Как работает ферритовый циркулятор

Ферритовый циркулятор (ФЦ)

Качественные показатели ЛБВ оцениваются с помощью совокупности параметров и характеристик. Основными из них являются:

• рабочая полоса частот;
• тип замедляющей системы;
• напряжение и ток коллектора;
• напряжение и ток анода;
• напряжение и ток ЗС;
• коэффициент усиления;
• выходная мощность;
• коэффициент полезного действия.

3.3. Устройства распределения мощности СВЧ сигнала.

В ВЧ трактах станции спутниковой связи (ССС) используются элементы СВЧ предназначенные для распределения мощности СВЧ сигналов. К ним относятся:

• ферритовые циркуляторы;
• направленные ответвители;
• СВЧ – мосты.

ФЦ- представляет собой коаксиальный или волноводный тройник, внутри которого располагается ферритовый вкладыш, находящийся в постоянном магнитном поле.

В зависимости от диапазона частот используются:

• коаксиальные циркуляторы (ФЦК) — 1.5-2.1 ГГц;
• волноводные циркуляторы (ФЦВ) — 3.4-11.7 ГГц.

Циркуляторы, имеющие три плеча, называют Y-циркуляторами (рис.13).

рис.13

Основным свойством циркулятора является то, что СВЧ сигнал, поступающий в плечо I, выходит через плечо II. Сигнал, поступающий в плечо II, выходит через плечо III, а поступающий в плечо III, выходит через плечо I.

Действие ферритового циркулятора основывается на явлении поперечного магнитного резонанса, или эффекта смещения поля в ферритах.

Ферриты представляют собой материал с кристаллической структурой, получаемой спеканием окиси железа с окислами никеля, цинка, магния, хрома меди и других металлов.

По внешним признакам ферриты имеют сходство с керамикой и обладают большой твердостью.

На СВЧ при отсутствии постоянного магнитного поля начальная магнитная проницаемость феррита близка к единице.

Анизотропные свойства феррита проявляются при внесении в его поле постоянного магнита.

Устройство коаксиального циркулятора представлено на рис.14.

рис.14

Постоянной магнитное поле создается двумя магнитами, расположенными снаружи по обе стороны полоскового тройника. Путем подбора геометрических размеров и параметров вкладыша, а также регулировкой напряженности магнитного поля получают необходимые электрические параметры циркулятора в заданной полосе частот. Поступая на вход циркулятора волна дифрагирует на ферритовом вкладыше и возбуждает равные по амплитуде поверхностные волны, огибающие феррит в противоположных направлениях. При этом фазовые скорости поверхностных волн оказываются разными.

Подбирая диаметр феррита и величину напряженности поля постоянного магнита можно при сложении поверхностных волн обеспечить расположение пучности напряженности электрического поля в центре одного плеча, а узла напряженности в центре другого плеча. Этим обеспечивается, что энергия из первого плеча передается во второе и не поступает в третье.

Y-циркулятор

Y-циркулятор (название Y-циркулятор происходит из-за внешнего сходства разветвления волноводов с буквой Y) благодаря своим исключительно малым габаритам и хорошим электрическим параметрам нашел в технике СВЧ широчайшее применение. В настоящее время Y-циркуляторы разработаны для очень широкого диапазона волн: известны устройства для диапазона волн А, = 2 мм и = 15м.

Рассмотрим волноводный Y-циркулятор, конструктивно представляющий собой (рис. 2.24) сочленение трех волноводов, соединенных между собой в плоскости Н под углом 120°.

Принцип действия Y-циркулятора состоит в следующем. Основная волна #ю прямоугольного волновода

поступающая на вход 1 Y-циркулятора, разветвляется на две волны, огибающие феррит с двух сторон: в направлении точки В; в направлении точки С.

При этом справа (в направлении точки Q от середины волновода (рис. 2.24) магнитное поле будет иметь правую, а слева (в направлении точки В) — левую круговую поляризацию. Намагниченный феррит для волн с правой и левой круговой поляризацией обладает различной магнитной проницаемостью, а значит, и различными коэффициентами фазы:

Рис. 2.24. Конструкция волноводного Y-циркулятора

В точке В результирующее ЭМП Е₂ будет определяться суперпозицией двух электромагнитных волн:

где l_AB=—nr — расстояние, проходимое ЭМВ, огибающей феррит слева; 4

1_АСВ =— кг — расстояние, проходимое ЭМВ, огибающей феррит справа.

