ЦИРКУЛЯТОР НА СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ С ДВУКРАТНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ НАПРАВЛЕНИЯ ЦИРКУЛЯЦИИ

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к развязывающим устройствам метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн, и может быть использовано в приемо-передающих трактах радиотехнических систем для обеспечения развязки и коммутации сигналов.

Известен циркулятор на сосредоточенных элементах (патент США №6236285 В1, МКИ Н01Р 1/383 от 22.05.2001) с двумя разнесенными полосами рабочих частот, в котором управление условиями циркуляции осуществляется за счет подключения полоснорасширяющих цепей в каждое плечо и между общей точкой индуктивностей Y-сочленения и корпусом. В полосе частот между полосами рабочих частот наблюдается сильное поглощение сигнала. Недостатком данного устройства является отсутствие циркуляции в средней полосе частот и узкие полосы рабочих частот.

Известно также невзаимное устройство (патент США №7978018 В2, МКИ Н01Р 1/38 от 12.07.2011) с управлением условиями циркуляции за счет подключения согласующих цепей в каждое плечо и между общей точкой индуктивностей Y-сочленения и корпусом. В данном невзаимном устройстве присутствует эффект смены направления циркуляции без изменения направления внешнего подмагничивающего поля. Недостатком данного устройства является невозможность практического использования эффекта смены направления циркуляции без изменения направления внешнего подмагничивающего поля из-за слабой выраженности данного эффекта.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является двухчастотный ферритовый циркулятор на сосредоточенных элементах, в котором направление циркуляции изменяется на противоположное при переходе от одной рабочей частоты к другой без изменения величины и направления статического магнитного поля (Бородин В.Н. Двухчастотные ферритовые циркуляторы с изменяющимся направлением циркуляции / В.Н. Бородин, В.А. Козлов, Сорокин А.В. // Антенны. - 2009. - №10 (149). - С. 38-42). В таком циркуляторе изменение направления циркуляции достигается за счет подключения к Y-сочленению, расположенному между двумя соосно установленными и намагниченными ферритовыми элементами и состоящему из шести плоских проводников, переплетенных между собой и изолированных друг от друга, одни концы которых соединены между собой, а другие с согласующими емкостями, корректирующих цепей в виде последовательного контура в каждом плече циркулятора и параллельного контура между общей точкой шести плоских проводников и корпусом. Описанный циркулятор принят за прототип изобретения. Недостатками прототипа является: во-первых, наличие только двух полос рабочих частот, во-вторых, узкие полосы рабочих частот, вследствие значительного характеристического сопротивления (в несколько раз больше волнового сопротивления подводящих линий передачи) цепей в виде последовательных контуров, включенных в каждом плече устройства, в-третьих, снижение электропрочности устройства из-за возможности электрического пробоя элементов последовательных контуров, включенных в каждом плече устройства.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей циркулятора за счет реализации его работы в трех широких частотных диапазонах, но при этом направление циркуляции в среднем частотном диапазоне противоположно направлению циркуляции в крайних, при одном и том же статическом магнитном поле, намагничивающем ферритовые элементы.

Технический результат достигается тем, что к Y-сочленению, расположенному между двумя соосно установленными и намагниченными ферритовыми элементами, в виде системы из шести плоских проводников, переплетенных между собой и изолированных друг от друга, одни концы которых соединены с первыми выводами согласующих емкостей, а другие между собой и вторыми выводами согласующих емкостей, вместо последовательных контуров в каждом плече циркулятора, было подключено еще одно, соосно расположенное с первым, Y-сочленение с согласующими емкостями в каждом плече, расположенное между двух соосно установленных и намагниченных ферритовых элементов, в виде системы из шести плоских проводников, переплетенных между собой и изолированных друг от друга, одни концы которых соединены с первыми выводами согласующих емкостей, а другие либо между собой и с концами первого Y-сочленения, соединенными между собой, либо с концами первого Y-сочленения, к которым присоединены первые выводы согласующих емкостей, а вместо параллельного контура между общей точкой плоских проводников первого Y-сочленения включено последовательное или параллельное соединение последовательного и параллельного контуров.

На фиг. 1 изображены эквивалентные схемы циркуляторов с последовательным (а) и параллельным (б) соединением систем переплетенных проводников, где 1-3 - плечи устройств, С₁, С₂ - согласующие емкости, , - индуктивности первого и второго Y-сочленений соответственно, Z₀ - корректирующая цепь.

