Результаты экспериментального исследования развязывающих, пассивных и активных приборов, работающих на поверхностной ферритовой волне

На рис. 29 приведена схема 3-х канального невзаимного волноводно - микрополоскового делителя с одним ферритовым вкладышем [20]. Целью этого изобретения является упрощение конструкции и уменьшение габаритов.

Этот делитель содержит отрезок (1) запредельного прямоугольного волновода, с одним прямоугольным поперечно - намагниченным ферритовым вкладышем (2), два полосковых проводника (3), размещённых на диэлектрических подложках (4), которые расположены в прямоугольном отверстии короткозамыкателя (5). П - образный проводник (6), расположенный на поверхности прямоугольного ферритового вкладыша (2) подключен к полосковым проводникам 3. Каждый из этих проводников образует, совместно с внутренними поверхностями прямоугольного отверстия желобковую линию. В широких стенках отрезка (1) установлены штыри (7) с возможностью перемещения в прямоугольном отверстии между торцом прямоугольного вкладыша (2) и соответствующей диэлектрической подложкой (4). Энергия входного сигнала распределяется между двумя желобковыми линиями, а в обратном напрвлении не распространяется из - за наличия электрической стенки на границе вкладыша (2). Металлические штыри (7) дополнительно трансформируют волновое сопротивление отрезка (1) и структуру его СВЧ - поля, что повышает коэффициент передачи.

Все вышерассмотренные невзаимные делители, по сравнению с известными взаимными делителями, имеют ряд преимуществ: большую величину развязки как между выходными каналами, так и между выходным и входным каналами; возможность использования делителей в схемах с применением разнотипных линий передачи (волноводных, микрополосковых). Кроме того, электрические параметры делителей не изменяются при изменении в широких пределах сопротивлений выходных каналов.

Невзаимные волноводно-коаксиальные (микрополосковые) переходы СВЧ.

В технике СВЧ часто находят применение соединительные устройства между приборами, выполненными на разнотипных линиях передачи. Однако, практически все широкоизвестные волноводно-коаксиальные (микрополосковые) СВЧ переходы взаимны, что часто приводит к появлению несанкционированных паразитных обратных связей. В этом разделе приведены конструктивные схемы невзаимных СВЧ переходов, основанных на конструктивных решениях ранее рассмотренных волноводно - коаксиальных циркуляторов и невзаимных СВЧ делителей.

На рис. 30 представлена схема Г-образного невзаимного волноводно-коаксиального СВЧ - перехода, полученного путём модификации схемы циркулятора, изображённого на рис. 21.

На рис. 31 и рис. 32 представлены схемы соосных невзаимных волноводно-микрополосковых СВЧ - переходов, полученных из конструктивных решений невзаимных СВЧ-делителей (см. рис. 25 и рис. 29).

Электрические параметры приведённых невзаимных преходов (см. рис. 30, 31, 32) идентичны параметрам невзаимных СВЧ-приборов, изображённых соответственно на рис. 21, 25, 29.

На рис 33 изображен внешний вид невзаимного соосного волноводно - коаксиального перехода 2-х см. диапазона дли волн (а - волноводный вход, б - коаксиальный выход).

2. Активные СВЧ приборы

2.1 Электрически управляемые аттенюаторы СВЧ

Известны схемы электрически управляемых СВЧ-устройств (модуляторов, выключателей, аттенюаторов), в которых в качестве управляющих элементов используются p-i-n диоды. В этих схемах для обеспечения минимального коэффициента отражения используют большое число диодов или включают в их состав У- или Х - циркуляторы. Использование большого числа диодов, а тем более циркуляторов, приводит к увеличению габаритов и снижению надёжности СВЧ схемы в целом.

Ниже описаны электрически управляемые аттенюаторы СВЧ, в которых входной импеданс равен выходному и не зависит в рабочей полосе частот от величины регулируемого ослабления. Приборы собраны на высокооднонапрвленных волноводной и микрополосковой линиях передачи. Волноводная конструция аттенюатора работает в 3-х сантиметровом диапазоне длин волн, микрополосковая - в дециметровом. В схемах использовались n-i-p-i-n диоды.

Схема волноводного электрически управляемого аттенюатора и структура Е_z - компоненты, распространяющейся в нём ПФВ, показаны на рис. 34.