При этом разность Дф фаз ЭМВ определяется по следующему выражению:

Из анализа полученного выражения следует, что разность Дф фаз в точке В зависит от следующих величин: частоты со электромагнитной волны; радиуса г ферритового цилиндра; абсолютной диэлектрической проницаемости среды е_Л, в которой распространяется ЭМВ; напряженности подмагничивающего поля (значения р + и р’).

Изменяя напряженность подмагничивающего поля , добиваются (для каждого значения частоты со), чтобы волны Е_АВ и Е_АСв в точку В приходили в фазе, т. е.

При этом в точке В, а значит, и в плече 2 будет результирующее ЭМП

Аналогично в точке С результирующее ЭМП Е_ъ будет определяться суперпозицией двух электромагнитных волн:

где 1_АС= —кг — расстояние, проходимое ЭМВ, огибающей феррит справа; 4

1_АВС = — кг — расстояние, проходимое ЭМВ, огибающей феррит слева. Разность фаз ЭМВ

Подставляя в полученное выражение условие, при котором волны в точке В складываются в фазе, получаем, что разность фаз волн Е_АВс и Е_АС

в точке С Аср = пп, т. е. волны приходят в противофазе. При этом в точке С, а значит, и в плече 3 будет результирующее ЭМП Е_ъ — 0.

Таким образом, ЭМВ из плеча 1 поступает в плечо 2 и не поступает в плечо 3.

Используя аналогичные рассуждения, можно утверждать следующее:

• • из плеча 2 ЭМВ будет поступать в плечо 3 и не будет поступать в плечо 1;
• • из плеча 3 ЭМВ будет поступать в плечо 1 и не будет поступать в плечо 2.

Диэлектрическая втулка, окружающая ферритовый цилиндр, способствует повышению температурной стабильности и устойчивости характеристик Y-циркулятора к изменению величины подмагничивающего поля.

Для обеспечения широкополосного согласования входов в Y-цир- кулятор вставляют диэлектрические стержни (рис. 2.25), расположенные симметрично относительно оси плеч.

Рис. 2.25. Волноводный Y-циркулятор с диэлектрическими стержнями

4 Управляющие и невзаимные устройства СВЧ. Антенные переключатели. Ферритовые вентили и циркуляторы

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про устройства свч, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое устройства свч, антенные переключатели, ферритовые вентили, циркуляторы , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.

4.1. Управление амплитудой и фазой СВЧ сигналов

В современных радиотехнических системах широко применяют устройства управления амплитудой (многоканальные переключатели, аттенюаторы, амплитудные модуляторы,ограничители) и фазой (фазовращатели) СВЧ сигнала.

Для этих целей используют СВЧ диоды. Управляющий СВЧ диод может включаться в линию последовательно или параллельно.

В микрополосковую линию бескорпусные диоды обычно включают параллельно.

Принцип работы многоканального переключателя (рис. 4.1) заключается в том, что при подаче положительного смещения диод открывается, его сопротивление становится намногоменьше Z0 и линия в этом сечении шунтируется диодом.

Рис. 4.1 — Схема многоканального переключателя

Подводимая мощность отражается от этого сечения линии. Если же на диод подать отрицательное смещение, то он закрывается, его сопротивление становится большим и не шунтируетлинию. В диоде поглощается небольшая доля переключаемой мощности. Это позволяет выполнять переключатели для относительно большой мощности на маломощных приборах. Если этамощность мала (менее 1 Вт), то можно применять СВЧ диоды различных типов: варакторы, туннельные диоды и др. Если же уровень мощности превышает 1 Вт, то пригодны только р-i-n —диоды, способные рассеять до 10 Вт средней мощности. Необходимо отметить, что вносимые потери в переключателе в режиме пропускания LПи запирания LЗ связаны зависимостью

где Rmax, Rmin — сопротивления диода при подаче отрицательного и положительного смещения соответственно, К — качество р-i-n-диода.