На фиг. 2 изображены схемы корректирующей цепи Z₀, включенной между общей точкой системы плоских проводников первого Y-сочленения и корпусом, с последовательным 2(a) и параллельным 2(б) соединением последовательного контура L₀₀C₀₀ и параллельного контура L₀₁C₀₁.

На фиг. 3 представлены частотные характеристики |S₁₂| и |S₂₁| циркулятора с эквивалентной схемой, соответствующей фиг. 1(a), при φ=2π на частоте ƒ₀.

На фиг. 4 представлены частотные характеристики |S₁₂| и |S₂₁| циркулятора с эквивалентной схемой, соответствующей фиг. 1(б), при φ=2π на частоте ƒ₀ 4(a) и при φ=π на частоте ƒ₀ 4(б).

Сущность предлагаемого изобретения заключается в замене цепи в виде последовательных контуров в каждом плече циркулятора, подключенных к первому Y-сочленению, с параллельно подключенными согласующими емкостями (С₁), на подключение еще одного Y-сочленения с согласующими емкостями (С₂), подключенными последовательно (фиг. 1). При наличии двух систем из Y-сочленений с корректирующими емкостями, каждая из которых настроена на свою резонансную частоту и характеристическое сопротивление, можно считать, что взаимные согласующие цепи, включенные в каждое плечо циркулятора, отсутствуют, тогда схему Y-циркулятора можно интерпретировать как соединение двух цепей с емкостным и индуктивным импедансами, которые обладают гиротропными свойствами, благодаря чему возникает возможность получения циркулятора на сосредоточенных элементах с двукратным изменением направления циркуляции как при помощи последовательного подключения второго Y-сочленения к первому Y-сочленению (фиг. 1(a)), так и параллельного (фиг. 1(б)), при наличии соответствующей корректирующей цепи Z₀ (фиг. 2), включенной между общей точкой системы плоских проводников первого Y-сочленения и корпусом. Схемы корректирующей цепи Z₀ определяются фазой φ коэффициента прохождения сигнала с входа на выход через циркулятор на частоте ƒ₀ с условиями циркуляции, близкими к идеальным в центральной полосе рабочих частот циркулятора.

Работает циркулятор на сосредоточенных элементах с двукратным изменением направления циркуляции следующим образом. В случае направления циркуляции по часовой стрелке в центральной полосе рабочих частот (F₀₁÷F₀₂) в боковых полосах рабочих частот (F₀₃÷F₀₄) и (F₀₅÷F₀₆) направление циркуляции будет противоположным (фиг. 3, 4). Тогда передача входных электромагнитных волн в полосе рабочих частот (F₀₁÷F₀₂) будет осуществлена из плеча 1 в плечо 2, при этом в плечо 3 электромагнитная волна не поступает. Передача входных электромагнитных волн в полосе рабочих частот (F₀₁÷F₀₂) будет осуществлена из плеча 2 в плечо 3, при этом в плечо 1 электромагнитная волна не поступает. Передача входных электромагнитных волн в полосе рабочих частот (F₀₁÷F₀₂) будет осуществлена из плеча 3 в плечо 1, при этом в плечо 2 электромагнитная волна не поступает. Входные электромагнитные волны в полосах рабочих частот (F₀₃÷F₀₄) и (F₀₅÷F₀₆) из плеча 1 поступят в плечо 3, из плеча 3 в плечо 2, а из плеча 2 в плечо 1, при этом в плечи 2, 1, 3, соответственно, электромагнитная волна не поступает. Аналогичный процесс имеет место в случае, когда с помощью смены направления внешнего подмагничивающего поля обеспечивается смена направления циркуляции на противоположное - в центральной полосе рабочих частот (F₀₁÷F₀₂) против часовой стрелки, а в боковых полосах рабочих частот (F₀₃÷F₀₄) и (F₀₅÷F₀₆) направление циркуляции будет по часовой стрелке.

Изобретение позволяет организовать работу на одну антенну двух широкополосных передатчиков, либо одного передатчика с двумя разнесенными по частоте широкими полосами рабочих частот и широкополосного приемника, полоса рабочих частот которого расположена между двумя полосами передатчиков, либо приемника с двумя разнесенными по частоте широкими полосами рабочих частот и широкополосного передатчика, полоса рабочих частот которого расположена между двумя полосами приемников, а также подавлять нежелательные составляющие в выходном частотном спектре передатчика.

Для промышленной реализации предлагаемого циркулятора могут быть использованы известные средства и методы, применяемые для изготовления циркуляторов на сосредоточенных элементах.