RU2283518C2

RU2283518C2 - Phase-type stripline circulator

Info

Publication number: RU2283518C2
Application number: RU2004137133/09A
Authority: RU
Inventors: Валентина Ивановна Арсецка (RU); Валентина Ивановна Арсецкая; Игорь Михайлович Кущев (RU); Игорь Михайлович Кущев; ев Алексей Иванович Немол (RU); Алексей Иванович Немоляев
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный московский завод "Салют"
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2006-09-10
Also published as: RU2004137133A

Abstract

FIELD: microwave radio engineering; ultrahigh-frequency radar systems using single transceiving antenna.

SUBSTANCE: proposed phase-type stripline circulator has two bridge units and nonreciprocal phase shifter disposed in-between. Stripline bridge units are made in the form of ether 3-dB directional coupler with quarter-wavelength coupled strip or 3-dB loop-type directional coupler, or T-joint. Nonreciprocal phase shifter is built around slow-wave stripline structure. All functional devices incorporated in phase-type stripline circulator can be also made in microstrip design alternate.

EFFECT: simplified design, reduced size and mass, facilitated manufacture.

2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано, например, в радиолокационных системах дециметрового диапазона длин волн с одной приемо-передающей антенной.The invention relates to radio technology of microwave frequencies and can be used, for example, in radar systems decimeter wavelength range with one transceiver antenna.

Широко используемые в современных радиолокационных станциях (РЛС) сантиметрового диапазона волноводные циркуляторы фазового типа (А.Л.Микаэлян. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах, Государственное энергетическое издательство, Москва, 1963) характеризуются целым рядом положительных свойств: широкополосность, малый уровень вносимых потерь, работоспособность при больших уровнях мощности, многофункциональность и др. Существенными недостатками известных конструкций фазового циркулятора, ограничивающими его применение в РЛС дециметрового диапазона, являются большие габариты (длина устройства составляет примерно десять длин волн) и, как следствие этого, большой вес. Эти недостатки фазового циркулятора обусловлены, прежде всего, применением в его составе громоздких волноводных устройств: волноводно-щелевых мостов и двойных тройниковых разветвителей.Phase-type waveguide circulators widely used in modern centimeter-wave radars (A.L. Mikaelyan. Theory and application of ferrites at microwave frequencies, State Energy Publishing House, Moscow, 1963) are characterized by a number of positive properties: broadband, low insertion loss , performance at high power levels, multifunctionality, etc. Significant disadvantages of the known designs of the phase circulator, limiting its use UHF radar are large dimensions (length of the device is about ten wavelengths) and, as a consequence, great weight. These shortcomings of the phase circulator are caused, first of all, by the use of bulky waveguide devices: waveguide-slot bridges and double tee splitters.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание малогабаритного устройства дециметрового диапазона, обладающего полезными свойствами фазового циркулятора. The problem to which the invention is directed, is the creation of a small-sized decimeter range device with the useful properties of a phase circulator.

Техническими результатами, достигаемыми при реализации изобретения, в частности, являются упрощение конструкции, уменьшение габаритных размеров, снижение веса, повышение технологичности изготовления. The technical results achieved during the implementation of the invention, in particular, are to simplify the design, reduce overall dimensions, reduce weight, increase manufacturability.

Влияние на получение указанных технических результатов оказывают следующие существенные признаки. The following essential features influence the receipt of the indicated technical results.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в реализации известной схемы фазового циркулятора в полосковом исполнении. При этом громоздкие волноводно-щелевые мостовые устройства заменены их аналогами, выполненными в полосковом варианте, а невзаимный фазовращатель (обычно использующий волновод как необходимую структуру с круговой поляризацией СВЧ магнитного поля) выполнен с использованием полосковой структуры гребенчатого типа. Полосковый циркулятор фазового типа состоит из двух мостовых устройств и невзаимного фазовращателя, размещаемого между ними. Мостовые устройства в полосковом исполнении представляют собой либо 3-дБ направленный ответвитель со связанными полосками четвертьволновой длины, либо 3-дБ направленный ответвитель шлейфного типа, либо тройниковый разветвитель. Невзаимный фазовращатель выполнен на полосковой замедляющей структуре гребенчатого типа.The essence of the invention lies in the implementation of the known scheme of the phase circulator in strip design. In this case, bulky waveguide-slotted bridge devices are replaced by their strip-type counterparts, and the nonreciprocal phase shifter (usually using the waveguide as the necessary structure with circular polarization of the microwave magnetic field) is made using a comb-type strip structure. The phase-type strip circulator consists of two bridge devices and a nonreciprocal phase shifter placed between them. Striped bridge devices are either a 3-dB directional coupler with connected quarter-wave strips, or a 3-dB directional coupler of a stub type, or a tee splitter. The nonreciprocal phase shifter is made on a strip retarding structure of a comb type.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где показано: на фиг.1 - обобщенная структурная схема фазового циркулятора; на фиг.2 - примерная конструкция полоскового циркулятора фазового типа. На фиг.3 - схема формирования круговой поляризации СВЧ магнитного поля; на фиг.4 - поперечное сечение невзаимного фазовращателя с электромагнитной системой; на фиг.5 - схема другого возможного варианта полоскового циркулятора фазового типа.The invention is illustrated by drawings, where it is shown: figure 1 is a generalized structural diagram of a phase circulator; figure 2 is an exemplary design of a strip type phase circulator. Figure 3 - diagram of the formation of circular polarization of the microwave magnetic field; figure 4 is a cross section of a nonreciprocal phase shifter with an electromagnetic system; 5 is a diagram of another possible variant of the strip type phase circulator.

