RU126880U1

RU126880U1 - Microwave frequency converter

Info

Publication number: RU126880U1
Application number: RU2012153483/08U
Authority: RU
Inventors: Алексей Иванович Мамонов; Алексей Георгиевич Матвеев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова"
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2013-04-10

Abstract

СВЧ преобразователь частоты, содержащий два поляризатора и расположенную между ними волноводную ферритовую секцию, два поляризационных моста, установленных один на входе, другой - на выходе СВЧ преобразователя частоты, причем каждый поляризатор выполнен в виде отрезка либо круглого, либо квадратного волновода с установленным внутри него ферритовым вкладышем в виде трубки или стержня, а снаружи него - магнитной системы, создающей в ферритовом вкладыше постоянное квадрупольное магнитное поле, отличающийся тем, что вводится линия связи, соединяющая оба выхода второго поляризационного моста, а второй вход первого поляризационного моста является выходом СВЧ преобразователя частоты.A microwave frequency converter comprising two polarizers and a waveguide ferrite section located between them, two polarization bridges installed one at the input and the other at the output of the microwave frequency converter, each polarizer made in the form of a segment of either a round or square waveguide with a ferrite inside insert in the form of a tube or rod, and outside it - a magnetic system that creates a constant quadrupole magnetic field in the ferrite insert, characterized in that a communication line is introduced, with unifying the two outputs of the second polarization bridge, and the second input of the first bridge is the output of the polarization of the microwave frequency converter.

Description

Предлагаемое техническое решение относится к технике СВЧ и может использоваться в различных радиотехнических системах, например, в системах измерения и подстройки фазы, в имитаторах цели с доплеровским сдвигом частоты, в двухчастотных измерителях дальности и др.The proposed technical solution relates to microwave technology and can be used in various radio engineering systems, for example, in phase measurement and adjustment systems, in target simulators with Doppler frequency shift, in dual-frequency range meters, etc.

Известен синхронный фазовращатель (Хейфец А.Д., Мамонов А.И., Петляков Г.Я., Влияние неидеальности элементов синхронного фазовращателя на его параметры, ВРЭ, сер.ОВР, 1985 г., вып.6). Он содержит входной и выходной переходники с прямоугольного волновода на круглый с поглотителями ортогональной поляризации и два поляризатора, каждый из которых состоит из отрезка круглого волновода с с диэлектрической пластиной, установленной под углом 45° к электрическому вектору входного СВЧ сигнала. В его состав входит ферритовая волноводная секция, состоящая из отрезка круглого волновода, в котором находится ферритовый вкладыш в виде стержня или трубки и магнитной системы, создающей в ферритовом вкладыше вращающееся квадрупольное магнитное поле. Если величина этого поля такова, что между двумя ортогональными волнами в волноводе с ферритом создается дифференциальный фазовый сдвиг 180°, то частота выходного СВЧ сигнала синхронного фазовращателя смещается на величину, равную частоте вращения квадрупольного магнитного поля. Поэтому синхронный фазовращатель является преобразователем частоты.Known synchronous phase shifter (Kheifets A.D., Mamonov A.I., Petlyakov G.Ya., Effect of non-ideality of elements of a synchronous phase shifter on its parameters, FRE, ser.OVR, 1985, issue 6). It contains an input and output adapter from a rectangular to a circular waveguide with absorbers of orthogonal polarization and two polarizers, each of which consists of a segment of a circular waveguide with a dielectric plate mounted at an angle of 45 ° to the electric vector of the input microwave signal. It consists of a ferrite waveguide section, consisting of a segment of a circular waveguide in which there is a ferrite insert in the form of a rod or tube and a magnetic system that creates a rotating quadrupole magnetic field in the ferrite insert. If the magnitude of this field is such that a differential phase shift of 180 ° is created between two orthogonal waves in a ferrite waveguide, then the frequency of the output microwave signal of the synchronous phase shifter is shifted by an amount equal to the frequency of rotation of the quadrupole magnetic field. Therefore, the synchronous phase shifter is a frequency converter.

