Элементы радиотехнических устройств и автоматики, применяемые в ЗРС

1.

Тема № 3:
Элементы радиотехнических устройств
и автоматики , применяемые в ЗРС

2.

Занятие № 3: Элементы СВЧ-трактов с использованием ферритов

3.

Вопрос № 1: Свойства ферритов

4.

Ферритовые приборы применяются на СВЧ как
развязывающие устройства (вентили и циркуляторы), а также
в качестве перестраивающихся фильтров. Их характеристики
и параметры всецело определяются свойствами ферритов,
представляющих собой смеси окислов Fe и других металлов,
например Mn, Co, Ni, Zn, Cd, Mg. Ферриты имеют вид
керамики, с трудом поддаются механической обработке,
обладают большими удельным сопротивлением (свыше
диэлектрической
относительной
и
106 Ом*см)
). Потери ферритов малы
проницаемостью (
отсутствии
в
поэтому
),
(
подмагничивания они практически «радиопрозрачны» для
колебаний СВЧ.

5.

Ферриты могут иметь монокристаллическую или
поликристаллическую структуру. Монокристаллы ферритов
многогранники с
представляют собой правильные
упорядоченным строением кристаллической решетки во всем
объеме, поликристаллический феррит состоит из большого
числа сросшихся, хаотически расположенных мелких
кристаллов.
Образец феррита имеет малые области, называемые
доменами, каждый из которых намагничен до насыщения.
Векторы напряженности доменов в обычных условиях
ориентированы беспорядочно, поэтому образец в целом
может быть не намагниченным.

6.

Тепловое движение нарушает ориентацию магнитных
моментов электронов. Поэтому с ростом температуры
намагниченность доменов уменьшается и при температуре
Кюри
она исчезает в следствии полной
дезориентации магнитных моментов.
Если феррит поместить в постоянное внешнее
подмагничивающее поле напряжённостью
, то магнитные
моменты электронов будут стремиться ориентироваться по
внешнему полю. При этом ось вращения электронов будет
описывать поверхность конуса, то есть совершать прецессию
рис.27. При смещении направления поля изменяется и
направление прецессии.

7.

Рисунок 27. Прецессия магнитного момента в постоянном
магнитном поле

8.

Если в этих условиях на электроны воздействует ещё
и переменное магнитное поле, вектор
, которого вращается
по часовой стрелке (если смотреть вдоль
), и частота
внешнего поля совпадает с частотой прецессии
,
где
–
гиромагнитная
постоянная;
– измеряется в .
Наступает ферромагнитный резонанс, проявляющийся в
резком увеличении потерь в поликристаллической структуре
феррита.

9.

В монокристаллах потери при резонансе невелики. Это
явление позволяет рассматривать отдельные электроны, их
совокупность в домене, а также ферритовый образец в целом
как колебательные системы с малой или большой собственной
добротностью. При увеличении напряжённости поля
до
10000 и более частота
соответствует диапазону
СВЧ. Если поле
вращается против часовой стрелки, то
ферромагнитный
резонанс
отсутствует
и
волна,
соответствующая такому полю, проходит через феррит
практически без потерь.

10.

Свойства
намагниченной
ферритовой
среды,
различные для СВЧ полей с противоположным направлением
вращения вектора
, учитывают, вводя два значения
магнитной проницаемости:
для волн с правым (по часовой
стрелке) вращением вектора
вращением
и
для волн с левым
. Различное значение
различию коэффициентов фазы
и
приводит к
и
и,
следовательно, фазовых скоростей волн с Н~ правого и левого
вращения.
При учёте потерь в феррите его магнитная
проницаемость оказывается комплексной
, где
мнимая часть
характеризует потери электромагнитной
энергии поля СВЧ. Обычно рассматривают зависимости
не
от
частоты,
а
от
величины
и
и
направления
намагничивающего поля
, изменение которых позволяет
регулировать параметры ферриты.

11.

Зависимость
и
от
величины
подмагничивающего поля (при постоянной частоте СВЧ поля)
показаны на рис. 28.
Рисунок 28. Зависимость составляющих
и
величины подмагничивающего поля
от

12.