Обычно переключатели разрабатывают на максимальный уровень переключаемой мощности. В этом случае режим работы переключателя целесообразно выбрать таким, чтобы вположениях «включено» и «выключено» в диоде поглощалась одинаковая мощность. При этом в диоде поглощается около 6% коммутируемой мощности. Потери в режиме «включено»составляют 0,5 дБ, в режиме «выключено» (26. 28) дБ. Если требуется увеличить вносимые потери в режиме «выключено», вдоль линии можно установить несколько диодов на расстояниичетверти длины волны. Мощность управления одним р-i-n

— диодом составляет (0,03. 0,1) Вт.

Если нужно уменьшить мощность управления (например, при большом числе диодов), можно применить варакторы МДП. У этих приборов при изменении напряжения смещенияизменяется емкостная проводимость. Ток утечки в них не превышает 10-14 А, из за чего требуемаямощность управления существенно уменьшается.

На основе одноканального переключателя созданы электрически управляемые аттенюаторы. В них напряжение смещения диода плавно изменяют в пределах ±Uсм При этом вносимоезатухание изменяется в пределах (0,5. 28) дБ.

Если в линию включить варактор или диод с барьером Шоттки без внешнего смещения, то на нем за счет проходящего сигнала поддерживается постоянное напряжение порядка 1 В, т. е.происходит амплитудное ограничение сигнала. Такие схемы используются в РЛС для защиты входных цепей приемников и в ЧМ приемниках для устранения паразитной амплитудноймодуляции.

Переключающие свойства р-i-n-диодов используют для создания дискретных микрополосковых фазовращателей (рис. 4.2).

Рис. 4.2 — Схемы одного разряда микрополосковых фазовращателей с переключением отрезков линий (а), мостового (б), шлейфного (в)

Такие фазовращатели для упрощения управления ими строят по принципу двоичной разрядности.

На практике широко применяются переключатели и аттенюаторы, выполненные на широкополосных направленных ответвителях (ШНО), которые используются при разработкемодуляторов. На рис. 4.3 показан антенный коммутатор на двух 3 дБ-мостах.

Рис. 4.3 — Схема антенного коммутатора

При передаче VD1 и VD2 открыты, мощность передается в точки 5 и 6 и не поступает в антенну. Отражаясь через открытые диоды, сигналы со сдвигом фаз 90°, складываясь в ШНО1,поступают в антенну синфазно. Из-за неидеальности элементов VD1 и VD2 мощность просачивается в плечи 7 и 8, при этом синфазно складывается в плече 3 и гасится резистором R ипротивофазно -в плече 4 (сигнал отсутствует). При приеме диоды закрыты, при этом сигнал из антенны делится пополам в плечах 5 и 6 и передается в плечи 7 и 8 соответственно. При этом вплече 4 сигналы в фазе, ав 3 -в противофазе (сигнал отсутствует).

Если в плече 2 установить резистор R= Z0, схема превратится в выключатель (плечо 1 — вход, 4 — выход). Если VD1 и VD2 открыты — состояние «выключено», закрыты — «включено».Если управляющий ток подавать не скачком, а плавно, можно плавно модулировать мощность на выходе.

Аттенюатор на основе одиночного ШНО изображен на рис.4.4.

Рис. 4.3 — Схема аттенюатора на основе одиночного ШНО

Вход и выход являются развязанными плечами. Как и в предыдущем случае, можно плавно модулировать входной сигнал.

4.2 . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Невзаимные устройства свч диапазона

В технике СВЧ широкое применение находят устройства, в которых используются ферриты, помещенные в постоянное подмагничивающее поле: резонансный ферритовый вентиль,ферритовый вентиль на смещении поля, ферритовый Y-циркулятор, ферритовый циркулятор на основе эффекта Фарадея и др.

Ферритовый вентиль — СВЧ-устройство с односторонним прохождением электромагнитной волны, то есть с очень малым затуханием волны, проходящей в одном направлении, и очень большим — для волны обратного направления.

Циркулятор — согласованный недиссипативный невзаимный многополюсник, в котором передача мощности происходит в одном направлении с входа 1 на вход 2, с входа 2 на вход 3 и т. д., с входа с наибольшим номером — на вход 1 . Чаще всего применяются шестиполюсные и восьмиполюсные циркуляторы (т. е., соответственно, с тремя и четырьмя входами, называемые Y- и X-циркуляторами). Циркуляторы применяются в качестве развязывающих устройств (функциональных узлов СВЧ), например: для одновременного использования общей антенны на передачу и на прием; в параметрических усилителях; в схемах сложения мощностей генераторов.

