Реферат: Ферритовые микроволновые устройства для систем с высоким уровнем мощности
Фазовращатель это устройство, предназначенное для изменения
фазы электромагнитных колебаний на выходе относительно фазы колебаний на его входе.
Фазовращатели подразделяются на регулируемые и нерегулируемые.
Фазосдвигатель на основе вращающегося магнитного поля,
содержащий кольцеобразный феррит в цилиндрическом волноводе, согласователи, а также
расположенную на внешней поверхности волновода катушку возбуждения, причем кольцеообразный
феррит рассечен по длине на участки определенных размеров и между секциями оставлены
либо воздушные прослойки, либо установлены металлические или диэлектрические пластинки
определенной формы.
Недостатком такого технического решения является то, что, решая
определенные задачи распространения волн микроволнового диапазона в волноводе, в
частности подавления высших типов волн, а также согласование ферритовой секции,
оно никак не касается улучшения технологичности изготовления фазовращателя, при
котором возникают значительные трудности.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату
является ферритовый фазовращатель с поперечным магнитным полем, содержащий ферритовый
вкладыш, установленный в полости металлического волновода, толщина стенки которого
много меньше его радиуса, и магнитную систему, аналогичную статору асинхронного
двигателя.
В этом техническом решении изготовление статора производят отдельно
из набора пластин, вырубаемых из листа электротехнического железа или пермаллоя,
и обмоток, вкладываемых в этот набор, причем при сборке фазовращателя он должен
устанавливаться на волновод с ферритом.
Для включения в тракт фазовращатель на обоих концах должен иметь
фланцы, а также, как правило, и увеличение диаметра волновода для расположения,
например, согласователей, что требует использования в волноводе съемного фланца
(хотя бы одного) или использование ступеньки, которые припаиваются к волноводу после
сборки статора с волноводом. Посредством пайки фланца к волноводу добиться необходимого
качества шва невозможно без значительного увеличения длины волновода и толщины его
стенки, а это резко ухудшает параметры ферритового фазовращателя и, кроме того,
при сильном разогреве невозможно сохранить диаметр канала волновода с требуемой
точностью. Эту проблему решают изготавливая волновод с двумя фланцами и ступеньками
на концах целиком из одной заготовки, в результате чего на нем отсутствуют швы и
соединения и можно достаточно точно выдержать все размеры. Таким образом, при низких
затратах удается обеспечить минимальную длину волновода и минимальную толщину его
стенки, высокую точность выполнения внутреннего и внешнего диаметров, что гарантирует
получение наилучших электрических параметров.
При подаче тока в обмотку магнитной системы в волноводе с ферритом
образуется поперечное магнитное поле и при определенной его ориентации относительно
вектора электромагнитной волны происходит изменение ее фазы, которое увеличивается
при увеличении индукции управляющего поля. Наиболее эффективное изменение фазы происходит
при создании четырехполюсного магнитного поля [3, с.76-81], причем центральные линии
этого поля и линии (или хотя бы их концы), на которых располагаются точки вращения
вектора магнитного поля волны, должны совпадать. Для уменьшения потребления энергии
управления элементы магнитопровода должны выполняться из материалов с наибольшей
магнитной проницаемостью. Кроме того магнитопровод статора изготавливается из простых
деталей без применения сложных и дорогих вырубных штампов. В таком статоре резко
упрощается укладка катушек, так как это делается снаружи в открытые пазы.
Фазовращатели используют в различных устройствах сверхвысоких
частот техники, например в системах с большим числом потребителей - для обеспечения
требуемого распределения начальных фаз поступающих к ним сигналов, в фидерах радиосистем
- для выравнивания электрических длин фидеров, в фазированных антенных решётках
и др. когерентных радиосистемах.
Чаще применяется фазовращатель на основе
линии волновода. Ферритовый фазовращатель
в прямоугольном волноводе с продольным намагничиванием. По оси волновода расположен ферритовый стержень, круглого
или прямоугольного сечения. Управляющее магнитное поле направлено продольно и создается
соленоидом, намотанным снаружи непосредственно на волноводе. Изменением управляющего
магнитного поля можно менять магнитную проницаемость феррита и соответственно скорость
распространения и длину волны высокочастотных колебаний внутри волновода, а следовательно,
и фазу поля за ферритовым стержнем. Достоинством такого фазовращателя является его
простота и возможность регулировки фазы в широких пределах (0.3600) при
небольшом ослаблении мощности колебаний (0,5.1,0 дБ).
Ферритовый фазовращатель в прямоугольном волноводе с поперечным полем подмагничивания.
Ферритовая пластина прямоугольного
поперечного сечения размещается параллельно узкой стенке между ней и серединой волновода
(приблизительно на расстоянии а/4 от узкой стенки, где а - размер
широкой стороны волновода). Полюса магнита N и S устанавливаются по обе стороны
пластины. В таком фазовращателе для увеличения фазового сдвига и уменьшения общей
длины обычно используются две ферритовые пластины, располагаемые по обе стороны
от средней плоскости волновода и соответственно намагничиваемые.
Возможен
коаксиальный вариант фазовращателя, в котором феррит заполняет часть пространства
между центральным проводом и экранирующим цилиндром, а поперечное магнитное поле
создается магнитом, устанавливаемым снаружи отрезка коаксиальной линии.
Частным случаем фазовращателя является гиратор.
Гиратор - направленный фазовращатель, в котором изменения
фаз электромагнитных волн, распространяющихся в противоположных направлениях, отличаются
на 180°. Принцип действия гиратора основан на необратимых свойствах намагниченного
феррита, вызывающих поворот плоскости поляризации, фазовый сдвиг и т.д.
Простейший гиратор представляет собой отрезок круглого волновода,
в который помещён намагниченный ферритовый стержень определённых размеров.
Выводы
Создание микроволновых устройств с быстроуправляемыми параметрами
и систем с характеристиками, которые отличаются в различных направлениях распространения
микроволнового электромагнитного поля (невзаимных систем), невозможно без ферримагнитных
диэлектриков - ферритов. С момента появления ферритов в конце 40-х годов не прекращается
совершенствование их параметров и синтез новых материалов, отвечающих требованиям
микроволновых систем, в которых они используются. Одним из важнейших преимуществ
фертов является возможность построения с их помощью микроволновых устройств рассчитанных
на высокие уровни мощности.
При создании и расчете мощных микроволновых устройств необходимо
учитывать связанные с процессами возбуждения волн магнитные потери энергии в феррите
на высоких уровнях мощностей. Для определения этих потерь используют важный параметр
величину ширины спиновых волн в феррите. Чем эта величина больше, тем феррит устойчивее
к воздействию высоких мощностей.
Список использованной литературы
1. А.Д. Григорьев Электродинамика и микроволновая техника, 2-е издание.
- СПб.: Лань, 2007.708 стр.
2. Сазонов Д.М., Гридин А.М., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ - М: Высш.
школа, 1981 298 стр.
3. А. Фокс, С. Миллер, М. Вейчс. Свойства ферритов и их применение в
диапазоне СВЧ. Москва, 1956
|