Функционально полосковый циркулятор фазового типа, структурная схема которого приведена на фиг.1, состоит из двух мостовых устройств 1 и 2, двухканального невзаимного фазовращателя 3 с 90-градусным дифференциальным сдвигом фаз и двух 45-градусных взаимных фазовращателей 4. В качестве мостовых устройств могут быть использованы 3-дБ направленные ответвители на связанных полосковых линиях или шлейфного типа, обеспечивающие на выходах фазность в 90 градусов, или двойные тройниковые разветвители с синфазными выходами. При указанных на фиг.1 сдвигах фаз в отдельных элементах полоскового циркулятора фазового типа обеспечивается циркуляция в направлении плеч 5-6-7-8-5.A functionally phase-type strip circulator, the structural diagram of which is shown in Fig. 1, consists of two bridge devices 1 and 2, a two-channel nonreciprocal phase shifter 3 with a 90-degree differential phase shift, and two 45-degree mutual phase shifters 4. As bridge devices, there can be 3-dB directional couplers on coupled strip lines or a loop type are used, which provide 90 degree phase response at the outputs, or double tee splitters with common-mode outputs. With the phase shifts indicated in FIG. 1, in the individual elements of the strip type phase circulator, circulation in the direction of the arms 5-6-7-8-5 is ensured.

Конструкция полоскового циркулятора фазового типа, соответствующая схеме, приведенной на фиг.1, представлена на фиг.2. В качестве 3-дБ направленных ответвителей использованы ответвители 9 и 10 со связанными полосками четвертьволновой длины. Выходные плечи 11, 12 и 13, 14 ответвителей соединены с коаксиальными разъемами 15, 16 и 17, 18, установленными на торцевых стенках корпуса 19. Выходные плечи 3-дБ направленных ответвителей 20, 21 и 22, 23 соединены с полосковыми структурами 24 и 25, формирующими вдоль полосковых линий области с круговой поляризацией СВЧ магнитного поля. Взаимные 45-градусные фазовращатели реализованы за счет разности электрических длин выходных плеч 20, 21 и 22, 23.The design of the strip type phase circulator, corresponding to the circuit shown in figure 1, is presented in figure 2. As 3-dB directional couplers, 9 and 10 couplers with associated quarter-wavelength strips are used. The output arms of the couplers 11, 12 and 13, 14 are connected to the coaxial connectors 15, 16 and 17, 18 mounted on the end walls of the housing 19. The output arms of the 3-dB directional couplers 20, 21 and 22, 23 are connected to the strip structures 24 and 25 forming along the strip lines of the region with circular polarization of the microwave magnetic field. Mutual 45-degree phase shifters are implemented due to the difference in the electric lengths of the output arms 20, 21 and 22, 23.

Полосковые структуры 24 и 25 представляют собой замедляющую систему гребенчатого типа с длиной зуба, равной 1/8λ, где λ - средняя длина волны. Известно, что круговая поляризация СВЧ магнитного поля формируется двумя составляющими тока, ориентируемыми в пространстве под углом друг к другу в 90° и сдвинутыми по фазе на 90 электрических градусов. Как показано на фиг.3, это условие выполняется, если ток I, протекающий вдоль проводника, у основания зуба делится пополам на две равные составляющие i₁ и i₂. Составляющая i₁ ориентирована вдоль основного проводника, а составляющая i₂ - вдоль зуба, который перпендикулярен основному проводнику. Если фазу тока i₁ принять равной нулю, то фаза тока i₂, приходящего после отражения от разомкнутого конца зуба в точку разветвления, будет отставать от фазы тока i₁ на 90 градусов. При этих условиях суммарный вектор i, оставаясь постоянным по амплитуде, во времени будет совершать вращение по часовой стрелке с частотой, равной частоте СВЧ колебаний. Поскольку вокруг проводника с током формируется магнитное поле, то и оно будет поляризовано по кругу.Strip structures 24 and 25 are a comb type retarding system with a tooth length of 1 / 8λ, where λ is the average wavelength. It is known that the circular polarization of the microwave magnetic field is formed by two current components, oriented in space at an angle to each other of 90 ° and phase shifted by 90 electrical degrees. As shown in figure 3, this condition is met if the current I flowing along the conductor at the base of the tooth is divided in half into two equal components i ₁ and i ₂ . Component i _{1 is} oriented along the main conductor, and component i ₂ is oriented along the tooth, which is perpendicular to the main conductor. If the current phase i _{1 is} taken equal to zero, then the phase of the current i ₂ coming after reflection from the open end of the tooth to the branch point will lag 90 degrees from the phase of the current i ₁ . Under these conditions, the total vector i, remaining constant in amplitude, in time will rotate clockwise with a frequency equal to the frequency of microwave oscillations. Since a magnetic field is formed around the conductor with current, it will also be polarized in a circle.