Как видно из рис. 28, при магнитном поле
соответствующем ферромагнитному резонансу, имеется
максимум мнимой составляющей магнитной проницаемости
феррита для волн с круговой поляризацией правого вращения,
что соответствует максимуму активных потерь. При отходе от
резонанса потери резко уменьшаются. Для волны с левым
вращением потери не имеют максимума и оказываются на
несколько порядков меньше, чем для волны с правым
вращением.

13.

Это явление можно объяснить следующим образом. В
случае правой поляризации при
частота вращения
вектора
переменного
поля
относительно
вектора
намагниченности (рис.27) равна
.
Физически это означает, что частота вынужденных колебаний
совпадает с собственной частотой системы – прецессирующих
электронов. Внешнее воздействие в данном случае
осуществляется все время в такт с собственными
колебаниями, за счёт чего в системе возникает резонанс.

14.

Физически это означает, что частота вынужденных колебаний
совпадает с собственной частотой системы – прецессирующих
электронов. Внешнее воздействие в данном случае
осуществляется все время в такт с собственными
колебаниями, за счёт чего в системе возникает резонанс.
Энергия высокочастотного поля расходуется на увеличение
угла прецессии ψ (рис. 27). Так как нарастание вынужденной
прецессии ограничено магнитным трением, то энергия,
непрерывно подводимая от высокочастотного магнитного
поля, рассеивается в кристаллической решётке феррита

15.

Для левополяризованных колебаний при
частота вращения вектора переменного поля относительно
вектора намагниченности равна
, следовательно
никаких резонансных явлений не будет. Поглощения энергии
в феррите не происходит, так как механический момент,
действующий на электроны, не остаётся постоянным, а
изменяется с удвоенной частотой сигнала.
Таким образом, при
волна с правым
вращением вектора магнитного поля значительно ослабляется
по мере движения вдоль намагниченного феррита, в то время
как волна с левым вращением проходит почти без ослабления.
Явление поглощения волны правой круговой поляризации в
намагниченном
феррите
при
называется
ферромагнитным резонансом и используется наряду с
другими необратимыми явлениями в волноводных
устройствах.

16.

Вопрос № 2: Ферритовые вентили

17.

Вентиль представляет собой устройство, которое
пропускает сигнал в прямом направлении и поглощает
сигнал, распространяющийся в обратном направлении.

18.

вентиля
волноводного
элементом
Основным
резонансного типа (рис. 29, а) является ферритовая пластина,
находящаяся в постоянном подмагничивающем поле H 0 и
помещенная в сечение а – x1 (рис. 29, б), в котором поле H ~
имеет круговую поляризацию. При
основной волны
по волноводу в направлении
распространении волны
координаты (–z), т.е. к читателю, вектор H ~ магнитного поля
будет вращаться по часовой стрелке, если смотреть вдоль .
соответствует области III (см. рис. 28, б) и
Если при этом
, то
для рабочей частоты выполняется условие
распространение такой волны будет сопровождаться
потерями электромагнитной энергии за счет поглощения ее
ферритом.

19.

Рисунок 29. Ферритовый вентиль резонансного типа

20.

Ослабление волны, распространяющейся в обратном
направлении вдоль координаты z (от читателя), будет
незначительным, так как ее вектор H ~ вращается против
часовой стрелки и
мало (рис. 29, б).
В вентиле со смещением поля на ферритовую
пластину, расположенную у боковой стенки волновода,
наносят пленку из поглощающего материала (рис. 30).
Поясним принцип работы такого вентиля, считая, что в
волноводе распространяются волны в прямом (вдоль
координаты z) и обратном направлениях (направления
распространения на рис. 30 указаны стрелками).

21.

Рисунок 30. Устройство вентиля со смещением поля (а) и
распространение в нём прямой и обратной волн (б)

22.

