RU2606518C1

RU2606518C1 - T-circulator

Info

Publication number: RU2606518C1
Application number: RU2015143249A
Authority: RU
Inventors: Вадим Иванович Добисов; Наталья Вячеславовна Растворова
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова"
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2015-10-09
Publication date: 2017-01-10

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention relates to UHF-engineering and can be used in waveguide channels of transmitters, receivers, radar antennae for directional transmission of electromagnetic waves. T-circulator has a symmetrical waveguide T-branch in H-plane, matching metal wedge, three ferrite inserts and a magnetic system. To increase heat and electrical strength of the T-circulator at expansion of the working frequencies band each ferrite insert is made in the form of two trihedral equilateral ferrite prisms, which are installed coaxially on the opposite wide walls of the waveguide T-branch in H-plane, in the areas of circular polarization. Herewith every trihedral equilateral ferrite prism is oriented with one lateral face perpendicular to the plane of symmetry of the waveguide T-branch in H-plane and with one lateral edge towards the matching 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. Его недостатки состоят в узкой полосе рабочих частот и низкой электропрочности.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-branching in the H-plane, matching wedge, a round cylindrical ferrite insert placed symmetrically with respect to the plane of symmetry of the T-branching diametrically intersecting it, and a magnetic system. Its disadvantages are a narrow band of operating frequencies and low electrical strength.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является конструкция Т-циркулятора [Патент на полезную модель RU 109333 U1, опубликован: 10.10.2011], содержащая симметричное волноводное Т-разветвление в Н-плоскости, согласующий металлический клин, три цилиндрических ферритовых вкладыша, выполненных в виде двух дисков, и магнитную систему.The closest in technical essence to the present invention is the design of the T-circulator [Patent for utility model RU 109333 U1, published: 10.10.2011], containing a symmetrical waveguide T-branching in the H-plane, matching a metal wedge, three cylindrical ferrite inserts made in the form of two disks, and a magnetic system.

Недостатком такой конструкции Т-циркулятора является узкая полоса рабочих частот, что определяется резким изменением диэлектрической проницаемости на границе воздух (ε=1) - феррит (ε≈12÷44) (при воздушном заполнении волноводного Т-разветвления).The disadvantage of this design of the T-circulator is the narrow operating frequency band, which is determined by a sharp change in the dielectric constant at the air (ε = 1) - ferrite (ε≈12 ÷ 44) boundary (when the waveguide T-branch is air-filled).

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей Т-циркулятора.The task of the invention is to expand the functionality of the T-circulator.

Технический эффект предлагаемого изобретения состоит в повышении тепловой и электрической прочности при расширении полосы рабочих частот Т-циркулятора.The technical effect of the invention consists in increasing the thermal and electrical strength while expanding the operating frequency band of the T-circulator.

Сущность предлагаемого Т-циркулятора состоит в том, что он содержит симметричное волноводное Т-разветвление в Н-плоскости, согласующий металлический клин, три ферритовых вкладыша и магнитную систему.The essence of the proposed T-circulator is that it contains a symmetric waveguide T-branching in the H-plane, matching a metal wedge, three ferrite inserts and a magnetic system.

Новым в предлагаемом Т-циркуляторе является то, что каждый ферритовый вкладыш выполнен в виде двух трехгранных равносторонних ферритовых призм, которые соосно установлены на противоположных широких стенках волноводного Т-разветвления в Н-плоскости, в областях круговой поляризации. При этом каждая трехгранная равносторонняя ферритовая призма ориентирована одной боковой гранью ортогонально к плоскости симметрии волноводного Т-разветвления в Н-плоскости и одним боковым ребром в сторону согласующего металлического клина.New in the proposed T-circulator is that each ferrite insert is made in the form of two trihedral equilateral ferrite prisms, which are coaxially mounted on the opposite wide walls of the waveguide T-branching in the H-plane, in areas of circular polarization. In this case, each trihedral equilateral ferrite prism is oriented by one lateral face orthogonal to the plane of symmetry of the waveguide T-branching in the H-plane and one side edge in the direction of the matching metal wedge.