Круговая поляризация СВЧ магнитного поля необходима для реализации невзаимного фазовращателя, принцип действия которого основан на взаимодействии намагниченного феррита с СВЧ магнитным полем. Ферритовый вкладыш, выполненный в виде плоских пластин 26, размещен в четыре ряда на крышках 27 над областями круговой поляризации. Подмагничивание ферритовых пластин 26 осуществляется электромагнитной системой, состоящей из двух магнитопроводов 28 с полюсными наконечниками 29 и катушек 30, закрепленной на крышках 27. Направление подмагничивания ферритовых пластин показано стрелками.Circular polarization of a microwave magnetic field is necessary for the implementation of a nonreciprocal phase shifter, the principle of which is based on the interaction of magnetized ferrite with a microwave magnetic field. The ferrite insert, made in the form of flat plates 26, is placed in four rows on the covers 27 above the regions of circular polarization. The magnetization of ferrite plates 26 is carried out by an electromagnetic system consisting of two magnetic circuits 28 with pole pieces 29 and coils 30 mounted on the covers 27. The direction of magnetization of the ferrite plates is shown by arrows.

Работу полоскового циркулятора фазового типа, т.е. прохождение подводимых к его плечам сигналов, можно проследить, используя схему, приведенную на фиг.1. Подобно волноводному циркулятору полосковый циркулятор фазового типа в зависимости от конкретного назначения может иметь различные варианты конструктивного исполнения. Конструкция, приведенная на фиг.2, характеризуется минимальными габаритами, но работоспособна при сравнительно небольших уровнях мощности. Использование 3-дБ направленных ответвителей шлейфного типа позволяет значительно улучшить мощностные характеристики, но при этом возрастают габариты.The operation of the strip type phase circulator, i.e. the passage of the signals supplied to his shoulders can be traced using the circuit shown in figure 1. Like a waveguide circulator, a strip type phase circulator, depending on the specific purpose, can have various design options. The design shown in figure 2, is characterized by minimal dimensions, but is operable at relatively low power levels. The use of 3-dB directional couplers of a stub type can significantly improve power characteristics, but the dimensions increase.

На фиг.5 приведена конструкция трехплечного полоскового циркулятора фазового типа с использованием 3-дБ направленного ответвителя шлейфного типа 31 в сочетании с тройниковым разветвителем 32. Нагрузка 33 функционально заменяет собой четвертое плечо полоскового циркулятора фазового типа, которое обычно нагружается на согласованную нагрузку.Figure 5 shows the construction of a three-arm strip-type phase circulator using a 3-dB directional coupler of a stub type 31 in combination with a tee coupler 32. Load 33 functionally replaces the fourth arm of the strip-type phase circulator, which is usually loaded on a matched load.

Имея в виду современные тенденции к миниатюризации радиоэлектронных средств, в том числе и РЛС, представляется целесообразным также выполнение циркулятора фазового типа в микрополосковом исполнении для замены маломощных микрополосковых Y-циркуляторов, используемых в приемопередающих модулях в качестве антенных коммутаторов.Bearing in mind the current trends towards miniaturization of electronic equipment, including radar, it also seems advisable to perform a phase-type circulator in microstrip design to replace low-power microstrip Y-circulators used in antenna transceiver modules.

Claims

1. The phase-type circulator, consisting of two bridge devices and a non-reciprocal phase shifter located between them, the ferrite insert of which is made in the form of a set of plates, characterized in that it is made using bridge devices in a strip design and a non-reciprocal phase shifter on a strip slowdown structure of the comb type, moreover, each of the bridge devices is made in the form of a 3-dB directional coupler on connected strips, or a directional coupler of a stub type, or a tee branch la, and the ferrite insert of the nonreciprocal phase shifter is placed on the covers of the strip moderator of the comb type in the region of circular polarization of the microwave frequency field.

2. The circulator according to claim 1, characterized in that all the functional devices included in its composition are made in microstrip design.