Феррит обладает одновременно магнитными свойствами ферромагнетика и электрическими диэлектрика (диэлектрическая проницаемость , тангенс угла потерь , удельная проводимость сим/м). При отсутствии постоянного магнитного поля начальная магнитная проницаемость практически равна единице.

У ферритов, подмагниченных постоянным магнитным полем, относительная магнитная проницаемость является кососимметричным тензором второго ранга, то есть описывается девятью скалярными величинами:

где — скалярные величины, определяющие значение относительной магнитной проницаемости феррита.

Действительные составляющие компонент тензора магнитной проницаемости определяют фазовую скорость распространения электромагнитной волны, а мнимые — магнитное поле в

феррите. Выражения для компонент  приведены в .

Реакция намагниченного феррита на электромагнитное поле СВЧ существенно зависит от соотношения между направлением распространения электромагнитной волны в феррите и направления подмагничивающего поля. При поперечном подмагничивании направление вектора Н подмагничивающегополя перпендикулярно направлению распространения волны, а при продольном подмагничивании эти направления совпадают. И в том и в другом случаях магнитнаяпроницаемость феррита может быть выражена через эффективные скалярные относительные магнитные проницаемости:

— при поперечном подмагничивании

и — при продольном подмагничивании.

В безграничной ферритовой среде при поперечном подмагничивании электромагнитный процесс может быть описан двумя линейно поляризованными волнами:

— обыкновенной, для которой вектор напряженности СВЧ магнитного поля поляризован в направлении, совпадающем с направлением подмагничивающего поля и эффективная магнитная проницаемость феррита равна

— необыкновенной, у которой вектор напряженности СВЧ магнитного поля поляризован в плоскости перпендикулярной к направлению подмагничивающего поля и

эффективная магнитная проницаемость — .

Эти волны имеют разные скорости распространения. Между ними возникает фазовый сдвиг, что проводит к изменению поляризации электромагнитного поля на пути распространенияволны от линейной до круговой и наоборот. Это явление называется двойным лучепреломлением или эффектом Коттона-Мутона.

В развязывающих приборах (вентилях, Y-циркуляторах)используется только необыкновенная волна.

При продольном подмагничивании электромагнитный процесс в феррите может быть описан двумя волнами с круговой поляризацией разного направления: «+» (правополяризованной) и«–» (левополяризованной), для которых феррит имеет эффективные магнитные проницаемости , соответственно. У правополяризованной волны вектор магнитного поля вращается по часовой стрелке для наблюдателя, смотрящего по направлению подмагничивающего поля, а у левополяризованной волны оно имеетпротивоположное направление. Скорости распространения этих волн разные, поэтому между ними возникает фазовый сдвиг. Направление вращения плоскости поляризации определяетсятолько направлением подмагничивающего поля и не зависит от направления распространения электромагнитной волны. Это невзаимное явление называется эффектом Фарадея.

В показано, что величина вещественной части эффективной магнитной проницаемости  определяется из формулы

Таким образом, необыкновенная волна может быть представлена суперпозицией двух волн с круговой поляризацией вектора СВЧ магнитного поля. В данном случае направление распространения волны лежит в плоскости, перпендикулярной направлению подмагничивающего поля. В большинстве СВЧ ферритовыхустройств используются прямоугольные волноводы с волной типа Н10. В целом эта волна линейно поляризованная.

Однако существуют две продольные плоскости, параллельные узкойстенке, где магнитное поле имеет чисто круговую поляризацию. Направления вращения векторов СВЧ магнитного поля в этих плоскостях взаимно противоположны и меняются наобратные при изменении направления распространения СВЧ энергии в волноводе. В произвольных продольных сечениях волновода СВЧ магнитное поле имеет эллиптическуюполяризацию.