Наличие в составе преобразователя частоты поляризаторов с диэлектрическими пластинами будет приводить к модуляции его выходного сигнала по амплитуде и фазе, в результате чего в спектре входного сигнала образуются составляющие на частотах входного и зеркального сигналов с амплитудами = (20…25) дБ относительно полезного сигнала на смещенной частоте. Это делает невозможным эффективное использование синхронного фазовращателя, например, в фазорегулирующих системах с цифровой обработкой сигналов, которая получила в настоящее время широкое распространение.The presence of polarizers with dielectric plates in the frequency converter will modulate its output signal in amplitude and phase, as a result of which components of the input and mirror signals with amplitudes = (20 ... 25) dB relative to the useful signal at the offset frequency. This makes it impossible to effectively use a synchronous phase shifter, for example, in phase control systems with digital signal processing, which is now widely used.

Недостатком известного преобразователя частоты является высокий уровень на его выходе сигналов входной и зеркальной частот.A disadvantage of the known frequency converter is the high level at its output of the input and mirror frequency signals.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является «СВЧ преобразователь частоты» (RU №115987 U1 опубл. 10.05.2012, МПК H03D 7/00). Он содержит входной и выходной поляризационные мосты и два поляризатора, каждый из которых выполнен в виде отрезка круглого или квадратного волновода с установленным внутри него ферритовым вкладышем в виде трубки или стержня, и магнитной системы снаружи него, создающей в ферритовом вкладыше постоянное квадрупольное магнитное поле. В состав СВЧ преобразователя частоты входит ферритовая секция, состоящая из отрезка круглого волновода, в котором находится ферритовый вкладыш в виде стержня или трубки, и магнитной системы, создающей в ферритовом вкладыше вращающееся квадрупольное магнитное поле. Если величина этого поля такова, что между двумя ортогональными волнами в волноводе с ферритом создается дифференциальный фазовый сдвиг 180°, то частота сигнала на выходе СВЧ преобразователя частоты сдвигается на величину, равную частоте вращения управляющего магнитного поля.Closest to the technical nature of the proposed utility model is the "microwave frequency converter" (RU No. 115987 U1 publ. 10.05.2012, IPC H03D 7/00). It contains input and output polarization bridges and two polarizers, each of which is made in the form of a segment of a round or square waveguide with a ferrite insert installed in it in the form of a tube or rod, and a magnetic system outside it, which creates a constant quadrupole magnetic field in the ferrite insert. The microwave frequency converter includes a ferrite section, consisting of a segment of a circular waveguide in which there is a ferrite insert in the form of a rod or tube, and a magnetic system that creates a rotating quadrupole magnetic field in the ferrite insert. If the magnitude of this field is such that a differential phase shift of 180 ° is created between two orthogonal waves in a ferrite waveguide, then the frequency of the signal at the output of the microwave frequency converter is shifted by an amount equal to the speed of the control magnetic field.

Недостатком такого СВЧ преобразователя частоты является ограничение по величине частоты сдвига, которая на практике не превышает 80…100 кгц. Это происходит вследствие уменьшения величины управляющего магнитного поля в СВЧ феррите с ростом частоты его вращения из-за экранирования этого поля стенкой волновода ферритовой секции за счет увеличения вихревых токов в ней. Кроме того при росте частоты вращения управляющего магнитного поля увеличивается скорость перемагничивания как СВЧ феррита, так и феррита магнитопровода ферритовой секции, что приводит к уменьшению наклона характеристики намагничивания СВЧ феррита и соответственно к уменьшению величины его намагниченности.The disadvantage of such a microwave frequency converter is the restriction on the magnitude of the shear frequency, which in practice does not exceed 80 ... 100 kHz. This is due to a decrease in the magnitude of the control magnetic field in the microwave ferrite with an increase in its rotation frequency due to the screening of this field by the waveguide wall of the ferrite section due to an increase in eddy currents in it. In addition, with an increase in the rotation frequency of the control magnetic field, the magnetization reversal rate of both microwave ferrite and ferrite of the magnetic core of the ferrite section increases, which leads to a decrease in the slope of the magnetization characteristic of microwave ferrite and, accordingly, to a decrease in its magnetization.

