RU2601277C1

RU2601277C1 - T-circulator

Info

Publication number: RU2601277C1
Application number: RU2015138307/28A
Authority: RU
Inventors: Вадим Иванович Добисов; Наталья Вячеславовна Растворова; Оксана Михайловна Терехова
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова"
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2016-10-27

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to microwave engineering and can be used in waveguide channels of transmitters, receivers, radar antennas for directional transmission of electromagnetic waves. T-circulator has a symmetrical waveguide T-branch in H-plane, a matching metal wedge, three ferrite inserts installed in the area of circular polarization, and a magnetic system. For expansion of the working frequencies band and better electric strength all the inserts are composed as trihedral equilateral ferrite prisms. Herewith all the triangular equilateral ferrite prisms are oriented with one lateral face perpendicular to the axis of symmetry of the waveguide T-branch and with one lateral edge - towards the metal wedge.

EFFECT: directed transmission of electromagnetic waves.

1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в волноводных трактах передатчиков, приемников, антенн РЛС для направленной передачи электромагнитных волн.The present invention relates to microwave technology and can be used in the waveguide paths of transmitters, receivers, radar antennas for directional transmission of electromagnetic waves.

Известна конструкция Т-циркулятора [А.Л. Микаэлян. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах. Госэнергоиздат, 1963 г., стр. 582, рис. 10-63, 10-64], содержащая симметричное волноводное Т-разветвление в Н-плоскости, согласующий клин, круглый цилиндрический ферритовый вкладыш, размещенный симметрично относительно плоскости симметрии Т-разветвления, диаметрально пересекающей его, и магнитную систему.The known design of the T-circulator [A.L. Mikaelian. Theory and application of ferrites at microwave frequencies. Gosenergoizdat, 1963, p. 582, fig. 10-63, 10-64], containing a symmetric waveguide T-branch in the H-plane, matching wedge, a round cylindrical ferrite insert placed symmetrically with respect to the plane of symmetry of the T-branch, diametrically intersecting it, and a magnetic system.

Недостатки состоят в узкой полосе рабочих частот и низкой электропрочности.The disadvantages are a narrow band of operating frequencies and low electrical strength.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является конструкция Т-циркулятора [RU 106041 U1, H01P 1/38, опубл. 27.06.2011 г.], содержащая симметричное волноводное Т-разветвление в Н-плоскости, согласующий металлический клин, круглый цилиндрический ферритовый вкладыш и магнитную систему, причем в симметричном волноводном Т-разветвлении дополнительно установлены два круглых цилиндрических ферритовых вкладыша, размещенных симметрично относительно плоскости симметрии волноводного Т-разветвления, а третий круглый цилиндрический ферритовый вкладыш установлен симметрично относительно плоскости симметрии волноводного Т-разветвления и диаметрально пересекается ею.The closest in technical essence to the present invention is the design of the T-circulator [RU 106041 U1, H01P 1/38, publ. June 27, 2011], containing a symmetric waveguide T-branching in the H-plane, matching a metal wedge, a round cylindrical ferrite insert and a magnetic system, moreover, two circular cylindrical ferrite inserts placed symmetrically with respect to the plane of symmetry are installed in the symmetric waveguide T-branch waveguide T-branching, and the third round cylindrical ferrite insert is installed symmetrically relative to the plane of symmetry of the waveguide T-branching and diametrically intersects it.

Недостаток такой конструкции Т-циркулятора состоит в узкой полосе рабочих частот.The disadvantage of this design of the T-circulator is a narrow band of operating frequencies.

Задачей предлагаемого изобретения является достижение возможности расширения рабочей полосы частот.The task of the invention is to achieve the possibility of expanding the working frequency band.

Технический эффект предлагаемого изобретения заключается в расширении полосы рабочих частот и повышении электропрочности.The technical effect of the invention is to expand the operating frequency band and increase electrical strength.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что Т-циркулятор содержит симметричное волноводное Т-разветвление в Н-плоскости, согласующий металлический клин, три ферритовых вкладыша, установленные в области круговой поляризации, и магнитную систему.The essence of the invention lies in the fact that the T-circulator contains a symmetric waveguide T-branching in the H-plane, matching a metal wedge, three ferrite inserts installed in the region of circular polarization, and a magnetic system.

Новым в предлагаемом Т-циркуляторе является то, что все вкладыши выполнены в виде трехгранных равносторонних ферритовых призм, при этом все трехгранные равносторонние ферритовые призмы ориентированы одной боковой гранью ортогонально к оси симметрии волноводного Т-разветвления, а одним боковым ребром в сторону металлического клина.New in the proposed T-circulator is that all the inserts are made in the form of trihedral equilateral ferrite prisms, while all trihedral equilateral ferrite prisms are oriented with one side face orthogonally to the axis of symmetry of the waveguide T-branching, and with one side edge towards the metal wedge.

