Основные элементы и узлы линий передачи. Развязывающие устройства

9. Циркуляторы - это развязывающие многоканальные устройства, в которых электромагнитные волны распространяются из одного канала в другой только в определенной последовательности.

Принципиальная схема четырехплечего циркулятора показана на рис. 18.51. Стрелками на рисунке показаны направления передачи. Если электромагнитная энергия поается в плечо 1, то она пройдет в плечо 2 и не пройдет в другие плечи. При подключении генератора к плечу 2 электромагнитная энергия пройдет только в плечо 3 и т. д. В рассматриваемом примере циркуляция происходит в последовательности

1 ® 2 ® 3 ® 4 ® 1.(18.19)

Могут быть, конечно, и другие последовательности.

10. Фазовый циркулятор с двумя волноводно-щелевыми мостами состоит (рис. 18.52) из двух последовательно расположенных волноводно-щелевых мостов I и II, диэлектрической пластинки Д и ферритовых пластин Ф с поперечным намагничивающим полем, создающих дифференциальный фазовый сдвиг. Свойства волноводно-щелевого моста описаны в § 18.8 п. 2, а секции дифференциального фазового сдвига - в § 18.8, п. 7.

Рассмотрим работу циркулятора, изображенного на рис. 18.52,а. Параметры ферритовых пластин и постоянное поперечное подмагничивающее поле подобраны так, что в верхнем волноводе при передаче слева направо создается сдвиг по фазе -p/2 (отставание по фазе), а при передаче справа налево создается сдвиг по фазе, который считается равным нулю. В нижнем волноводе ферритовая пластинка обеспечивает фазовый сдвиг -p/2 при передаче справа налево и нуль - при обратном направлении передачи. Указанные фазовые сдвиги в двух ферритовых пластинках, расположенных по обеим сторонам разделительной стенки, получаются при намагничивании обеих пластинок поперечным полем одного направления. Это удобно, так как требуется один магнит.

В верхнем волноводе установлена диэлектрическая пластинка Д, которая создает обратимый фазовый сдвиг -p/2 по отношению к волне в волноводе без этой пластинки.

Рассмотрим теперь фазовые соотношения в циркуляторе. При этом будем учитывать только разностные фазовые сдвиги.

Пусть генератор подключен к плечу 1, а к остальным плечам подключены согласованные нагрузки. Волны из плеча 1 попадают в волноводно-щелевой мост I и разделяются им на два потока равной амплитуды, которые идут в направлении плеч 2 и 4. После моста I колебания в верхнем волноводе отстают по фазе на p/2 от колебаний в нижнем волноводе, фазу которых примем за нулевую. После прохождения участков волноводов с ферритовыми и диэлектрической пластинками колебания на входе моста II в верхнем волноводе получат запаздывание по фазе на Зp/2, а в нижнем волноводе - запаздывание, которое принимается равным нулю. Мостом II каждая половина мощности делится еще пополам. Электромагнитные волны, проходя из нижнего волновода в верхний и из верхнего в нижний, получают запаздывание по фазе p/2. Если теперь просуммировать все относительные фазовые сдвиги, то окажется, что колебания, пришедшие по двум путям в плечо 4, отличаются до фазе на p, а пришедшие в плечо 2, имеют одинаковую фазу. Так как амплитуды волн, пришедших разными путями, одинаковы, то в плече 4 волны полностью взаимно компенсируются, а в плече 2 складываются, образуя волну такой же интенсивности, как в плече 1. Таким образом, электромагнитная анергия из плеча 1 проходит только в плечо 2.

Рис. 18.52. Фазовый ферритовый циркуляр на волноводно-щелевых мостах

Рис. 18.53. Фазовый ферритовый циркулятор с волноводно-щелевым и двойным Т-мостом.

Аналогичным образом можно показать, что из плеча 2 колебания попадут в плечо 3, из плеча 4 - в плечо 1. Следовательно, в рассмотренном циркуляторе реализуется последовательность (18.19).

Если направление подмагничивающего поля поменять на обратное, то ферритовые пластины будут создавать фазовые сдвиги, указанные на рис. 18.52,б. Нетрудно убедиться, что в таком циркуляторе реализуется последовательность соединения каналов

1 ® 4 ® 3 ® 2 ® 1.(18.20)

11. Фазовый циркулятор с двойным Т-мостом (рис. 18.53) состоит из последовательно расположенных двойного Т-моста (см. § 18.8, п. 1), прямые плечи которого согнуты под углом 90° и соединены по узкой стенке, фазовращателя с ферритовыми пластинками и волноводно-щелевого моста.