На фиг. 1 приведено схематичное изображение предлагаемого Т-циркулятора.In FIG. 1 is a schematic representation of the proposed T-circulator.

Т-циркулятор состоит из: симметричного волноводного Т-разветвления в Н-плоскости, образованного средним волноводным каналом (1) и двумя боковыми волноводными каналами (2) и (3), согласующего металлического клина (4), трех ферритовых вкладышей (5), (6), (7), выполненных в виде двух трехгранных равносторонних ферритовых призм, соосно установленных на противоположных широких стенках волноводного Т-разветвления в Н-плоскости таким образом, что все призмы ориентированы одной боковой гранью ортогонально к плоскости симметрии волноводного Т-разветвления и одним боковым ребром в сторону согласующего металлического клина (4) и магнитной системы (8).A T-circulator consists of: a symmetric waveguide T-branching in the H-plane, formed by the middle waveguide channel (1) and two side waveguide channels (2) and (3), a matching metal wedge (4), three ferrite inserts (5), (6), (7), made in the form of two trihedral equilateral ferrite prisms, coaxially mounted on opposite wide walls of the waveguide T-branching in the H-plane in such a way that all the prisms are oriented by one side face orthogonally to the plane of symmetry of the waveguide T-branching Ia and one lateral edge toward the matching metal wedge (4) and the magnetic system (8).

Т-циркулятор работает следующим образом: поле волны Н₁₀, возбужденной, например, в среднем волноводном канале (1) Т-циркулятора, достигнув симметричного волноводного Т-разветвления, возбуждает в боковых волноводных каналах (2) и (3) первичные волны Н₁₀. В силу симметрии волноводного Т-разветвления первичные волны в боковых волноводных каналах (2) и (3) равны по амплитуде и синфазны. Одновременно волна Н₁₀,пришедшая из среднего волноводного канала (1), возбуждает намагниченные ферритовые вкладыши (5) и (6), расположенные в симметричном волноводном Т-разветвлении симметрично справа и слева от плоскости, проходящей через средние линии широких стенок среднего волноводного канала (1), и ферритовый вкладыш (7), пересекаемый этой плоскостью. Особенностью возбуждения ферритовых вкладышей (5) и (6) и правой и левой частей ферритового вкладыша (7) состоит в том, что магнитная составляющая поля СВЧ волны Н₁₀ с одной стороны от плоскости, проходящей через средние линии широких стенок среднего волноводного канала (1), и с другой стороны от этой плоскости - имеют встречную (правую и левую) круговую поляризацию. Величина магнитной проницаемости одинаково намагниченных ферритовых вкладышей различна для право- и левополяризованных волн, т.е. для левого (5) и правого (6) ферритовых вкладышей, и для левой и правой частей ферритового вкладыша (7), пересекаемого плоскостью, проходящей через средние линии широких стенок среднего волноводного канала (1) (плоскостью симметрии Т-циркулятора). Это приводит к тому, что левый и правый ферритовые вкладыши (5) и (6) и левая и правая части ферритового вкладыша (7) по-разному (асимметрично) воздействуют на симметричное поле волны Н₁₀ в симметричном волноводном Т-разветвлении. Это вызывает возбуждение волны Н₂₀ в волноводном Т-разветвлении, переизлученной ферритовыми вкладышами (5), (6) и (7). В силу симметричного расширения волноводного Т-разветвления, размер поперечного сечения допускает существование волны Н₂₀. Таким образом, имеют место необходимое и достаточное условия существования волны Н₂₀ в симметричном волноводном Т-разветвлении, противофазно возбуждающей боковые волноводные каналы (2) и (3). В результате при равенстве амплитуд первичной волны Н₁₀ и вторичной волны Н₂₀, а также при их синфазности в одном из боковых волноводных каналов, например, в волноводном канале (2), поле волны Н₁₀ и поле волны Н₂₀(переизлученной ферритовыми вкладышами) будут складываться, а в другом волноводном канале (3) - вычитаться. То есть энергия волны, возбужденной в среднем волноводном канале (1), будет полностью передаваться в 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.The T-circulator works as follows: the wave field H₁₀excited, for example, in the middle waveguide channel (1) of the T-circulator, having reached the symmetric waveguide T-branching, excites the primary waves H in the side waveguide channels (2) and (3)₁₀. Due to the symmetry of the waveguide T-branching, the primary waves in the lateral waveguide channels (2) and (3) are equal in amplitude and in phase. At the same time, wave H₁₀,coming from the middle waveguide channel (1), excites magnetized ferrite inserts (5) and (6) located in the symmetric waveguide T-branching symmetrically to the right and left of the plane passing through the middle lines of the wide walls of the middle waveguide channel (1), and ferrite insert (7) intersected by this plane. A specific feature of the excitation of ferrite inserts (5) and (6) and the right and left parts of the ferrite insert (7) is that the magnetic component of the microwave field H₁₀ on the one hand from the plane passing through the midlines of the wide walls of the middle waveguide channel (1), and on the other hand from this plane, they have oncoming (right and left) circular polarization. The magnetic permeability of identically magnetized ferrite inserts is different for right- and left-polarized waves, i.e. for the left (5) and right (6) ferrite inserts, and for the left and right parts of the ferrite insert (7), intersected by a plane passing through the midlines of the wide walls of the middle waveguide channel (1) (T-circulator symmetry plane). This leads to the fact that the left and right ferrite inserts (5) and (6) and the left and right parts of the ferrite insert (7) act differently (asymmetrically) on the symmetric field of the wave H₁₀ in symmetric waveguide T-branching. This causes the excitation of the wave H_twenty in the waveguide T-branching reradiated by ferrite inserts (5), (6) and (7). Due to the symmetric expansion of the waveguide T-branching, the size of the cross section allows the existence of the wave H_twenty. Thus, the necessary and sufficient conditions for the existence of the wave H_twenty in a symmetric waveguide T-branch, antiphase exciting side waveguide channels (2) and (3). As a result, with equal amplitudes of the primary wave H₁₀ and secondary wave H_twentyand also when they are in phase in one of the lateral waveguide channels, for example, in the waveguide channel (2), the wave field H₁₀ and the field of the wave H_twenty(reradiated by ferrite inserts) will be added, and in another waveguide channel (3) - subtracted. That is, the energy of a wave excited in the middle waveguide channel (1) will be completely transferred to the 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.

