Т-циркулятор

Предлагаемое изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в волноводных трактах передатчиков, приемников, антенн РЛС для направленной передачи электромагнитных волн.

Известна конструкция Т-циркулятора [А.Л. Микаэлян. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах. Госэнергоиздат, 1963 г., стр. 582, рис. 10-63, 10-64], содержащая симметричное волноводное Т-разветвление в Н-плоскости, согласующий клин, круглый цилиндрический ферритовый вкладыш, размещенный симметрично относительно плоскости симметрии Т-разветвления, диаметрально пересекающей его, и магнитную систему. Его недостатки состоят в узкой полосе рабочих частот и низкой электропрочности.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является конструкция Т-циркулятора [Патент на полезную модель RU 109333 U1, опубликован: 10.10.2011], содержащая симметричное волноводное Т-разветвление в Н-плоскости, согласующий металлический клин, три цилиндрических ферритовых вкладыша, выполненных в виде двух дисков, и магнитную систему.

Недостатком такой конструкции Т-циркулятора является узкая полоса рабочих частот, что определяется резким изменением диэлектрической проницаемости на границе воздух (ε=1) - феррит (ε≈12÷44) (при воздушном заполнении волноводного Т-разветвления).

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей Т-циркулятора.

Технический эффект предлагаемого изобретения состоит в повышении тепловой и электрической прочности при расширении полосы рабочих частот Т-циркулятора.

Сущность предлагаемого Т-циркулятора состоит в том, что он содержит симметричное волноводное Т-разветвление в Н-плоскости, согласующий металлический клин, три ферритовых вкладыша и магнитную систему.

Новым в предлагаемом Т-циркуляторе является то, что каждый ферритовый вкладыш выполнен в виде двух трехгранных равносторонних ферритовых призм, которые соосно установлены на противоположных широких стенках волноводного Т-разветвления в Н-плоскости, в областях круговой поляризации. При этом каждая трехгранная равносторонняя ферритовая призма ориентирована одной боковой гранью ортогонально к плоскости симметрии волноводного Т-разветвления в Н-плоскости и одним боковым ребром в сторону согласующего металлического клина.

На фиг. 1 приведено схематичное изображение предлагаемого Т-циркулятора.

Т-циркулятор состоит из: симметричного волноводного Т-разветвления в Н-плоскости, образованного средним волноводным каналом (1) и двумя боковыми волноводными каналами (2) и (3), согласующего металлического клина (4), трех ферритовых вкладышей (5), (6), (7), выполненных в виде двух трехгранных равносторонних ферритовых призм, соосно установленных на противоположных широких стенках волноводного Т-разветвления в Н-плоскости таким образом, что все призмы ориентированы одной боковой гранью ортогонально к плоскости симметрии волноводного Т-разветвления и одним боковым ребром в сторону согласующего металлического клина (4) и магнитной системы (8).

Т-циркулятор работает следующим образом: поле волны Н₁₀, возбужденной, например, в среднем волноводном канале (1) Т-циркулятора, достигнув симметричного волноводного Т-разветвления, возбуждает в боковых волноводных каналах (2) и (3) первичные волны Н₁₀. В силу симметрии волноводного Т-разветвления первичные волны в боковых волноводных каналах (2) и (3) равны по амплитуде и синфазны. Одновременно волна Н₁₀, пришедшая из среднего волноводного канала (1), возбуждает намагниченные ферритовые вкладыши (5) и (6), расположенные в симметричном волноводном Т-разветвлении симметрично справа и слева от плоскости, проходящей через средние линии широких стенок среднего волноводного канала (1), и ферритовый вкладыш (7), пересекаемый этой плоскостью. Особенностью возбуждения ферритовых вкладышей (5) и (6) и правой и левой частей ферритового вкладыша (7) состоит в том, что магнитная составляющая поля СВЧ волны Н₁₀ с одной стороны от плоскости, проходящей через средние линии широких стенок среднего волноводного канала (1), и с другой стороны от этой плоскости - имеют встречную (правую и левую) круговую поляризацию. Величина магнитной проницаемости одинаково намагниченных ферритовых вкладышей различна для право- и левополяризованных волн, т.е. для левого (5) и правого (6) ферритовых вкладышей, и для левой и правой частей ферритового вкладыша (7), пересекаемого плоскостью, проходящей через средние линии широких стенок среднего волноводного канала (1) (плоскостью симметрии Т-циркулятора). Это приводит к тому, что левый и правый ферритовые вкладыши (5) и (6) и левая и правая части ферритового вкладыша (7) по-разному (асимметрично) воздействуют на симметричное поле волны Н₁₀ в симметричном волноводном Т-разветвлении. Это вызывает возбуждение волны Н₂₀ в волноводном Т-разветвлении, переизлученной ферритовыми вкладышами (5), (6) и (7). В силу симметричного расширения волноводного Т-разветвления, размер поперечного сечения допускает существование волны Н₂₀. Таким образом, имеют место необходимое и достаточное условия существования волны Н₂₀ в симметричном волноводном Т-разветвлении, противофазно возбуждающей боковые волноводные каналы (2) и (3). В результате при равенстве амплитуд первичной волны Н₁₀ и вторичной волны Н₂₀, а также при их синфазности в одном из боковых волноводных каналов, например, в волноводном канале (2), поле волны Н₁₀ и поле волны Н₂₀ (переизлученной ферритовыми вкладышами) будут складываться, а в другом волноводном канале (3) - вычитаться. То есть энергия волны, возбужденной в среднем волноводном канале (1), будет полностью передаваться в волноводный канал (2). Одновременно противофазность и равенство амплитуд первичной и вторичной волн в боковом волноводном канале (3) приводят к их взаимной компенсации и обеспечивают развязку этого волноводного канала.