Если протяженность постоянного магнитного поля
H 0 соответствует области II (см. рис. 28, а), в которой
, то структура поля волны
, распространяющейся вдоль
координаты z с правым вращением вектора
, сильно
искажается. Подбором толщины ферритовой пластины и ее
параметров добиваются получения минимума электрического
поля этой волны в области поглощающей пленки. Поэтому
прямая волна проходит через вентиль с малым затуханием
(рис. 30, а).

23.

Вопрос № 3: Циркуляторы

24.

Циркуляторы Y- и X- типа. Различие в
подмагниченных ферритах фазовых скоростей волн, для
которых направления вращения вектора
противоположны,
позволяет создать простые по устройству, компактные трех- и
четырехплечевые циркуляторы (рис. 28). Они представляют
собой торцевое соединение трех (четырех) полосковых линий
или волноводов в плоскости Н под углом 120 (90 ). В центре
соединения
устанавливается
ферритовый
диск
5,
находящийся в постоянном поле дискового магнита 6.

25.

Принцип работы волновых циркуляторов поясним с помощью
рис. 31, а. Волна
, поступающая на вход циркулятора по
волноводу 1, преобразуется в области феррита в две волны,
которые обегают диск навстречу друг другу, одна по часовой
стрелке, другая против нее. Направления вращения вектора
образовавшихся волн противоположны (в точках А и В),
поэтому их фазовые скорости при подмагничивании феррита
однородным полем
, различны:
. Параметры
феррита и напряженности поля подбирают так, чтобы обе
волны приходили к волноводу 2 в фазе, а к волноводу 3 в
противофазе.

26.

При этом электромагнитная энергия будет поступать из
волновода 1 в волновод 2 и не попадать в волновод 3.
Аналогичным образом поясняется прохождение энергии из
плеча 2 в плечо 3, из плеча 3 в плечо 1 и принцип работы
четырехплечевого X-циркулятора (рис. 31, б). Заметим, что Xциркуляторы могут быть получены также соединением двух
Y-циркуляторов (рис. 31, в). Потери циркуляторов в прямом
направлении составляют
дБ, в обратном (развязка)
– свыше
дБ.

27.

Рисунок 31. Υ- и Χ-циркуляторы: а, б – конструкция; в - Χциркулятор на основе Υ-циркуляторов; г - применение Χциркулятора

28.

Циркуляторы, в частности, используются для развязки
приемника от передатчика при работе на одну антенну и для
подключения (рис. 31, г) входных малошумящих усилителей
(МШУ). Циркуляторы с изменяемым направлением
подмагничивающего поля
могут использоваться как
переключатели на два канала. Подключая к одному из плеч Yциркулятора согласованную нагрузку, получают вентиль.

29.

Вопрос № 4: Фазовращатели на ферритах и полупроводниках

30.

Устройства, с помощью
которых можно
регулировать фазу проходящей электромагнитной волны,
называются фазовращателями (рис. 32).
Рисунок 32. Фазовращатель

31.

Они находят широкое применение в технике СВЧ и
антенной технике и выполняют различные функции. Это,
например, плавное или дискретное изменение фазы колебаний
в одном сечении линии передачи относительно фазы
колебаний в другом сечении этой же линии или изменение
фазы колебаний в одном канале линии передачи по
отношению к фазе колебаний в другом канале. Фазовращатели
также находят применение: для создания сдвига фаз волн
разных типов, разных поляризаций; для создания волн,
распространяющихся в противоположных направлениях; для
поддержания разности фаз при изменении внешних условий и
т.д.

32.

Появление
фазовращателей
с
высоким
быстродействием сделало возможным создание нового класса
антенн – фазированных антенных решеток (ФАР).
Принцип работы фазовращателей основан:
,
где
l – геометрическая длина отрезка;
– длина волны поля в этом отрезке;
на изменении волновой длины
передачи
на включении в линию передачи сосредоточенной
реактивности (в общем случае регулируемой).
отрезка
линии

33.

Применительно к волноводам предыдущее выражение
имеет вид
,
где
(1.9)
– длина волны в свободном пространстве;
– длина волны в неограниченной среде, имеющей
такие же параметры , , что и среда, заполняющая
волновод.