При возбуждении симметричного волноводного Т-разветвления волной Н₁₀ со стороны одного из боковых волноводных каналов, например, волноводного канала (2), симметрия волноводного Т-разветвления в Н-плоскости отсутствует. Однако, в силу граничных условий на его стенках и принципа взаимности, непосредственно в согласованном волноводном Т-разветвлении возбуждается поле, по структуре аналогичное волне Н₁₀, 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 Н₁₀. 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 ферритовых вкладыша: левый (7), правый (5) и левая и правая половины вкладыша (6) возбуждаются электромагнитным полем со встречной круговой поляризацией - левого и правого направлений. В связи с этим величина магнитной проницаемости ферритовых вкладышей различна, и соответственно переизлученное ими вторичное поле слева и справа по направлению его распространения антисимметрично (по поляризации вектора Е), т.е. аналогично полю волны Н₂₀ (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, волноводном канале (1), поля первичной и вторичной волн синфазны и складываются, а в другом волноводном канале (3) - противофазны и вычитаются. 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, что обеспечивает развязку волноводного канала (3). Аналогичным образом будет осуществляться передача энергии электромагнитных волн при возбуждении Т-циркулятора со стороны волноводного канала (3) при сохранении направления магнитного поля, намагничивающего ферритовые вкладыши (5), (6), (7). Т.е. будет осуществляться последовательность передачи энергии электромагнитных волн из канала в канал 1→2→3→1. При изменении направления поля, намагничивающего ферритовые вкладыши на встречное направление, передача волн изменится на обратное: 1→3→2→1.When a symmetric waveguide T-branching by wave H _{10 is} excited from one of the side waveguide channels, for example, waveguide channel (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, a field is excited directly in the matched waveguide T-branch, similar in structure 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 the waveguides of the middle waveguide channel (1) and the side waveguide channel (3), in-amplitude primary waves of H ₁₀ equal in amplitude 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 are equally magnetized ferrite inserts: the left (7), right (5) and the left and right halves of the insert (6) are excited by an electromagnetic field with counter circular polarization - left and right directions. In this regard, the magnetic permeability of ferrite inserts is different, and accordingly, the secondary field reradiated by them on the left and right in the direction of its propagation is antisymmetric (in the polarization of the vector E), i.e. similar to the field of the wave N 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, the waveguide channel (1), the fields of the primary and secondary waves are in phase and add up, and in the other waveguide channel (3) they are out of phase and subtracted. 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, which ensures the isolation of the waveguide channel (3). In a similar way, the energy of electromagnetic waves will be transferred upon excitation of the T-circulator from the side of the waveguide channel (3) while maintaining the direction of the magnetic field magnetizing ferrite inserts (5), (6), (7). Those. 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 liners in the opposite direction changes, the wave transfer will reverse: 1 → 3 → 2 → 1.

