменения тока в обмотке регулирует только амплитуду СВЧ сигнала без изменения его фазы; кроме того эта характеристика однозначная, так как СВЧ феррит в квадрупольном магнитном поле не имеет гистерезиса индукции (см. А.И. Мамонов, А.В. Воронежцев, «Система переключения СВЧ сигнала высокого уровня мощности», Антенны, выпуск 9 (136), 2008 г., стр. 102-105).
Недостатком его является невозможность регулирования фазы СВЧ сигнала независимо от изменения его амплитуды.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в обеспечении изменения амплитуды СВЧ сигнала и независимого от этого изменения его фазы.
СВЧ аттенюатор-фазовращатель, содержит входной и выходной поляризационные мосты и расположенную между ними волноводную секцию, состоящую из круглого волновода с ферритовым вкладышем в виде трубки или стержня, прилегающих к внутренней поверхности круглого волновода, и магнитной системы с током, установленную 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.
Новым в заявляемой полезной модели является то, что магнитная система с током выполнена в виде четырех катушек с током, создающим в круглом волноводе квадрупольное магнитное поле, причем оси этих катушек в поперечной плоскости сдвинуты одна относительно другой последовательно на 90°. Кроме того, дополнительно введена вторая магнитная система, создающая в круглом волноводе второе квадрупольное магнитное поле и состоящая из четырех катушек с током, оси которых в поперечной плоскости сдвинуты относительно осей катушек первой магнитной системы на 45° относительно осей катушек первой магнитной системы.
Указанный результат достигается тем, что СВЧ аттенюатор-фазовращатель содержит входной и выходной поляризационные мосты и расположенную между ними волноводную секцию, которая состоит из круглого волновода с ферритовым вкладышем и магнитной системы с двумя обмотками. Ферритовый вкладыш выполнен в виде трубки или стержня, прилегающих к внутренней поверхности круглого волновода. Магнитная система имеет в своем составе обмотку с током, создающим квадрупольное магнитное поле, причем это поле установлено относительно вектора электрического поля входного СВЧ сигнала так, что прямая линия, проходящая через ось круглого волновода и противоположные узлы квадрупольного магнитного поля, совпадает с этим вектором.
Новым в предлагаемой полезной модели является введение в магнитную систему второй обмотки с током, создающим в круглом волноводе с ферритовым вкладышем второе квадрупольное магнитное поле. Это поле в поперечной плоскости повернуто на 45° относительно первого квадрупольного магнитного поля. Управляющие напряжения, подаваемые на обмотки, изменяются независимо. 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 СВЧ аттенюатора-фазовращателя.
В поперечном сечении ферритовой секции приведено расположение обмоток и картина квадрупольных полей в волноводной ферритовой секции.
СВЧ аттенюатор-фазовращатель состоит из входного поляризационного моста 1 с нагрузкой 2, ферритовой секции 3, выходного поляризационного моста 4 с нагрузкой 5. Волноводная ферритовая секция состоит из круглого волновода 6 с ферритовым вкладышем 7 в виде трубки или стержня, прилегающих к внутренней поверхности волновода и магнитной системы, состоящей из магнитопровода 8, обмоток 9 и 10, каждая из которых состоит из четырех катушек.
Волновод может быть выполнен в виде тонкостенной латунной или алюминиевой трубы, а магнитопровод магнитной системы - из пермаллоя 79 НМ, отожженного в вакууме.
СВЧ аттенюатор-фазовращатель работает следующим образом:
СВЧ сигнал с линейной поляризацией со входа через поляризационный мост 1 поступает на вход волноводной ферритовой секции 3. Пусть выходной поляризационный мост 4 ориентирован так, что входной и выходной СВЧ сигналы имеют одинаковую поляризацию.
1
2
1
2
На обмотки 9 и 10 подаются соответственно напряжения u и u. При этом в волноводе с ферритовой трубкой 7 образуются два квадрупольных магнитных поля H и Н.
При отсутствии токов в обоих обмотках магнитной системы в ферритовой секции 3 входной и выходной СВЧ сигналы без учета начальных потерь и постоянной фазы, определяемой длиной СВЧ аттенюатора-фазовращателя, равны друг другу:
где ω - угловая частота СВЧ сигнала.
1
1
После подачи напряжения u в обмотку 9 в ней появляется ток и в волноводе 6 с ферритовой трубкой 7 образуется квадрупольное магнитное поле H, которое имеет четыре ветви и четыре узла. В соответствии с патентом (см. А.И. Мамонов, А.Г. Матвеев, Ферритовый СВЧ аттенюатор, патент на полезную модель №55512 по заявке 2006104454 от 13.02.2006 г.) при подаче на вход СВЧ аттенюатора-фазовращателя сигнала Esinωt на его выходе образуется сигнал:
1
где φ - фаза СВЧ сигнала, управляемая квадрупольным магнитным полем H и создающая уменьшение амплитуды СВЧ сигнала, ω - угловая частота СВЧ сигнала.
вых
2
2
2
2
2
Из (1) следует, что при появлении тока в первой обмотке и, соответственно φ≠0, амплитуда Е уменьшается пропорционально cosφ и достигает нуля при φ=90°. При этом фаза СВЧ сигнала остается неизменной. Вторая часть сигнала, не прошедшая на выход СВЧ аттенюатора-фазовращателя имеет ортогональную поляризацию и поглощается в нагрузке 5. После подачи напряжения u на вторую обмотку в ней появляется ток I и в волноводе 6 с ферритовой трубкой 7 образуется второе квадрупольное магнитное поле Н, величина которого изменяется при изменении тока I. В этом случае СВЧ сигнал, проходящий через волноводную ферритовую секцию 3, будет приобретать фазовый сдвиг ψ, (см. А.И. Мамонов, Ферритовая волноводная секция с квадрупольным магнитным полем и ее применение в управляемых СВЧ устройствах, Антенны, №2 (93), 2005 г., стр. 76), знак которого будет определяться направлением постоянного тока I. В результате СВЧ сигнал на выходе СВЧ аттенюатора-фазовращателя будет соответствовать выражению:
Как следует из (2), амплитуда СВЧ сигнала на выходе СВЧ аттенюатора-фазовращателя Ecosφ при изменении фазы ψ не изменяется, а изменяется только его фаза.
Таким образом, СВЧ аттенюатор-фазовращатель производит независимое управление амплитудой и фазой СВЧ сигнала по однозначным характеристикам, а его габариты не превышают габаритов прототипа.