Плечо 1 циркулятора является Н-плечом Т-моста, а плечо 3 - Е-плечом Т-моста. При поступлении волн в плечо 1 они поровну и в одинаковой фазе придут к сечениям I и II и не попадут в плечо 3. При поступлении волн в плечо 3 они не попадут в плечо 1, но в равных долях и в противофазе придут к сечениям I и II. Постоянное магнитное поле и параметры ферритовых пластинок подбираются так, что образуются указанные на рисунке дифференциальные фазовые сдвиги.

Рис. 18.54. Поляризационный ферритовый циркулятор.

Пути прохождения электромагнитных волн после Т-моста показаны стрелками, там же указан дополнительный фазовый сдвиг на -p/2 при прохождении щелевого моста. Если сложить все фазовые сдвиги и учесть фазовые свойства Т-моста, то окажется, что из плеча 1 волны проходят только в плечо 2 (для этого случая на рисунке показаны суммарные фазовые сдвиги), из плеча 2 - в плечо 3 и т.д. Таким образом, в данном случае реализуется последовательность (18.19). При изменении направления магнитного поля дифференциальные фазовые сдвиги в фазовращателе изменятся. Это изменение переведет последовательность (18.19) в последовательность (18.20).

На основе циркуляторов с ферритами могут быть построены различные волноводные схемы, свойствами которых можно управлять, изменяя подмагничивающее поле.

12. Поляризационный циркулятор (рис. 18.54,а) основан на использовании эффекта Фарадея в продольно-намагниченном феррите. Соленоид, создающий постоянное магнитное поле Н₀, на рисунке не показан. Рассматриваемый циркулятор - четырехплечий, невзаимный. Плечи 1 и 2 - это прямоугольные волноводы, которые плавными переходами соединяются с круглым волноводом в торец. Плечами 3 и 4 являются прямоугольные волноводы, которые образуют с круглым волноводом Т-образное параллельное соединение. Эти плечи называются боковыми.

Размеры круглого волновода выбираются так, что в нем может распространяться только волна типа Н₁₁, а в прямоугольных - только волна типа Н₁₀.

Если поляризация поля волны типа Н₁₁ такая, как показано на рис. 18.54,б, то говорят, что боковой волновод 3 находится в положении пропускания, а торцевой волновод 1 - в положении запирания по отношению к волне Н₁₁. При поляризации поля волны типа Н₁₁, изображенной на рис. 18.54,в, в положении пропускания находится торцевой волновод 1, а в положении запирания - боковой волновод 3. В положении запирания круглый и прямоугольный волноводы развязаны, а в положении пропускания электромагнитная энергия полностью переходит из прямоугольного волновода в круглый, и наоборот. Положения затирания и пропускания для волноводов 2 и 4 определяются так же, как и для волноводов 1 и 3.

Плоскости широких стенок волноводов 1 и 2 повернуты вокруг оси круглого волновода на 45° относительно друг друга. Волноводы 3 и 4 также развернуты на угол 45° (рис. 18.54,г).

По оси круглого волновода установлен ферритовый стержень. Подмагничивающее поле направлено продольно по отношению к стержню (вдоль оси волновода). При указанном на рис. 18.54,а направлении Н₀ плоскость поляризации волны типа Н₁₁ поворачивается против часовой стрелки при передаче от плеча 1 к плечу 2 и по часовой стрелке при передаче от плеча 2 к плечу 1. Параметры ферритового стержня и величина подмагничивающего поля выбираются так, что на длине стержня плоскость поляризации волны типа Н₁₁ поворачивается на угол 45°.

Рассмотрим передачу электромагнитной энергии через циркулятор при подключении генератора к плечу 1 и согласованных нагрузок к остальным плечам. Плечо 3 будет при этом в положении запирания. Пройдя феррит, волна типа Н₁₁ повернется против часовой стрелки на 45° и будет иметь поляризацию, при которой плечо 4 находится в положении запирания, а плечо 2 - пропускания. При этом волны проходят в плечо 2 и не проходят в плечо 4. Таким образом, из плеча 1 электромагнитная энергия проходит только в плечо 2.

Подключим генератор к плечу 2. Плечо 4 при этом заперто. Пройдя феррит, волна Н₁₁ поворачивается на 45° по часовой стрелке и оказывается по отношению к плечу 5 в положении пропускания, а к плечу 1 - запирания. Согласование круглого волновода с плечом 3 осуществляется подбором расстояния между волноводом 3 и эффективной плоскостью отражения от плеча 1 в положении его запирания. Таким образом, электромагнитная энергия из плеча 2 переходит только в плечо 3.