Так, при конструировании волноводных резонансных вентилей ферритовые вкладыши, имеющие обычно форму пластин, размещаются вдоль волновода так, чтобы осьсимметрии их поперечного сечения лежала в одной из плоскостей с круговой поляризацией СВЧ магнитного поля. В длинноволновой части сантиметрового и в дециметровом диапазонахдлин волн применяют волноводные резонансные вентили с ферритовыми вкладышами, расположенными в плоскости H. Для них требуется высокое значение внешнегоподмагничивающего поля. Это позволяет избежать взаимных потерь в области «слабых полей» в режиме, когда намагниченность феррита не достигает насыщения. В сантиметровомдиапазоне длин волн применяют волноводные вентили со смещением поля (рис. 4.4).

Рис. 4.4 — К пояснению принципа действия вентиля на смещении поля

Они содержат: постоянный магнит 1, создающий поперечное подмагничивающее поле; ферритовый вкладыш 2; резистивная пленка 3. Если ферритовый вкладышнамагничен поперечным постоянным магнитным полем

так, что вещественная часть величины эффективной магнитной проницаемости ’  становится отрицательной, одна из распространяющихся волн («обратная», обозначенная на рис. 4.4 как E )приобретает характер поверхностной волны. Такая волна распространяется вдоль поверхности вкладыша и имеет максимальную амплитуду напряженности электрического поля на границераздела феррит — незаполненный волновод. По мере удаления от этой границы амплитуда поля уменьшается экспоненциально. Волна противоположного направления («прямая», обозначеннаяна рис. 4.4 как E ) не является поверхностной, изменение амплитуды напряженности поля в поперечном сечении имеет гармонический характер и она по структуре отличается от основноготипа волны H10 и

имеет вид, как показано на рис. 4.4.

Если нанести на правую (по рис. 4.4) поверхность ферритового вкладыша тонкую резистивную пленку, то «обратная» волна будет поглощаться значительно сильнее, чем «прямая»,которая имеет в месте размещения поглощающей пленки малую (близкую к нулю) амплитуду поля.

С изменением напряженности постоянного магнитного поля будут изменяться свойства ферритовой пластинки, что сказывается на характеристиках вентиля. В табл. 4.1 приведенызначения основных параметров вентилей: прямого Lр и обратного Lр

затуханий и собственного КСВ, а также для сравнения указаны величины напряженности постоянного подмагничивающего поля H 0.

Табл. 4.1 — Основные параметры ферритовых вентилей

Трехплечие циркуляторы.

Кроме вентилей, в технике СВЧ применяются циркуляторы (рис. 4.5), которые позволяют обеспечить развязку каналов и согласование СВЧ устройств.Циркулятор представляет собой торцевое соединение трех или четырех полосковых линий или волноводов в Н-плоскости под углом 120° или 90°. В центре соединенияустанавливаетсяферритовый диск, находящийся в постоянном полемагнита.

Рис. 4.5 — Варианты конструкции трехплечих Y-циркуляторов

Наиболее простым в конструктивном исполнении является циркулятор, в котором феррит окружен диэлектрической втулкой (рис. 4.5, а). Конструкция циркулятора для работы приповышенной импульсной мощности отличается тем, что в нем используются два ферритовых диска, размещенных на одной оси с небольшим зазором между дисками (рис. 4.5, б). Дляобеспечения согласования на входах циркулятора в широком диапазоне частот применяются диэлектрические штыри, размещаемые относительно ферритового диска как показано на рис. 4.5, в.

Действие циркулятора можно объяснить следующим образом. Волна типа Н10, поступающая в плечо 1, дифрагирует на ферритовом цилиндрическом вкладыше и

Lр и прямые потери Lр . Y-циркуляторы чувствительны к колебаниям окружающей температуры, величине магнитного поля, размерам ферритов и т.д. Для устранения этогоферрит помещают в диэлектрическую втулку, которая может являться своеобразным элементом настройки циркулятора, так как подбором еедиаметра можнорегулировать ширину рабочей полосы. Для примера характеристики некоторых циркуляторов представлены в табл. 4.2.

Табл. 4.2 — Характеристики некоторых Y-циркуляторов

внешний вид циркулятора

Статью про устройства свч я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развии теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое устройства свч, антенные переключатели, ферритовые вентили, циркуляторы и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны

Лекция 8. Ферритовые циркуляторы. 2 Волноводный циркулятор на основе эффекта Фарадея. (поляризационный циркулятор)

1. Назначение и классификация ферритовых циркуляторов. Их классификация. Обозначения на принципиальных схемах.