Прибор собран на предельном для волны типа Н₁₀ отрезке волновода, вблизи одной из узких стенок которого расположен прямоугольный поперечно-намагниченный ферритовый вкладыш. При возбуждении плеча I волна Н₁₀ трансформируется в ПФВ и распространяется по границе феррит - воздух к плечу II. В направлении II-I ПФВ распространяться не может из-за наличия электрической стенки вдоль внешней боковой поверхности ферритового вкладыша. Используемые в аттенюаторе балансные n-i-p-i-n диоды включаются вблизи области с максимальной концентрацией СВЧ поля. При подаче на диоды напряжения, ПФВ отражается от них, преобразуясь в быстрозатухающие в феррите магнитостатические типы волн. Вследствие однонапрвленности линии входной импеданс устройства остаётся постоянным.

Аттенюатор имеет следующие электрические параметры: рабочая полоса частот 10%; КСВН не более 1,2; прямое начальное ослабление не более 1дБ; обратные потери не менее 60дБ; диапазон регулирования прямого ослабления L 1 - 45дБ. Интервал рабочих температур - 60….+ 75⁰С. Габаритные размеры аттенюатора с согласующими элементами на входе и выходе 40Х35Х10 мм. Сечение волновода 23Х2 мм. Вкладыш из феррита 2СЧ7 имеет размеры 20Х6Х2 мм. В устройство включено три балансных n-i-p-i-n диода 2А505А. При запирании на 45дБ мощность управления равна 120 мВт Количество диодов в устройстве устанавливается в зависимости от требуемой величины регулирования прямого ослабления L. При этом, настройка аттенюатора не зависит от числа диодов и определяется выбором намагниченности насыщения феррита, подмагничивающего поля и ширины ферритового вкладыша t_ф. Расстояние между диодами определяется величиной обратного затухания ПФВ на единицу длины.

Микрополосковый аттенюатор СВЧ.

На рис. 35 показана конструктивная схема и структура Е_z - компоненты поля ПФВ микрополоскового электрически управляемого аттенюатора.

Прибор собран на ферритовой подложке 1, с нанесенной на ней микрополосковой линией 2, край которой имеет гальваническую связь 3 с экранной плоскостью. Согласование прибора осуществляется с помощью трансформатора 4. При возбуждении входного плеча I квази ТЕМ - волна трансформируется в ПФВ, которая по внутреннему краю токонесущего проводника 2 распространяется к выходному плечу II. В направлении II-I ПФВ распространятся не может из-за наличия гальванической связи между краем токонесущего проводника 3 и экранной плоскостью.

Балансный n-i-p-i-n диод 2А505А включается как можно ближе к максимуму поля ПФВ (рис. 35, а, п. 5). При подаче на диод напряжения происходит отражение ПФВ, которая, как и в волноводном аттенюаторе, преобразуется в быстро затухающие в феррите магнитостатические типы волн из-за однонаправленности линии передачи. Микрополосковый аттенюатор дециметрового диапазона имеет следующие параметры: рабочая полоса частот 10%; КСВН не более 1,2; начальное прямое ослабление не более 0,8 дБ; Обратное затухание не менее 40дБ; диапазон регулирования прямого ослабления 0,8 - 25 дБ. Потребляемая мощность при запирании на 25 дБ равна 45 мВт. Интервал рабочих температур -60…+75⁰С. Аттенюатор выполнен на подложке из феррита 80СЧ размером 30Х24Х2 мм. Увеличивая число диодов, можно добиться более глубокого запирания, практически ограниченного только излучающими свойствами микрополосковой линии.

На рис. 36 приведён внешний вид (для наглядности без внешнего магнита) семидиодного микрополоскового аттенюатора дециметрового диапазона длин волн.

Рассмотренные аттенюаторы СВЧ, выполненные на высокооднонаправленных линиях передачи, по сравнению с широко распространёнными известными взаимными приборами имеют ряд достоинств:

- неизменность входного импеданса прибора во всём диапазоне регулирования мощности;

- существенно меньшие габариты;

- независимость числа параметров настройки от числа включаемых диодов.

Эти приборы можно также использовать в качестве модуляторов и выключателей.