В результате с ростом частоты вращения управляющего магнитного поля, дифференциальный фазовый сдвиг в ферритовой секции становится меньше 180° и в выходном сигнале СВЧ преобразователя частоты появляются составляющие на входной и зеркальной частотах с недопустимо большими амплитудами. Кроме того, при этом происходит сильное нагревание ферритовой секции, что ухудшает условия ее эксплуатации.As a result, with an increase in the rotation frequency of the control magnetic field, the differential phase shift in the ferrite section becomes less than 180 °, and components at the input and mirror frequencies with unacceptably large amplitudes appear in the output signal of the microwave frequency converter. In addition, there is a strong heating of the ferrite section, which worsens the conditions of its operation.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в увеличении предельного значения частоты сдвига при сохранении низких значений амплитуд составляющих на входной и зеркальной частотах в выходном сигнале СВЧ преобразователя частоты без перегрева ферритовой секции.The technical result of the proposed utility model is to increase the limit value of the shear frequency while maintaining low values of the amplitudes of the components at the input and mirror frequencies in the output signal of the microwave frequency converter without overheating the ferrite section.

Сущность полезной модели состоит в том, что СВЧ преобразователь частоты содержит два поляризатора и расположенную между ними волноводную ферритовую секцию, а также два поляризационных моста, установленных один на входе, другой на выходе СВЧ преобразователя частоты, причем каждый поляризатор выполнен в виде отрезка либо круглого, либо квадратного волновода с установленным внутри него вкладышем в виде трубки или стержня, а снаружи него - магнитной системы, создающей в ферритовом вкладыше постоянное квадрупольное магнитное поле.The essence of the utility model is that the microwave frequency converter contains two polarizers and a waveguide ferrite section located between them, as well as two polarizing bridges installed one at the input and the other at the output of the microwave frequency converter, each polarizer made in the form of a segment or round, or a square waveguide with an insert inside it in the form of a tube or rod, and outside of it a magnetic system that creates a constant quadrupole magnetic field in the ferrite insert.

Новым в предлагаемой полезной модели является введение линии связи, соединяющей оба выхода второго поляризационного моста, а второй вход первого поляризационного моста является выходом СВЧ преобразователя частоты.New in the proposed utility model is the introduction of a communication line connecting both outputs of the second polarization bridge, and the second input of the first polarization bridge is the output of the microwave frequency converter.

На фиг.1 представлен вариант конструкции СВЧ преобразователя частоты.Figure 1 shows a design variant of a microwave frequency converter.

Предлагаемый преобразователь частоты содержит первый поляризационный мост 1, входной поляризатор 2, ферритовую секцию 3, выходной поляризатор 4, второй поляризационный мост 5, линия связи (волновод) 6. магнитная система 7.The proposed frequency converter contains a first polarization bridge 1, an input polarizer 2, a ferrite section 3, an output polarizer 4, a second polarization bridge 5, a communication line (waveguide) 6. magnetic system 7.

Магнитная система каждого из двух поляризаторов может состоять из постоянных магнитов или магнитопровода с обмотками с постоянным током.The magnetic system of each of the two polarizers can consist of permanent magnets or a magnetic circuit with direct current windings.

СВЧ преобразователь частоты работает следующим образом.The microwave frequency converter operates as follows.