2. Волноводный циркулятор на основе эффекта Фарадея

3. Фазовый циркулятор с двойным Т-мостом и волноводно-щелевым мостом.

1. Назначение и классификация ферритовых циркуляторов. Их классификация. Обозначения на принципиальных схемах

Циркулятором называется развязывающее многоканальное устройство, в котором электромагнитные волны распространяются из одного канала в другой только в определенной последовательности.

Классификация циркуляторов представлена на рис. 1.

Поляризационные циркуляторы используют в работе эффект Фарадея, а фазовые – используют мостовые схемы с ферритовыми пластинами.

Циркуляторы обладают рядом взаимосвязанных параметров, к которым можно отнести рабочий диапазон частот, полосу пропускания, КСВ на входе каждого плеча, прямые потери, обратное затухание, электрическую прочность, массу и габаритные размеры.

На рис. 2 представлено обозначение циркуляторов на принципиальных схемах. Слева – четырехплечий, справа – трехплечий (Y-циркулятор).

2 Волноводный циркулятор на основе эффекта Фарадея

(поляризационный циркулятор)

Поляризационный циркулятор – это четырехплечее устройство, работа которого основана на эффекте Фарадея и поляризационной из­бирательности выходных плеч.

Конструкция циркулятора представлена на рис. 71.

Круглый волновод 8 соединен плавными переходами с прямоугольными волноводами 1 и 2, широкие стенки которых повернуты друг относительно друга на 45 0 . Прямоугольные волноводы являются плечами 1 и 2 циркулятора. В них могут распространяться ЭМВ типа Н₁₀.

Плечи 3 и 4 представляют собой прямоугольные волноводы с волной типа Н₁₀. Они также повернуты друг относительно друга на 45 0 и перпендикулярны широким стенкам волноводов 1 и 2 соответственно. Плечи 1…4 могут возбуждать в круглом волноводе 8 волну типа Н₁₁.

Принцип действия циркулятора, основанный на эффекте Фарадея, объясняется следующим образом. Распространяющаяся по циркулятору линейно поляризованная волна может быть представлена в виде суммы двух волн одинаковой амплитуды с круговой поляризацией правого и левого вращения (Е₊ и Е_–). Магнитная проницаемость продольно намагниченного феррита для этих волн различная (μ ₊ < μ _–). Следовательно, различны и их фазовые скорости (V_ф+ > V_ф–). Это приводит к тому, что результирующий вектор напряженности электрического поля (а следовательно, и плоскость поляризации) волны, прошедший феррит, поворачивается на угол

где – фазовые набеги право- и левополяризованной волн;

k₊, k_– – их коэффициенты распространения;

l – длина ферритового стержня.

Следует рассмотреть прохождение электромагнитной энергии через циркулятор при подключении генератора к плечу 1, плечи 2…4 при этом подключены к согласованным нагрузкам (рис. 72а). Поступающая в виде волны Н₁₀ в прямоугольном волноводе в 1-е плечо энергия преобразуется плавным переходом в волну Н₁₁ в круглом волноводе. Дойдя до плеча 3 циркулятора, волна Н₁₁ его не возбуждает, так как вектор напряженности электрического поля волны Н₁₁ оказывается параллельным широким стенкам прямоугольного волновода плеча 3 и это плечо, следовательно, представляет собой запредельный волновод. После прохождения ферритового стержня плоскость поляризации волны Н₁₁ повернется на угол 45 0 против часовой стрелки. Подойдя к плечу 4 циркулятора, волна Н₁₁ также его не возбуждает, поскольку широкие стенки его прямоугольного волновода также оказываются параллельными силовым линиям напряженности электрического поля, поскольку это плечо повернуто (если смотреть со стороны плеча 1) также на угол 45 0 против часовой стрелки и поэтому является запредельным. Далее ЭМВ типа Н₁₁ в круглом волноводе преобразуется плавным переходом в волну Н₁₀ в прямоугольном волноводе, причем ориентация плоскости поляризации в пространстве сохраняется. Таким образом, силовые линии вектора Еволны Н₁₀ у плеча 2 циркулятора оказываются перпендикулярными широким стенкам волновода этого плеча (оно же развернуто на 45 0 против часовой стрелки, если смотреть со стороны плеча 1), следовательно, это плечо не является запредельным, и энергия проходит в него. Таким образом, энергия из плеча 1 проходит в плечо 2.