2.2 Усилитель СВЧ мощности отражательного типа

В этом разделе приведены схемы и результаты экспериментального исследования усилителя СВЧ - мощности отражательного типа на арсенидгаллиевом ЛПД. Прибор с габаритными размерами 40Х35Х20 мм собран на волноводной высокооднонаправленной линии передачи, работающей на ПФВ. Усилитель Х - диапазона в полосе частот 150 МГц имеет коэффициент усиления 10 дб, неравномерность коэффициента усиления 1 дб, выходную мощность не менее 0,5 Вт, КПД 10%.

К недостаткам известных отражательных схем усилителей СВЧ, выполненных на объёмных волноводно - коаксиальных сочленениях, следует отнести большие габаритные размеры устройств. Особенно велики габаритные размеры многокаскадных усилителей, поскольку из-за недостаточной развязки (обычно 20 дб) между каскадами в усилителях помимо У - циркуляторов применяют дополнительные развязывающие элементы (вентили), которые и увеличивают габариты, массу, усложняют конструкцию, снижают надёжность усилителя в целом.

Ниже приводятся схема и результаты экспериментального исследования в Х - диапазоне длин волн усилителя мощности отражательного типа, габаритные размеры которого уменьшены в несколько раз. Настройка усилителя упрощена за счет обеспечения плавной регулировки электрической связи коаксиального резонатора с прямоугольным волноводом.

Схема, принцип работы и электрические параметры.

На рис. 37 показана схема усилителя [21].

Прибор содержит высокооднонаправленную линию передачи, выполненную в виде запредельного (для волны Н₁₀) отрезка волновода (1), частично заполненного ферритовым вкладышем (2), расположенным вдоль узкой стенки волновода и поперечно намагниченным полем Н_е. Свободная от феррита часть волновода пересекается перпендикулярно его широким стенкам внутренней структурой коаксиального резонатора (3), который содержит фильтр низких частот (4), центральный проводник (5) и полупроводниковый диод (7). Для уменьшения геометрических размеров коаксиальный резонатор заполнен диэлектриком (6). Плавная регулировка связи коаксиального резонатора с высокооднонаправленной линией передачи осуществляется благодаря аксиальному перемещению внутренней структуры с помощью винта (8). Величина связи зависит от того, насколько далеко запредельный волновод отстоит от пучности магнитного СВЧ - поля в коаксиальном резонаторе.

Принцип работы усилителя заключается в следующем. При возбуждении одного из волноводных плеч и определённой ориентации внешнего магнитного поля вдоль внутренней границы ферритового вкладыша распространяется ПФВ, характеризующаяся экспоненциальным изменением поля как в ферритовом образце, так и в свободной от феррита части волновода. На рисунке штриховой линией показана электрическая компонента СВЧ - поля в поперечном сечении запредельного волновода. Работа прибора основана на усилении СВЧ - мощности диодом, расположенным в коаксиальном резонаторе. Наличие электрической стенки вдоль внешней границы ферритового вкладыша и запредельность волновода нарушает условия распространения как обратной ПФВ, так и волны типа Н₁₀. Таким образом, резонатор с диодом нагружен со стороны выхода усилителя на активную нагрузку, а со стороны входа - на реактивность (электрическую стенку), что эквивалентно усилителю, работающему на отражение. В описываемом усилителе так же, как и в усилителе, работающем на У - циркуляторе, практически весь усиленный сигнал поступает на выход прибора. Вышеуказанный «циркуляторный эффект» высокооднонаправленной линии позволяет реализовать малогабаритный усилитель мощности отражательного типа на ЛПД.

Усилитель экспериментально исследовался в Х - диапазоне длин волн. Конструктивные параметры высокооднонаправленной линии выбирались в соответствии с рекомендациями вышеприведенного раздела 1.2 и составляют: намагниченность насыщения феррита 3500 Гс (феррит марки 2СЧ - 7); величина подмагничивающего поля 2600 Э (магнит марки КС - 37); размер ферритового вкладыша 20Х6Х2 мм; ширина свободной от феррита части запредельного волновода 7 мм.

В качестве активного элемента использовался арсенидгаллиевый ЛПД со структурой Рида. Для уменьшения сечения коаксиального резонатора последний заполняется диэлектриком. Диэлектрическая проницаемость которого равна 10 (марка диэлектрика СТ - 10). Сечение коаксиального резонатора составляет 3,5Х1,3 мм.

Прибор Х - диапазона в полосе частот 150 МГц имеет кэффициент усиления 10 дб, неравномерность коэффициента усиления 1 дб, выходную мощность не менее 0,5 Вт, КПД 10%. Габаритные размеры усилителя составляют 40Х35Х20 мм.