Рассуждая аналогичным образом, можно показать, что из плеча 3 электромагнитная энергия передается только в плечо 4, а. из плеча 4 - в плечо 1.

Итак, если вектор постоянного магнитного поля направлен к плечу 1, то циркулятор реализует последовательность (18.19). При изменении направления подмагничивающего поля на обратное циркулятор реализует последовательность (18.20).

13. Ферритовый Y-циркулятор (рис. 18.55) представляет собой три прямоугольных волновода, 1, 2, 3, в которых распространяется волна типа H₁₁, соединенных между собой под углом 120° в Н-плоскости. В центре сочленения волноводов размещается ферритовый стержень или диск 5, намагниченный вдоль оси перпендикулярно широким стенкам волноводов. Высота стержня равна высоте волноводов или меньше ее. Стержень обычно помещается в диэлектрический цилиндр 4, который заметно улучшает работу циркулятора и упрощает его настройку, расширяя полосу пропускания.

Если в тройнике нет феррита, то волна, поступающая в плечо 1, делится поровну между плечами 2 и 3. При наличии намагниченного феррита волны, проходящие в плечи 2 и 3, будут суперпозицией двух полей: первичного, обозначенного E₂ и Е₃, и вторичного, переизлученного ферритовым стержнем (E'₂, Е'₃). Первичные поля в плечах 2 и 3 в силу симметрии будут синфазны и равны по амплитуде. Амплитуды и фазы вторичных полей в плечах 2 и 3 зависят от размеров и электрических параметров ферритового стержня и диэлектрического цилиндра. Параметры феррита можно регулировать подмагничивающим полем. Регулировками можно добиться, чтобы поля Е₂ и Е'₂ в плече 2 были синфазны, а Е₃ и E'₃ в плече 3 противофазны, а их амплитуды одинаковы. При этих условиях электромагнитная энергия из плеча 1 полностью переходит в плечо 2. Так как система симметричная, то колебания из плеча 2 будут передаваться только в плечо 3, а из плеча 3 - в плечо 1, т.е. будет реализована последовательность передачи 1-2-3-1. При изменении направления внешнего магнитного поля последовательность передачи также изменится на обратную: 1-3-2-1.

Y-циркуляторы могут быть выполнены также на коаксиальных на полосковых линиях.

Рассмотрим несколько применений циркуляторов в фидерных трактах.

14. Быстродействующий коммутатор на два направления (рис. 18.56,а). Из четырех плеч циркулятора в нем задействовано три. К плечу 1 подключают источник электромагнитных волн Г, а к плечам 2 и 4 - нагрузки H₁ и Н₂ (скажем, две антенны). При одном направлении подмагничивающего поля электромагнитная энергия в соответствии с последовательностью (18.19) проходит в нагрузку H₁. Поменяв направление тока в соленоиде, создающем подмагничивающее поле, перейдем к последовательности (18.20). При этом электромагнитная энергия пойдет в нагрузку Н₂. Так как в фазовых циркуляторах подмагничивающее поле имеет небольшую величину, то частота переключении может достигать 10 МГц.

15. Антенный переключатель радиолокационных станций схематически изображен на рис. 18.56,б. В нем применен циркулятор фазового типа с постоянным магнитом. Направление магнитного поля подобрано так, что реализуется последовательность (18.19).

В режиме передачи электромагнитные волны поступают из плеча 1 в антенну А, подключенную к плечу 2. В режиме приема сигналов, отраженных от цели, эетромагнитные колебания поступают в приемник Пр, подключенный к плечу 3, и не поступают к передатчику. К плечу 4 подключается поглощающая нагрузка П, в которой поглощаются колебания, неизбежно просачивающиеся в это плечо из-за неполной развязки между плечами циркулятора. Из-за неполной развязки часть мощности от генератора поступает и на вход приемника. Для защиты его входных цепей от повреждения на входе приемника ставится защитное устройство в виде разрядника или управляемого вентиля.

16. Вентильное устройство (рис. 18.56,в) служит для развязки генератора и нагрузки. При реализации в циркуляторе последовательности (18.19) электромагнитные волны поступают от генератора в нагрузку Н. Если нагрузка не согласована, то появляются отраженные волны, которые поступают через плечо 2 в плечо 3, где поглощаются в поглотителе П₃. Поглотитель П₄ устраняет отражение волн, просочившихся в плечо 4. Таким образом, отраженные волны не поступают на выход генератора и условия его работы не зависят от степени согласования нагрузки с линией передачи, подключаемой к плечу 2.