При возбуждении симметричного волноводного Т-разветвления волной Н₁₀ со стороны одного из боковых волноводных каналов, например, волноводного канала (2), симметрия волноводного Т-разветвления в Н-плоскости отсутствует. Однако, в силу граничных условий на его стенках и принципа взаимности, непосредственно в согласованном волноводном Т-разветвлении возбуждается поле, по структуре аналогичное волне Н₁₀, повторяющее структуру поля, возбуждаемого в волноводном Т-разветвлении со стороны среднего волноводного канала (1). В результате в волноводах среднего волноводного канала (1) и бокового волноводного канала (3) возбуждаются равные по амплитудам синфазные первичные волны Н₁₀. Так же, как и при возбуждении со стороны среднего волноводного канала (1), при возбуждении электромагнитного поля со стороны бокового волноводного канала (2) все три одинаково намагниченных ферритовых вкладыша: левый (7), правый (5) и левая и правая половины вкладыша (6) возбуждаются электромагнитным полем со встречной круговой поляризацией - левого и правого направлений. В связи с этим величина магнитной проницаемости ферритовых вкладышей различна, и соответственно переизлученное ими вторичное поле слева и справа по направлению его распространения антисимметрично (по поляризации вектора Е), т.е. аналогично полю волны Н₂₀ (вторичная волна). Размеры волноводного Т-разветвления в Н-плоскости за счет протяженности среднего волноводного канала (1) в направлении его продольной оси допускают существование волны, аналогичной волне Н₂₀. Это приводит к тому, что в одном из волноводных каналов, например, волноводном канале (1), поля первичной и вторичной волн синфазны и складываются, а в другом волноводном канале (3) - противофазны и вычитаются. При синфазности и равенстве амплитуд полей первичной и вторичной электромагнитных волн в волноводном канале (1) энергия волны, возбужденной в волноводном канале (2), будет полностью передаваться в волноводный канал (1). Одновременно противофазность и равенство амплитуд первичной и вторичной электромагнитных волн в волноводном канале (3) приводят к их взаимной компенсации, что обеспечивает развязку волноводного канала (3). Аналогичным образом будет осуществляться передача энергии электромагнитных волн при возбуждении Т-циркулятора со стороны волноводного канала (3) при сохранении направления магнитного поля, намагничивающего ферритовые вкладыши (5), (6), (7). Т.е. будет осуществляться последовательность передачи энергии электромагнитных волн из канала в канал 1→2→3→1. При изменении направления поля, намагничивающего ферритовые вкладыши на встречное направление, передача волн изменится на обратное: 1→3→2→1.

В предлагаемой конструкции Т-циркулятора расширению полосы рабочих частот способствует изменение конфигурации ферритовых вкладышей - постепенное увеличение сечения от боковых ребер трехгранных равносторонних ферритовых призм к их центру, и неполное заполнение волновода по высоте ферритовыми вкладышами. Это влечет за собой уменьшение эффективной диэлектрической проницаемости вкладышей и ее плавное изменение от боковых ребер к центру. Одновременно трехгранные равносторонние ферритовые призмы, установленные в области круговой поляризации, на периферии трехплечего волноводного Т-разветвления преобразуют часть энергии электромагнитного поля волны Н₁₀ в электромагнитное поле волны Н₂₀, что приводит к снижению концентрации напряженности поля в центре Т-разветвления и постепенному изменению эффективной диэлектрической проницаемости на границе сред - воздух-феррит (при воздушном заполнении волноводного Т-разветвления), тем самым увеличивая его электропрочность. Расположение ферритовых вкладышей на противоположных широких стенках волноводного Т-разветвления в Н-плоскости улучшает теплоотдачу (теплоотвод) от ферритовых деталей и тем самым повышает тепловую и электрическую прочности Т-циркулятора при высоких значениях мощности.