Разработанный усилитель по электрическим параметрам не уступает известным схемам отражательных усилителей, использующих У - циркуляторы. Принцип работы прибора позволяет включать вдоль высокоодноапрвленной линии передачи произвольное число коаксиальных резонаторов с диодом и таким образом создавать малогабаритные многокаскадные усилители отражательного типа.

2.3 Малошумящие усилители с отрицательным сопротивлением

Из вышеприведенного раздела 1 известно, что волноводы с одним или двумя поперечно намагниченными ферритовыми вкладышами, расположенными вдоль узких стенок, могут обладать высокими однонаправленными свойствами. При использовании отрезков таких волноводов для осуществления развязки в малошумящих усилителях с отрицательным сопротивлением важно знать частотную зависимость прямых и обратных потерь. Экспериментальные исследования показали, что волновод с двумя ферритовыми вкладышами обладает лучшими характеристиками с точки зрения прямых и обратных потерь. Однако использование волновода с одним ферритовым вкладышем позволяет реализовать более высокое эквивалентное сопротивление генератора R_г, что необходимо для достижения предельно высоких полосовых и шумовых характеристик параметрических усилителей, имеющих более высокое отрицательное сопротивление [22].

На рис. 38 изображена схема усилителя, который состоит из устройства с отрицательным сопротивлением (1), включенным в отрезок запредельного волновода (2), вдоль узких стенок которого расположены прямоугольные ферритовые вкладыши (3), поперечно намагниченные в противоположных направлениях полем Н_е.

Принцип работы заключается в следующем. При подаче СВЧ сигнала на вход усилителя в запредельном отрезке волновода по внутренним границам ферритовых вкладышей распрлостраняется ПФВ, возбуждающая токи в устройствах с отрицательным сопротивлением. Коэффициент усиления определяется соотношением между величинами отрицательного сопротивления и R_г, которое можно в некоторых пределах изменять, перемещая устройство с отрицательным сопротивлением (туннельный или параметрический диод) в поперечном относительно оси волновода направлении. Усиленный СВЧ сигнал распространяется в сторону выхода.

На рис. 39 приведены эквивалентная схема усилителя на туннельном диоде (а) и его конструктивная схема (б).

Относительно невысокое волновое сопротивление Z₀ однонаправленных волноводов требует реализации малой величины эффективного сопротивления диода. Последнее достигается использованием диодов с резонансной частотой, близкой к рабочей частоте усилителя, работающего в режиме с последовательной настройкой.

В качестве индуктивности настройки используется отрезок низкоомной коаксиальной линии, выполненной на конце прижимного винта (1). Смещение на туннельный диод (2) (тип IИI03Б) подается через четвертьволновую радиальную линию (3) с низким волновым сопротивлением Z_1. Резистор (4) обеспечивает устойчивость усилителя за пределами рабочего диапазона однонаправленного волновода. Волновод с поперечным сечением 21Х2 мм² содержит два ферритовых вкладыша (5) (марка феррита 2СЧ -7) размером 2Х5,5Х20 мм³. Однокаскадный усилитель на туннельном диоде имел полосу пропускания (по уровню 3 дб) 500 МГц при усилении 10 - 12 дб, коэффициент шума 5,8 дб.

Отрезок однонаправленного волновода такого же сечения, но длиной 80 мм использовался для построения четырёхкаскадного усилителя, в котором туннельные диоды отстояли друг от друга на равном расстоянии. Для увеличения развязки между каскадами использовались простые модовые фильтры, ослабляющие волноводные типы волн, распространяющиеся на частотах выше границы однонаправленности. Эти фильтры представляют собой проводящие стержни (или пластины), включенные в центре свободной части волновода. Как показано выше (см. рис. 5), металлическая пластина практически не ослабляет поверхностной волны, но сильно отражает мощность на волноводных типах волн. Четырёхкаскадный усилитель имеет следующие параметры: коэффициент усиления 44 дб, полоса пропускания 400 МГц, коэффициент шума 6,1 дб.

Из известных схем параметрических усилителей (ПУ) наиболее просто реализовать в однонаправленном волноводе балансный ПУ вырожденного типа [23]. На рис. 40 показана эквивалентная схема (а) и конструктивная схема (б) такого ПУ.

