ФЕРРИТОВЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ СВЧ-СИГНАЛА

Заявленная полезная модель относится к технике СВЧ и может найти применение в РЛС различных типов в качестве быстродействующего переключателя высокого уровня мощности (ВУМ).
Создание быстродействующих переключателей ВУМ представляет собой комплексную проблему, решение которой связано с выполнением целого ряда зачастую противоречивых требований, касающихся конструкции устройства, его узлов и деталей, выбора материалов, обеспечения низких потерь, электрогерметичности и герметичности по воздуху, коррозионной стойкости.
Известны ферритовые переключатели СВЧ-сигнала на основе невзаимных фазовращателей на прямоугольных волноводах с использованием внутренней памяти и электрического управления (см., например, А.Л.Микоэлян. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах. Госэнергоиздат. Москва-Ленинград, 1963, с.570-571, 576-579). К недостаткам этих переключателей следует отнести недостаточный отвод тепла от ферритовых элементов, что может привести к их разрушению, и низкую электрическую прочность. Указанные недостатки ограничивают
возможности использования переключателей данного вида в СВЧ-устройствах ВУМ.
По совокупности существенных признаков наиболее близкой к заявляемому устройству является полезная модель РФ №25248, кл. 7H 01 Р 1/32, опубликованная 20.09.2002 г. Эта полезная модель, выбранная в качестве прототипа, содержит щелевой мост, соединенный с выходами двух невзаимных фазовращателей на прямоугольных волноводах, в которых расположены ферритовые вкладыши, выполненные в виде ферритовых пластин, установленных вдоль узких стенок внутри каждого волновода, при этом снаружи волноводов расположены магнитопроводящие скобы с обмотками управления, установленные так, что они образуют с ферритовыми пластинами замкнутые магнитопроводы, а входы фазовращателей соединены с синфазными выходами волноводного двойного Т-моста. Главные недостатки прототипа - относительно невысокое быстродействие и низкий уровень рабочей мощности.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение высокого быстродействия ферритового переключателя СВЧ-сигнала на высоком уровне средней и импульсной мощности.
Эта задача решается тем, что в ферритовом переключателе СВЧ-сигнала, содержащем щелевой мост, соединенный с выходами двух невзаимных фазовращателей на прямоугольных волноводах, пластины из
СВЧ-феррита, установленные на узких боковых стенках внутри каждого волновода, два магнитопровода, например, С-образной формы, с обмотками управления, установленные каждый снаружи волноводов вдоль соответствующих боковых стенок волноводов с образованием с соответствующими пластинами из СВЧ-феррита двух отдельных замкнутых магнитных цепей, и волноводный двойной Т-мост, синфазные выходы которого соединены со входами невзаимных фазовращателей, прямоугольные волноводы имеют общую узкую стенку, общую среднюю часть и узкие боковые стенки, присоединенные с двух сторон, например болтами, к общей средней части волноводов, между каждой боковой, узкой стенкой и пластиной из СВЧ-феррита введена пластина из диэлектрика с высокой теплопроводностью, магнитопроводы выполнены из магнитомягкого феррита, к пластинам из СВЧ-феррита с двух сторон по вертикали присоединены стальные пластины, к которым также по вертиками присоединены по одной пластине из магнитомягкого диэлектрика, каждая из которых присоединена к торцам соответствующих магнитопроводов, на поверхности средней части волноводов, обращенные к боковым стенкам, и на ее торцы, обращенные к щелевому мосту и двойному волноводному Т-мосту, нанесен изолирующий слой, все элементы волноводов, включая невзаимные фазовращатели, охвачены системой жидкостного охлаждения.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в уменьшении времени переключения до 50 мкс и менее при уровне рабочей средней мощности до 30 кВт и уровне импульсной СВЧ-мощности до 300 кВт в диапазоне см-волн.