На чертеже приведено схематичное изображение предлагаемого Т-циркулятора.The drawing shows a schematic representation of the proposed T-circulator.

Т-циркулятор состоит из: симметричного волноводного Т-разветвления в Н-плоскости образованного средним волноводным каналом (1), двумя боковыми волноводными каналами (2) и (3), согласующего металлического клина (4), трех трехгранных равносторонних ферритовых призм (5), (6), (7) и магнитной системы (8).The T-circulator consists of: a symmetric waveguide T-branching in the H-plane formed by the middle waveguide channel (1), two side waveguide channels (2) and (3), a matching metal wedge (4), three trihedral equilateral ferrite prisms (5) , (6), (7) and the magnetic system (8).

Т-циркулятор работает следующим образом: поле волны Н₁₀, возбужденной в среднем волноводном канале (1) Т-циркулятора, достигнув симметричного волноводного Т-разветвления, возбуждает в боковых волноводных каналах (2) и (3) первичные волны H₁₀. В силу симметрии волноводного Т-разветвления первичные волны в волноводных каналах (2) и (3) равны по амплитуде и синфазны. Одновременно волна H₁₀, пришедшая из среднего волноводного канала (1), возбуждает намагниченные магнитной системой (8) трехгранные равносторонние ферритовые призмы (5), (6) и (7). Особенность возбуждения трехгранных равносторонних ферритовых призм (5) и (6) и правой и левой частей трехгранной равносторонней ферритовой призмы (7) состоит в том, что магнитная составляющая поля СВЧ волны H₁₀ с одной стороны (справа) от плоскости, проходящей через средние линии широких стенок среднего волноводного канала (1), и с другой стороны (слева) имеет встречную круговую поляризацию (правую и левую). Величины магнитных проницаемостей одинаково намагниченных ферритовых вкладышей для право- и левополяризованных волн, т.е. левой трехгранной равносторонней ферритовой призмы (5) и правой трехгранной равносторонней ферритовой призмы (6), и левой и правой частей трехгранной равносторонней ферритовой призмы (7), различны. Это приводит к тому, что левая и правая трехгранные равносторонние ферритовые призмы (5) и (6), левая и правая части трехгранной равносторонней ферритовой призмы (7) по-разному воздействуют на симметричное поле волны H₁₀ в симметричном волноводном Т-разветвлении. Это вызывает возбуждение антисимметричной волны H₂₀ в симметричном волноводном Т-разветвлении, т.е. волны H₂₀, переизлученной трехгранными равносторонними ферритовыми призмами (5), (6) и (7), которая противофазно возбуждает боковые волноводные каналы (2) и (3). В силу симметричного расширения волноводного Т-разветвления, размер поперечного сечения допускает существование волны H₂₀. Таким образом, имеют место необходимое и достаточное условия существования волны H₂₀ в симметричном волноводном Т-разветвлении. В результате в одном из боковых (выходных) волноводных каналов, например (2), поле первичной волны H₁₀ и поле вторичной волны H₂₀ (переизлученной ферритовыми вкладышами) оказываются синфазными, а в другом волноводном канале (3) - противофазными.The T-circulator operates as follows: the field of the H ₁₀ wave excited in the middle waveguide channel (1) of the T-circulator, having reached the symmetric waveguide T-branching, excites the primary H ₁₀ waves in the side waveguide channels (2) and (3). Due to the symmetry of the waveguide T-branching, the primary waves in the waveguide channels (2) and (3) are equal in amplitude and in phase. At the same time, the H ₁₀ wave that came from the middle waveguide channel (1) excites trihedral equilateral ferrite prisms (5), (6) and (7) magnetized by the magnetic system (8). The peculiarity of the excitation of trihedral equilateral ferrite prisms (5) and (6) and the right and left parts of a trihedral equilateral ferrite prism (7) is that the magnetic component of the field of microwave waves H ₁₀ on one side (right) of the plane passing through the middle lines wide walls of the middle waveguide channel (1), and on the other hand (left) has counter circular polarization (right and left). Magnetic permeabilities of identically magnetized ferrite inserts for right- and left-polarized waves, i.e. the left trihedral equilateral ferrite prism (5) and the right trihedral equilateral ferrite prism (6), and the left and right parts of the trihedral equilateral ferrite prism (7) are different. This leads to the fact that the left and right trihedral equilateral ferrite prisms (5) and (6), the left and right parts of the trihedral equilateral ferrite prism (7) act differently on the symmetric field of the H ₁₀ wave in the symmetric waveguide T-branching. This causes the excitation of the antisymmetric wave H ₂₀ in the symmetric waveguide T-branching, i.e. H ₂₀ waves reradiated by trihedral equilateral ferrite prisms (5), (6) and (7), which antiphase excites the lateral waveguide channels (2) and (3). Due to the symmetric expansion of the waveguide T-branching, the size of the cross section allows the existence of waves H ₂₀ . Thus, there are necessary and sufficient conditions for the existence of an H ₂₀ wave in a symmetric waveguide T-branching. As a result, in one of the lateral (output) waveguide channels, for example (2), the field of the primary wave H ₁₀ and the field of the secondary wave H ₂₀ (reradiated by ferrite inserts) turn out to be in phase, and in the other waveguide channel (3) - out of phase.