34.

Как видно, при неизменной длине волны генератора (
) изменение фазы колебаний в одном сечении
линии передачи относительно фазы в другом сечении этой же
линии обеспечивается изменением ее геометрической длины l
либо критической длины
за счет изменения размеров
поперечного сечения, а также изменением значения и при
введении
в
волновод
диэлектрической
или
магнитодиэлектрической
пластины.
Фазовращатели,
основанные на механическом изменении своих параметров,
называются механическими. Управление фазой можно
осуществлять также путем изменения эффективных значений
, , , имеющихся внутри волновода сред, параметры
которых зависят от величины и направления приложенных
внешних управляющих полей или токов. Фазовращатели,
использующие управление такого типа, называются
электрически (или электронно) управляемыми.

35.

Рассмотрим отдельные конструкции механически и
электрически управляемых фазовращателей.
Механические фазовращатели
Простейшим механическим фазовращателем является
фазовращатель тромбонного типа – отрезок волновода с
регулируемой длиной (рис. 33). Изменение фазы проходящей
волны достигается за счет перемещения подвижной секции.
При перемещении подвижной секции на величину l длина
волновода увеличивается на 2l и фазовый сдвиг
.

36.

Рисунок 33. Фазовращатель тромбонного типа

37.

Тот же принцип используется в фазовращателе, в основу
которого положен волноводно-щелевой мост (рис. 34). В этом
фазовращателе фаза изменяется при распространении
электромагнитной волны к поршню и от него и на выходе
фазовый сдвиг определяется удвоенным расстоянием, на
которое перемещены поршни.
Рисунок 34. Фазовращатель на основе волноводно-щелевого
моста

38.

Часто на практике применяются фазовращатели, у
которых
изменение
фазы
колебаний
достигается
перемещением диэлектрической пластины в поперечном
направлении прямоугольного волновода с волной
(рис.
35). Когда пластина находится у боковой стенки волновода,
она
практически
не
влияет
на
распространение
электромагнитной
волны
в
волноводе.
Введение
диэлектрической пластины в волновод эквивалентно
заполнению его сплошной средой с некоторой эффективной
диэлектрической проницаемостью
. Изменения
положения пластины в волноводе приводит к изменению
волновой длины и, следовательно, к плавному изменению
фазы проходящей волны. Для улучшения согласования длина
пластины выбирается примерно кратной целому числу
полуволн, а края ее заостряются.

39.

Рисунок 35. Фазовращатель с диэлектрической пластиной
Механические фазовращатели имеют большую
точность установки фазы, малую зависимость от внешних
условий, но скорость изменения фазы низка.

40.

Фазовращатели с электронным управлением
Электрически
управляемый
фазовращатель
представляет собой волноводный узел (двухполюсник или
четырехполюсник) со средой, параметры которой можно
регулировать изменением внешнего электрического или
магнитного поля. В качестве таких сред в диапазоне СВЧ
наиболее часто используются ферриты (изменяется магнитная
проницаемость
) и полупроводники (изменяется
проводимость ). Поэтому по типу среды, обеспечивающей
фазовый сдвиг, фазовращатели делятся на ферритовые и
полупроводниковые.

41.

Фазовращатели
с
электронным
управлением
позволяют изменять фазу электромагнитной волны
непрерывным или дискретным образом. В соответствии с
этим различают непрерывные (аналоговые) и дискретные
(коммутационные)
фазовращатели.
Кроме
того,
фазовращатели бывают проходного и отражательного типов.
В отражательных фазовращателях выходное плечо волновода
закорочено и волна дважды проходит управляемый участок,
приобретая удвоенный фазовый сдвиг по сравнению с
проходным фазовращателем.

42.