На вход поступает СВЧ сигнал E=E_0sinωt;Microwave signal E = E _0sinωt ;

E₀ - амплитуда сигнала;E ₀ is the signal amplitude;

ω - угловая частота;ω is the angular frequency;

После прохождения этого сигнала через поляризационный мост 1, поляризатор 2, ферритовую секцию 3, поляризатор 4, поляризационный мост 5 на одном из его выходов образуется сигнал:After passing this signal through the polarization bridge 1, polarizer 2, ferrite section 3, polarizer 4, polarization bridge 5, at one of its outputs a signal is generated:

E₁=E₀Sin(ω+Ω)t, гдеE ₁ = E ₀ Sin (ω + Ω) t, where

Ω - угловая частота вращения управляющего магнитного поля.Ω is the angular frequency of rotation of the control magnetic field.

Этот сигнал через волновод 6 поступает на второй выход поляризационного моста 5 и вследствие пространственного поворота его электрического вектора входного сигнала, а также за счет невзаимного характера поляризаторов 2 и 4 после прохождения сигнала в обратном направлении на выходе СВЧ преобразователя образуется сигналThis signal through the waveguide 6 enters the second output of the polarization bridge 5 and due to the spatial rotation of its electric vector of the input signal, as well as due to the nonreciprocal nature of the polarizers 2 and 4, after the signal passes in the opposite direction, a signal is generated at the output of the microwave converter

E₂=E₀Sin(ω+2Ω)t.E ₂ = E ₀ Sin (ω + 2Ω) t.

Если изменить направление вращения управляющего магнитного поля, то на выходе СВЧ преобразователя частоты образуется сигналIf the direction of rotation of the control magnetic field is changed, a signal is generated at the output of the microwave frequency converter

E₃=E₀Sin(ω-2Ω)t.E ₃ = E ₀ Sin (ω-2Ω) t.

Прохождение прямого и обратного сигналов через СВЧ преобразователь происходит независимо, т.к. во всех его составных частях они пространственно ортогональны, что определяется возможностью независимого распространения двух пространственно ортогональных волн H₁₁ в круглом волноводе.The passage of the forward and reverse signals through the microwave converter occurs independently, because in all its components they are spatially orthogonal, which is determined by the possibility of independent propagation of two spatially orthogonal waves H ₁₁ in a circular waveguide.

Таким образом, предлагаемый СВЧ преобразователь частоты производит сдвиг частоты выходного СВЧ сигнала в два раза больший, чем у прототипа. Так как токи в обмотках магнитной системы ферритовой секции и, соответственно, величина управляющего магнитного поля в СВЧ феррите не изменяются, то дифференциальный фазовый сдвиг остается равным 180° и модуляция выходного сигнала по амплитуде и фазе не происходит, вследствие чего в его спектре отсутствуют составляющие на входной и зеркальной частотах. Поскольку в ферритовой секции не изменяются ни амплитуды, ни частота токов в обмотках, то ее тепловой режим остается неизменным.Thus, the proposed microwave frequency converter produces a frequency shift of the output microwave signal two times larger than that of the prototype. Since the currents in the windings of the magnetic system of the ferrite section and, accordingly, the magnitude of the control magnetic field in the microwave ferrite do not change, the differential phase shift remains equal to 180 ° and the output signal is not modulated in amplitude and phase, as a result of which there are no components on input and mirror frequencies. Since neither the amplitudes nor the frequency of the currents in the windings change in the ferrite section, its thermal regime remains unchanged.

Claims

A microwave frequency converter containing two polarizers and a waveguide ferrite section located between them, two polarization bridges installed one at the input and the other at the output of the microwave frequency converter, each polarizer made in the form of a segment of either a round or square waveguide with a ferrite inside insert in the form of a tube or rod, and outside it - a magnetic system that creates a constant quadrupole magnetic field in the ferrite insert, characterized in that a communication line is introduced, with unifying the two outputs of the second polarization bridge, and the second input of the first bridge is the output of the polarization of the microwave frequency converter.