При подключении генератора к плечу 2 энергия поступит в плечо 3, аналогично при подключении генератора к плечу 3 энергия проходит в плечо 4 и, наконец, при подключении генератора к плечу 4 энергия поступает в плечо 1 (рис. 72б…г). В этом нетрудно убедиться, если учесть то обстоятельство, что эффект Фарадея носит невзаимный ха­рактер, то есть, независимо от направления движения ЭМВ, плоскость поляризации поворачивается всегда против часовой стрелки, если смотреть по направлению подмагничивающего поля.

Несомненным достоинством поляризационного циркулятора явля­ется малая величина напряженности подмагничивающего поля, что позволяет получить быстродействующие ВЧ переключатели, позволяю­щие производить переключение каналов за время, не превышающее 15 мкс. Их недостатком являются сравнительно большие габаритные раз­меры и невысокая (около –20 дБ) развязка между каналами.

3 Фазовый циркулятор с двойным Т-мостом и волноводно-щелевым мостом

Он относится к фазовым циркуляторам и состоит из двойного волноводного Т-моста со «свернутыми» плечами основного волновода, двух невзаимных ферритовых фазовращателей и волноводно-щелевого моста.

Фазовращатели по сути образуют СДФС. На них подается поперечное подмагничивающее поле, величина которого, а также параметры ферритовых пластин способствуют образованию дифференциальных фазовых сдвигов в одном направлении распространения волны 0 0 , а в противоположном – π /2 (рис. 73).

Пусть энергия поступает в плечо 1 циркулятора. Она делится поровну и в фазе между «свернутыми» плечами А и Восновного волновода и не поступает в плечо 3 (по свойству Т-моста). Распространяясь далее по верхнему и нижнему волноводам, ЭМВ приобретут фазовые набеги в фазовращателях, причем в нижнем волноводе волна приобретает запаздывание по фазе на π /2 по сравнению с волной в верхнем волноводе. Щелевым мостом каждая половина мощности делится еще пополам, причем волны, проходя из верхнего волновода в нижний и наоборот, в обоих случаях получают запаздывание на π /2. Если те­перь просуммировать результирующие фазовые сдвиги, то окажется, что волны, пришедшие двумя путями к плечу 4, отличаются по фазе на величину Δ φ ₄ = 0 – (–π /2 –π /2) = π, а к плечу 2 – на величину Δ φ ₂ = –π /2 – (–π /2) = 0. Поскольку амплитуды волн, пришедших к входам плеч 2 и 4 одинаковы, то на входе плеча 4 ЭМВ взаимно компенсиру­ются, а в плече 2 складываются синфазно. Таким образом, электромагнитная энергия из плеча 1 проходит только в плечо 2.

Построением путей прохождения волн по верхнему и нижнему волноводам и подсчетом результирующих фазовых сдвигов можно убедиться, что из плеча 2 энергия поступает в плечо 3, из плеча 3 ЭМВ поступят в плечо 4, из плеча 4 – в плечо 1. Следовательно, в рассмотренном циркуляторе реализуется последовательность передачи энергии между плечами вида . При изменении ориен­тации вектора подмагничивающего поля на противоположную в цирку­ляторе будет реализована последовательность прохождения энергии между каналами вида .

Сравнивая поляризационные циркуляторы с фазовыми, необходимо отметить существенные преимущества последних в отношении возмож­ности работы их при больших уровнях мощности. Это объясняется не­сколькими причинами: делением мощности между двумя каналами, хо­рошей теплоотдачей ферритовых пластин стенкам волновода, нахожде­нием пластин не в максимуме электрического поля. Кроме того, в фа­зовых циркуляторах обеспечивается большая развязка между каналами (порядка 40 дБ). Однако для работы фазовых циркуляторов требуется большая напряженность подмагничивающего поля, что является их не­достатком при использовании в качестве быстродействующих переклю­чателей.

Рассмотренный циркулятор используется в волноводном тракте ПРЛ в качестве вентиля-циркулятора и будет более подробно рассмотрен в следующей главе, посвященной антенным переключателям.