При синфазности и равенстве амплитуд первичной и вторичной волн в боковом волноводном канале (2) энергия волны, возбужденной в среднем волноводном канале (1,) будет полностью передаваться в боковой волноводный канал (2). Одновременно противофазность и равенство амплитуд первичной и вторичной волн в боковом волноводном канале (3) приводят к их взаимной компенсации и обеспечивают развязку этого волноводного канала. Т.е. будет осуществляться последовательная передача энергии электромагнитных волн из канала в канал 1→2→3→1.When the phase and phase amplitudes of the primary and secondary waves are equal in the side waveguide channel (2), the energy of the wave excited in the middle waveguide channel (1,) will be completely transferred to the side waveguide channel (2). At the same time, the antiphase and equality of the amplitudes of the primary and secondary waves in the lateral waveguide channel (3) lead to their mutual compensation and provide isolation of this waveguide channel. Those. sequential transmission of electromagnetic wave energy from channel to channel 1 → 2 → 3 → 1 will be carried out.

При возбуждении симметричного волноводного Т-разветвления волной Н₁₀со стороны одного из боковых волноводных каналов, например (2), симметрия волноводного Т-разветвления в Н-плоскости отсутствует. Однако, в силу граничных условий на его стенках и принципа взаимности, в согласованном волноводном Т-разветвлении возбуждается поле по структуре аналогичное волне H₁₀, повторяющее структуру поля, возбуждаемого в волноводном Т-разветвлении со стороны среднего волноводного канала (1). В результате в волноводах среднего волноводного канала (1) и бокового волноводного канала (3) возбуждаются равные по амплитудам синфазные первичные волны H₁₀. Так же, как и при возбуждении со стороны среднего волноводного канала (1), при возбуждении электромагнитного поля со стороны бокового волноводного канала (2) все три одинаково намагниченных трехгранных равносторонних ферритовых призмы - левая трехгранная равносторонняя ферритовая призма (7), правая трехгранная равносторонняя ферритовая призма (5) и левая и правая части трехгранной равносторонней ферритовой призмы (6) - возбуждаются электромагнитным полем с встречной круговой поляризацией - левого и правого направлений. В связи с этим величина магнитной проницаемости трехгранных равносторонних ферритовых призм различна и соответственно переизлученное ими вторичное поле слева и справа по направлению его распространения противоположно (по поляризации вектора E), т.е. аналогично полю волны H₂₀ (вторичная волна). Размеры волноводного Т-разветвления в Н-плоскости за счет протяженности среднего волноводного канала (1) в направлении его продольной оси допускают существование волны, аналогичной волне Н₂₀. Это приводит к тому, что в одном из волноводных каналов, например (1), поля первичной и вторичной волн синфазны и складываются, а в другом волноводном канале (3) - противофазны и вычитаются. Т.е. будет осуществляться последовательность передачи энергии электромагнитных волн из канала в канал 1→2→3→1.When a symmetric waveguide T-branching by a wave of H _{10 is} excited from one of the side waveguide channels, for example (2), there is no symmetry of the waveguide T-branching in the H-plane. However, due to the boundary conditions on its walls and the reciprocity principle, in a matched waveguide T-branch, a field is excited in a structure similar to the H ₁₀ wave, repeating the structure of the field excited in the waveguide T-branch from the side of the middle waveguide channel (1). As a result, in phase waveguides of the middle waveguide channel (1) and the side waveguide channel (3), in phase amplitudes of the in-phase primary waves H _{10 are} excited. As in the case of excitation from the side of the middle waveguide channel (1), when the electromagnetic field is excited from the side of the side waveguide channel (2), all three identically magnetized trihedral equilateral ferrite prisms are the left trihedral equilateral ferrite prism (7), the right trihedral equilateral ferrite prism prism (5) and the left and right parts of a trihedral equilateral ferrite prism (6) are excited by an electromagnetic field with counter circular polarization - left and right directions. In this regard, the magnetic permeability of trihedral equilateral ferrite prisms is different and, accordingly, the secondary field reemitted by them from the left and right in the direction of its propagation is opposite (in the polarization of the vector E), i.e. similar to the field of the wave H ₂₀ (secondary wave). The dimensions of the waveguide T-branching in the H-plane due to the length of the middle waveguide channel (1) in the direction of its longitudinal axis allow the existence of a wave similar to the wave of H ₂₀ . This leads to the fact that in one of the waveguide channels, for example (1), the fields of the primary and secondary waves are in phase and add up, and in the other waveguide channel (3) they are in-phase and subtracted. Those. the sequence of transfer of energy of electromagnetic waves from channel to channel 1 → 2 → 3 → 1 will be carried out.

