29.9.2. Фазовые циркуляторы
Обратимся к рис.6.16,б, на котором показана ферритовая пластина в области круговой поляризации магнитного поля в прямоугольном волноводе. При напряженности поля подмагничивания, отличной от резонансного значения (например, соответствующей точке а на рис.29.42.б), поглощение в феррите незначительно, однако ферритовая вставка создает различное замедление для волн, распространяющихся в противоположных направлениях. Обозначим соответствующие коэффициенты фазы β+ и β_. Если длина ферритовой вставки равна то фазы коэффициентов передачи для волн, движущихся во встречных направлениях и проходящих отрезок с подмагниченным ферритом, отличаются на величину невзаимного фазового сдвига Δφ= (β_—β+)l. В частности, длина ферритовой вставки может быть выбрана такой, что Δφ =180°, и тогда секция прямоугольного волновода с ферритом обладает свойствами гиратора (см. табл.29.1).
Невзаимные фазосдвигатели в сочетании с волноводными мостами позволяют строить так называемые фазовые циркуляторы по схеме рис.29.48.а. Два моста СВЧ с равным делением мощности соединяются каскадно, причем в одном или двух соединительных каналах размещаются невзаимные фазосдвигатели. Невзаимные фазовые сдвиги должны быть подобраны в зависимости от типа применяемых мостов (квадратурные или синфазно-прогивофазные) и направления циркуляции.
В циркуляторе, показанном на рис.29.48.б, применены щелевой мост 1 и двойной Т-мост 2, а в соединительных каналах включены невзаимные фазосдвигатели, образованные одинаковыми ферритовыми пластинами 3, расположенными вблизи общей узкой стенки волноводных каналов и поперечно намагниченные от общего постоянного магнита. Фазовые сдвиги в отрезках волноводов с ферритовыми пластинами для волн, распространяющихся в противоположных направлениях, различаются на π/2. При распространении волн в одном направлении, например слева направо, в канале А фазовый сдвиг составляет (-φ0+π/2), а в канале В -φ0. При распространении волн в противоположном направлении в канале А фазовый сдвиг равен -φ0 и в канале В -(φ0+π/2).
Рис.29.48. Фазовый циркулятор на прямоугольном волноводе
При распространении волн в противоположном направлении в канале А фазовый сдвиг равен -φ0 и в канале В -(φ0+π/2). Отсутствие передачи сигналов между входами I и III, а также между входами II и IV обусловлено свойствами развязки мостов. Поданный на вход I сигнал с одинаковыми фазами делится между каналами А и В, и волны, проходящие по этим каналам на вход II, имеют одинаковое запаздывание -(φ0+π/2) и суммируются на этом входе. На вход IV от входа I волны по каналам А и В приходят с фазами -(φ0+π) и -φ0, т.е. оказываются в противофазе и компенсируются.
Сигнал, поданный на вход II, делится между каналами А и В с фазами 0 и -π/2 и получает в этих каналах дополнительное запаздывание -φ0 и -(φ0+π/2) соответственно, так что ко входам двойного Т-моста сигналы приходят в противофазе и суммируются в его Е-ответвлении, т.е. на входе III циркулятора. Аналогично осуществляется передача сигнала со входа III на вход IV и со входа IV на вход I.
Преимуществом фазовых циркуляторов перед циркуляторами на эффекте Фарадея является лучшая широкополосность и способность работать при более высоких мощностях. Последнее объясняется тем, что ферритовые пластины наклеийают на широкие стенки волноводов и этим обеспечивают хороший теплоотвод. Основной недостаток фазовых циркуляторов - увеличенные габариты и масса из-за наличия двух мостов.
Рассмотрим более миниатюрные 6-полюсные циркуляторы. Волноводный Y-циркулятор выполняют на основе Н-плоскостного тройника, в центре которого помещают поперечно-намагниченный ферритовый цилиндр 1 с диэлектрической втулкой 2 (рис.29.49.а). Поле подмагничивания создается внешними дисковыми постоянными магнитами 4. Принцип действия Y-циркулятора состоит в следующем. Поступающая на вход I волна разветвляется на две волны, огибающие феррит с двух сторон. Области существования вращающегося вектора Н для этих волн попадают в ферри-товый образец, причем направления вращения вектора Н относительно направления поля подмагничивания оказываются противоположными. Из-за различия магнитных проницаемостей феррита и волны, огибающие ферритовый образец, имеют различные фазовые скорости. Размеры и параметры ферритовой вставки выбирают таким образом, чтобы эти волны приходили на вход II в фазе, а на вход III - в противофазе. Таким образом, передача колебаний со входа I происходит только на вход II. Так как Y-циркулятор обладает поворотной симметрией, можно утверждать, что будет иметь место передача со входа II на вход III и со входа III на вход I. Диэлектрическая втулка, окружающая ферритовый образец, способствует повышению устойчивости характеристик Y-циркулятора к значению напряженности подмагничивающего поля, а также способствует повышению температурной стабильности. Диэлектрические стержни 3 обеспечивают широкополосное согласование входов.
Наряду с волноводными широко применяются также малогабаритные Y-циркуляторы на полосковых линиях передачи (рис.29.49.б). Принципы действия полосковых и волноводных Y-циркуляторов аналогичны.
Рис.29.49. Волноводный (а) и полосковый (б) У - циркуляторы
Среди различных видов циркуляторов именно Y-циркуляторы получили наиболее широкое распространение. Это объясняется их простотой, малыми габаритами и массой. Y- циркуляторы весьма широкополосны. Рабочая полоса частот волноводных Y-циркуляторов достигает 30%, полосковых - октавы.