Бескорпусные диоды (1) ёмкостью С_g образуют с индуктивностью L контактной иглы (2) колебательный контур, в полосу которого входят частота сигнала и разностная частота. Мощность накачки подается через коаксиально - волноводный переход (3). Для настройки контура на частоте накачки используется поршень (4). Диоды возбуждаются на частоте накачки в противофазе. Благодаря поляризационной развязке сигнальный волновод не возбуждается на частоте накачки. Волновод поперечного сечения 21Х4 мм² содержит один ферритовый вкладыш (5). Для увеличения R_г увеличена высота волновода, и диоды включены почти вплотную к границе феррит - воздух. Полученное значение R_г оказалось тем не менее ниже требуемого для достижения наилучших полосовых и шумовых характеристик. В результате полоса пропускания составила 300 МГц при усилении 14 дб. Коэффициент шума 2,1 дб.

Таким образом, комплексирование в одном модуле функций усилителя и циркулятора позволило устранить ряд недостатков, присущих обычным отражательным усилителям с У - циркулятором. Отпала необходимость в межкаскадных согласующих трансформирующих устройствах, приводящих к росту потерь, уменьшению полосы пропускания и усложнению настройки. Существенно уменьшены габариты и увеличены надёжность за счет устранения большого числа соединений в многокаскадном усилителе.

Заключение

Разработка на однонаправленных СВЧ линиях передачи комплексированных изделий позволяет:

- резко уменьшить массогабаритные характеристики СВЧ - приборов;

- одновременно увеличить количество выполняемых функций (развязывание, генерация, усиление, переключение, модулирование сигналов);

- оптимизировать режим работы приборов, входящих в комплексированные изделия;

- повысить эксплуатационную надёжность систем и обеспечить более высокие тактико - технические характеристики СВЧ - аппаратуры в целом.

Список литературы

1. Микаэлян А.Л. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах. ГЭИ, М. - Л., 1963 г.

2. Кирсанов Ю.А. и др. «Вентиль СВЧ», А.С. СССР №1227072, Н 01 Р 1/38, 1985 г.

3. Кирсанов Ю.А. и др. «Невзаимное устройство». Патент №1185446, кл. Н 01 Р 1/38, 1993 г.

4. Гуревич А.Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках. М.:Наука, 1973 г.

5. Кирсанов Ю.А. и др. «Сверхвысокочастотный вентиль», А.С. СССР №1309851, М. Кл.Н 01 Р 1/36, 1987 г.

6. Кирсанов Ю.А. и др. «Развязывающее устройство». Патент №1371323, кл. Н 01 Р 1/36, 1985 г.

7. Кирсанов Ю.А и др. «Циркулятор СВЧ». А.С. СССР №448520, М. Кл. Н 01 р 1/32, 1974 г.

8. Кирсанов Ю.А. и др. «Сверхвысокочастотный циркулятор». А.С. СССР №749318, кл. Н 01 Р 1/38, 1980 г.

9. Кирсанов Ю.А. и др. «Сверхвысокочастотный циркулятор», А.С. СССР №506090 М. Кл. Н 01Р 1/32, 1976 г.

10. Кирсанов Ю.А. и др. «Многоплечный незамкнутый циркулятор», А.С. СССР №322121, МПК Н 01 р 5/14, 1971 г.

11. Кирсанов Ю.А. и др. «Сверхвысокочастотный вентиль». Патент №1838849, Н 01Р 1/38, 1991 г.

12. Кирсанов Ю.А. и др. «Сверхвысокочастотный вентиль». Патент №2057382, Н 01 Р 1/38, 1992 г.

13. Кирсанов Ю.А. и др. «Развязывающее СВЧ - устройство». А.С. СССР №1340531, Н 01 Р 1/36, 1985 г.

14. Нефёдов Е.Н., Фиалковский А.Т. Полосковые линии передачи, М., Наука 1980 г.

15. Кирсанов Ю.А. и др. «Сверхвысокочастотный циркулятор». Патент №797496, М. Кл.³ Н01 Р 1/38, 1975 г.

16. Кирсанов Ю.А. и др. «Сверхвысокочастотный циркулятор». Патент №867257, М. Кл.³ Н01 Р 1/38, 1977 г.

17. Кирсанов Ю.А. и др. «Волноводно - коаксиальный циркулятор». А.С. СССР №1228166 А1, Н01 Р 1/38, 1984 г.

Размещено на Allbest.ru