Ферритовые фазовращатели
Принцип действия фазовращателей основан на
изменении магнитной проницаемости участка ферритовой
среды в волноводе под действием магнитного поля.
Изменение магнитной проницаемости феррита приводит к
изменению коэффициента фазы и, следовательно, к
изменению фазы проходящей волны.
Фазовращатели, управляемые поперечным магнитным
полем, представляют собой отрезок волновода, внутри
которого вдоль его оси помещена ферритовая пластина,
намагниченная в поперечном направлении. Конструктивно
фазовращатели могут быть выполнены на прямоугольном,
коаксиальном и полосковом волноводах, могут быть
проходного и отражательного типов, непрерывного и
дискретного действия. В зависимости от положения
ферритовой пластины относительно оси волновода фазовый
сдвиг может быть обратимым или необратимым.

43.

В соответствии с этим фазовращатели называются
взаимными или невзаимными. Во взаимных фазовращателях
фазовые сдвиги прямой и обратной волны одинаковы, в
невзаимных – различны.
Рассмотрим принцип построения фазовращателей,
использующих указанные эффекты на прямоугольном
волноводе с волной
.

44.

Невзаимный
фазовращатель.
Простейшая
конструкция невзаимного фазовращателя на прямоугольном
волноводе представлена на рис. 36. По отношению к
падающим и отраженным волнам ферритовая пластина,
смещенная относительно оси волновода, ведет себя, как среда
с различной магнитной проницаемостью.
Рисунок 36. Фазовращатель на прямоугольном волноводе.

45.

Разные условия распространения падающих и
отраженных волн приводят к тому, что эти волны имеют
различные фазовые постоянные (
). Поэтому
изменение фазы волны при прохождении феррита будет
различным для падающей и отраженной волн. Невзаимный
(разностный) фазовый сдвиг, обусловленный разностью фаз
волн,
распространяющихся
в
противоположных
направлениях, зависит от положения пластины в волноводе.
Если ферритовая пластина помещена в таком сечении
волновода, где имеется круговая поляризация магнитного
поля проходящей волны, то взаимодействие одной из волн
(падающей или отраженной) с ферритом будет наиболее
интенсивно, другая же волна будет взаимодействовать с
ферритом слабо. За счет этого достигаются сравнительно
большие величины фазового сдвига
.

46.

Лучшими параметрами обладают фазовращатели с
двумя
пластинами,
расположенными
симметрично
относительно оси волновода и намагниченными в
противоположных направлениях (рис. 37). В этом случае
сохраняется симметрия конструкции и поля, что улучшает
согласование фазовращателя с волноводным трактом.
Рисунок 37. Фазовращатель с двумя пластинами.

47.

Взаимный
фазовращатель.
У
взаимного
фазовращателя с регулируемым фазовым сдвигом ферритовая
пластина помещается в центр волновода, где магнитное поле
поляризовано линейно. В этом случае эквивалентная
магнитная проницаемость феррита одинакова для падающих
и отраженных волн. Следовательно, одинаковы и
коэффициенты фазы
и
. Поэтому волны, проходящие
через феррит в прямом и обратном направлении, приобретают
одинаковый фазовый сдвиг, обусловленный изменением
магнитной проницаемости феррита в зависимости от
подмагничивающего поля. В заключении приведем
усредненные значения параметров волноводных ферритовых
фазовращателей (табл. 1).

48.

Таблица 1. Параметры волноводных ферритовых
фазовращателей
Параметры
Значение параметра для
фазовращателей
С продольным С поперечным
магнитным
магнитным
полем
полем
1
1
0,1 – 1
2–5
10
5
Вносимые потери, дБ
Время переключения, мс
Фазовая ошибка, град
Управляющая
18
мощность, Вт
Пропускаемая мощность СВЧ:
Импульсная, кВт
100
Средняя, Вт
600
2
75
400

49.

Рассмотренные
фазовращатели
обеспечивают
изменение фазы в пределах
.
Достоинством ферритовых фазовращателей является
высокий уровень пропускаемой мощности. Однако они имеют
и существенные недостатки: нестабильность и нелинейность
фазового сдвига, большую массу и габариты магнитных
систем, большую величину мощности управления.

50.