Достижение указанного технического результата определяется несколькими взаимосвязанными факторами. В первую очередь к ним следует отнести введение между СВЧ-ферритом и соответствующими узкими боковыми стенками волноводов, пластин из диэлектрика с высокой теплопроводностью которые, с одной стороны, «концентрируют» электромагнитное поле в пластинах из СВЧ-феррита, позволяя уменьшить их толщину, а с другой стороны, служат для отвода тепловой энергии, выделяющейся в пластинах из СВЧ-феррита, к системе охлаждения. Важную роль играет выполнение наружной части магнитопроводов из магнитомягкого диэлектрика (предпочтительно из феррита), а главное то, что к пластинам из СВЧ-феррита с двух сторон по вертикали присоединены стальные пластины, к которым также по вертикали присоединены по одной пластине из магнитомягкого феррита, каждая из которых присоединена к торцам соответствующих магнитопроводов. Это обеспечивает уменьшение вихревых токов и тем самым содействует повышению скорости переключения. Повышению скорости переключения дополнительно способствуют тонкие стальные пластины, затрудняющие образование
вихревых токов. Однако, едва ли не главный вклад в увеличение скорости переключения вносит изолирующее покрытие, нанесенное на поверхности средней части волноводов, обращенные к боковым стенкам, а также на ее торцы, обращенные к щелевому мосту и двойному волноводному Т-мосту. Благодаря этому предотвращается образование широкой стенкой волновода в момент переключения короткозамкнутого витка.
Заявляемую полезную модель иллюстрируют: Фиг.1, на которой дано схематическое изображение поперечного сечения волноводной части переключателя, и Фиг.2, где представлен вид переключателя сверху с вырывом, показывающим основные элементы невзаиного фазовращателя.
Предлагаемый переключатель содержит (Фиг.1): сдвоенные по узкой стенке прямоугольные волноводы со средней частью 1 и двумя боковыми стенками 2; магнитопроводы 3 из магнитомягкого феррита; пластину 4 из СВЧ-феррита, к которой с двух сторон примыкают симметрично стальные пластины 5 и контактирующие с ними пластины 6 из магнитомягкого феррита; обмотки управления 7; пластины 8 из диэлектрика с высокой теплопроводностью; изолирующие слои 9.
На Фиг.2 показаны: двойной модифицированный Т-мост 10; средняя часть 1 невзаимных фазовращателей с общей узкой стенкой; боковые узкие стенки 2; магнитопроводы 3; пластины 4 из СВЧ-феррита; пластины 8 из диэлектрика с высокой теплопроводностью; щелевой мост 11; штуцера 12
системы охлаждения (10 шт.); изолирующие слои 9; канал охлаждения 13;
каркас 14 катушек; провод 15 обмотки управления 7, плечи II и IV двойного Т-моста 10 и плечи I и III щелевого моста 11.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. СВЧ энергия подается на вход прибора (плечо I) со стороны щелевого моста (11), который, в силу своих свойств, делит ее пополам и осуществляет сдвиг по фазе между этими половинами на 90°. Далее энергия распространяется по каналам невзаимных фазовращателей (1), имеющих общую узкую стенку, при этом обмотки (7) магнитных систем (3) включены таким образом, что на синфазные входы двойного модифицированного Т-моста (10) сигналы после прохождения невзаимных фазовращателей (1) поступают в одинаковой фазе и после сложения в двойном Т-мосте (10) в силу его свойств суммарный сигнал поступает на один из выходов прибора (плечо II). После переключения направления тока в обмотках (7) магнитных систем (3) невзаимных фазовращателей (1) на противоположное сигналы на синфазные входы двойного Т-моста (10) поступают в противофазе и в результате снижения в двойном Т-мосте (10) в силу его свойств суммарный сигнал поступает на другой выход прибора (плечо IV). Аналогично прибор работает при запитке в плечо II. В этом случае энергия также переключается между плечами II и IV. А если подавать энергию СВЧ в плечи II или IV, то она будет переключаться между плечами I и III.
Опытный образец предлагаемого устройства содержит волноводы сечением 40×20 мм из сплава А1, магнито проводы 3 и пластины 6 из феррита 6000НМ, пластины 4 из СВЧ-феррита марки 5СЧ20, пластины 8 из поликора. Габариты прибора 1090×240×140 мм, масса 27 кг. При испытаниях время переключения составило 50 мкс, прямые потери 0,85 дБ, уровень средней мощности 30 кВт, уровень импульсной мощности 300 кВт, рабочий диапазон 5,4-5,8 Г Гц.
Изготовление устройства предполагает использование известных материалов и стандартных технологических операций, что свидетельствует о возможности промышленной реализации предложенной полезной модели.