При синфазности и равенстве амплитуд полей первичной и вторичной электромагнитных волн в волноводном канале (1) энергия волны, возбужденной в волноводном канале (2) будет полностью передаваться в волноводный канал (1). Одновременно противофазность и равенство амплитуд первичной и вторичной электромагнитных волн в волноводном канале (3) приводят к их взаимной компенсации и обеспечивают развязку волноводного канала (3). При возбуждении Т-циркулятора со стороны волноводного канала (3) и сохранении направления магнитного поля, намагничивающего трехгранные равносторонние ферритовые призмы (5), (6) и (7), сложение первичного и вторичного полей будет происходить в волноводном канале (1), а вычитание - в волноводном канале (2), т.е. будет осуществляться последовательность передачи энергии электромагнитных волн из канала в канал 1→2→3→1. При изменении направления поля, намагничивающего ферритовые призмы на встречное направление передачи волн, изменится на обратное: 1→3→2→1.With the phase in phase and equality of the amplitudes of the fields of the primary and secondary electromagnetic waves in the waveguide channel (1), the energy of the wave excited in the waveguide channel (2) will be completely transferred to the waveguide channel (1). At the same time, the antiphase and equality of the amplitudes of the primary and secondary electromagnetic waves in the waveguide channel (3) lead to their mutual compensation and provide isolation of the waveguide channel (3). When the T-circulator is excited from the side of the waveguide channel (3) and the direction of the magnetic field magnetizing the trihedral equilateral ferrite prisms (5), (6) and (7) is maintained, the addition of the primary and secondary fields will occur in the waveguide channel (1), and subtraction - in the waveguide channel (2), i.e. the sequence of transfer of energy of electromagnetic waves from channel to channel 1 → 2 → 3 → 1 will be carried out. When the direction of the field magnetizing the ferrite prisms to the opposite direction of wave transmission changes, it will reverse: 1 → 3 → 2 → 1.

В предлагаемой конструкции Т-циркулятора расширению полосы рабочих частот и увеличению его электропрочности способствует выполнение конфигурации ферритовых вкладышей в виде трехгранных равносторонних призм. Постепенное увеличение их сечения от боковых ребер к центру влечет за собой плавное изменение эффективной диэлектрической проницаемости. Трехгранные равносторонние ферритовые призмы, установленные в области круговой поляризации слева и справа от плоскости симметрии в трехплечном волноводном Т-разветвлении, преобразуют часть энергии электромагнитного поля волны H₁₀ в электромагнитное поле волны H₂₀, что приводит к перераспределению поля в волноводном Т-разветвлении и снижению его концентрации в центре Т-разветвления. Все это ведет к расширению полосы рабочих частот Т-циркулятора и увеличению его электропрочности. А увеличение площади соприкосновения трехгранных равносторонних ферритовых призм с поверхностями волноводного Т-разветвления улучшает теплоотдачу (теплоотвод) от ферритовых деталей и тем самым повышает тепловую прочность.In the proposed design of the T-circulator, the configuration of ferrite inserts in the form of triangular equilateral prisms contributes to the expansion of the operating frequency band and its electric strength. A gradual increase in their cross section from the side ribs to the center entails a smooth change in the effective dielectric constant. Trihedral equilateral ferrite prisms installed in the circular polarization region to the left and right of the plane of symmetry in the three-arm waveguide T-branch, convert part of the energy of the electromagnetic field of the wave H ₁₀ into the electromagnetic field of the wave H ₂₀ , which leads to the redistribution of the field in the waveguide T-branch and reduce its concentration at the center of the T-branch. All this leads to an expansion of the operating frequency band of the T-circulator and an increase in its electric strength. And the increase in the contact area of trihedral equilateral ferrite prisms with the surfaces of the waveguide T-branching improves the heat transfer (heat removal) from ferrite parts and thereby increases the thermal strength.

Claims

A T-circulator containing symmetric waveguide T-branching in the H-plane, matching a metal wedge, three ferrite inserts installed in the region of circular polarization, and a magnetic system, characterized in that all the inserts are made in the form of trihedral equilateral ferrite prisms, while all trihedral equilateral ferrite prisms are oriented by one side face orthogonally to the axis of symmetry of the waveguide T-branch, and one side edge towards the metal wedge.