Полупроводниковые фазовращатели
Для полупроводниковых фазовращателей разработаны
конструкции
диодов,
которые
приспособлены
к
микрополосковым,
коаксиальным
и
прямоугольным
волноводам и называются p-i-n-диодами. p-i-n-диод имеет
структуру, показанную на рис. 38, б и является
коммутативным диодом. На его электроды подаются
одновременно два сигнала
и
. По отношению к
управляющему
напряжению
p-i-n-диод
является
быстродействующим и за время порядка 10-9 сек, i-область
насыщается электронами и дырками, диод открывается. По
отношению к СВЧ сигналу p-i-n-диод является инерционным.
За время действия отрицательной полуволны сигнала СВЧ,
электроны и дырки не успевают рассосаться из i-области
(размеры i-области таковы, что за время действия
отрицательной полуволны электроны и дырки не успевают
пройти такое расстояние).

51.

Рисунок 38. Включение диода в полосковый волновод (а):
1 – p-i-n-диод; 2 – разделительный конденсатор
;3–
основание полоскового волновода. Эквивалентная схема (б)

52.

Проходной фазовращатель на переключаемых
отрезках линий.
Фазовращатель выполняется на микрополосковых
волноводах. Принципиальная схема показана на рис. 39.
Диоды
включены непосредственно в линию передачи
на расстоянии
от тройников Тр. 1 и Тр. 2. Скачки фазы
определяются разностью геометрических длин отрезков
линий l1 и l2, диоды в которых попарно находятся либо в
открытом, либо в закрытом состоянии.

53.

Рисунок 39. Проходной фазовращатель на переключаемых
отрезках микрополосковых волноводов

54.

Если диоды , находятся в открытом состоянии, то
низкое сопротивление диода шунтирует линию в этом
сечении.
За
счет
отрезка
это
сопротивление
трансформируется в тройниковых соединениях в высокое
входное сопротивление, в результате чего плечо l1
отключается. Другая пара диодов ,
находится в закрытом
состоянии и мощность со входа попадает на выход через плечо
l2. Фаза волны определяется длиной отрезка
.
Если изменить состояние диодов на противоположные, фаза
волны будет определяться длиной отрезка
.
Скачок фазы
. Последовательное
соединение n звеньев дает 2n дискретов фазы.

55.

Фазовращатель отражательного типа. Данный
фазовращатель
выполняется
на
прямоугольных,
коаксиальных и полосковых волноводах. Обобщенная схема
фазовращателя приведена на рис. 40. Изменение фазы
достигается
путем
включения
и
отключения
короткозамкнутого отрезка волновода l. Фаза изменяется на
пути к короткозамкнутому отрезку и обратно. Скачок фазы
зависит от волновой длины короткозамкнутого отрезка. Если
диод открыт, то низкое его сопротивление шунтирует линию
в этом сечении, и значение фазы волны равно . Если диод
закрыт, то сопротивление диода велико, электромагнитная
волна отражается не от диода, а от сечения короткого
замыкания, а фаза
. Таким образом, фазовый
сдвиг равен:

56.

Рисунок 40. Отражательный фазовращатель, управляемый
полупроводниковым диодом
Рассмотренные
фазовращатели
классификации относятся к первой группе.
по
указанной

57.

Проходной фазовращатель на 3–дБ направленном
ответвителе. Основными элементами фазовращателя
являются 3–дБ направленный ответвитель (двухшлейфный
мост) и фазовращатели отражательного типа (рис. 41).
Рисунок 41. Фазовращатель на основе двухшлейфного моста

58.

Согласно свойствам моста электромагнитная волна,
поступающая во входное плечо 1, делится на две волны
одинаковой амплитуды, но сдвинутые по фазе на 90 (рис. 42).
В плечах 3 и 4 волны отражаются от фазовращателей и
проходят в плечи 1 и 2. В плече 1 эти волны складываются в
противофазе, поэтому

59.

В выходном плече 2 волны складываются в фазе:
Рисунок 42. К пояснению принципа действия фазовращателя
на основе двухшлейфного моста
В зависимости от состояния диодов электромагнитная
волна в плече 2 приобретает один из возможных фазовых
) или
сдвигов: диоды находятся в закрытом состоянии (
.
диоды открыты, то