В предлагаемой конструкции Т-циркулятора расширению полосы рабочих частот способствует изменение конфигурации ферритовых вкладышей - постепенное увеличение сечения от боковых ребер трехгранных равносторонних ферритовых призм к их центру, и неполное заполнение волновода по высоте ферритовыми вкладышами. Это влечет за собой уменьшение эффективной диэлектрической проницаемости вкладышей и ее плавное изменение от боковых ребер к центру. Одновременно трехгранные равносторонние ферритовые призмы, установленные в области круговой поляризации, на периферии трехплечего волноводного Т-разветвления преобразуют часть энергии электромагнитного поля волны Н₁₀ в электромагнитное поле волны Н₂₀, что приводит к снижению концентрации напряженности поля в центре Т-разветвления и постепенному изменению эффективной диэлектрической проницаемости на границе сред - воздух-феррит (при воздушном заполнении волноводного Т-разветвления), тем самым увеличивая его электропрочность. Расположение ферритовых вкладышей на противоположных широких стенках волноводного Т-разветвления в Н-плоскости улучшает теплоотдачу (теплоотвод) от ферритовых деталей и тем самым повышает тепловую и электрическую прочности Т-циркулятора при высоких значениях мощности.In the proposed design of the T-circulator, a widening of the operating frequency band is facilitated by a change in the configuration of ferrite inserts - a gradual increase in the cross section from the side edges of trihedral equilateral ferrite prisms to their center, and incomplete filling of the waveguide along the height with ferrite inserts. This entails a decrease in the effective dielectric constant of the liners and its smooth change from the side ribs to the center. At the same time, trihedral equilateral ferrite prisms installed in the region of circular polarization at the periphery of the three-armed waveguide T-branch transform part of the energy of the electromagnetic field of the H ₁₀ wave into the electromagnetic field of the H ₂₀ wave, which leads to a decrease in the concentration of the field strength in the center of the T-branch and a gradual change in the effective permittivity at the interface of the media - air-ferrite (when air-filled waveguide T-branching), thereby increasing its electrical strength. The location of the ferrite inserts on the opposite wide walls of the waveguide T-branching in the H-plane improves the heat transfer (heat sink) from the ferrite parts and thereby increases the thermal and electric strengths of the T-circulator at high power values.

Claims

A T-circulator containing symmetric waveguide T-branching in the H-plane, matching a metal wedge, three ferrite inserts and a magnetic system, characterized in that each ferrite insert is made in the form of two trihedral equilateral equilateral ferrite prisms, which are coaxially mounted on opposite wide walls of the waveguide T-branches in the H-plane, in the region of circular polarization, with each trihedral equilateral ferrite prism oriented with one side face orthogonal to the plane of symmetry and waveguide T-branching in the H-plane and one side ribs towards the matching metal wedge.