eng
DOI: 10.22184/1992-4178.2020.197.6.90.94
Рассмотрены ферритовые переключатели. Приведена информация о принципах построения, вариантах конструкций и характеристиках данных устройств.
Рассмотрены ферритовые переключатели. Приведена информация о принципах построения, вариантах конструкций и характеристиках данных устройств.
Теги: ferrite switches insertion loss isolation switching time вносимые потери время переключения развязка ферритовые переключатели
Ферритовые переключатели. Часть 1
В. Геворкян, к. т. н., В. Кочемасов, к. т. н.
Переключатели СВЧ‑каналов могут быть выполнены в виде электромеханических коммутаторов каналов, электронных коммутаторов (на основе pin-диодов или транзисторов) и ферритовых структур. Первый тип устройств обеспечивает коммутацию больших уровней мощности, но обладает недостаточной надежностью, а, кроме того, ограничен по скорости процесса переключения. Электронные коммутаторы наиболее быстродействующие и экономичные по энергопотреблению, но обеспечивают ограниченный диапазон коммутируемых мощностей в трактах. Устройства на основе ферритовых структур занимают промежуточное положение по степени надежности, быстродействия процесса и допускают коммутацию потоков до сотен киловатт средней мощности.
Ферритовые переключатели – это СВЧ‑устройства, основанные на применении эффекта Фарадея (вращения плоскости поляризации электромагнитной волны) в намагниченных ферромагнитных материалах. Такие переключатели применяют в диапазоне длин волн не ниже дециметровых в устройствах на основе отрезков линий передачи, поддерживающих распространение электромагнитной волны с круговой поляризацией. Принцип переключения основан на изменении плоскости поляризации электромагнитной волны на входе передающих линий относительно допустимых (для ее канализации в линии) направлений структуры поля. Изменение плоскости поляризации достигается в результате изменения направления намагничивающего поля, которое, в свою очередь, чаще всего обеспечивается изменением направления токов в катушках индуктивности, размещенных на магнитопроводах системы намагничивания. Переключение линий достигается перенаправлением электромагнитных волн в сочленении линий.
Стандартный набор параметров, характеризирующих ферромагнитные переключатели, обычно включает: полосу рабочих частот, развязку, вносимые потери, КСВ, время переключения, мощность или энергию управления, допустимый уровень мощности сигналов (импульсной или средней) в тракте.
Физические процессы
в ферромагнитных средах
При распространении электромагнитных волн в феррите, намагниченном постоянным магнитным полем Н0, происходит ряд явлений, которые в упрощенном приближении феноменологических моделей описываются гироскопическими свойствами (прецессией) суммарного магнитного момента единицы объема (намагниченности) М. Частота прецессии ω0 во внешнем магнитном поле Н0 связана с ним равенством ω0 = µ0 γ H0, где γ = 1,76 · 1011 Кл · кг–1 – гиромагнитное (или, иначе, магнито-механическое) отношение, µ0 = 4 π · 10–7 Гн · м–1 – магнитная постоянная.
Cвойства ферритов (гиротропных сред) обуславливают особенности поведения распространяющихся в них электромагнитных волн. Так, при распространении в однородном феррите в направлении постоянного поля подмагничивания линейно-поляризованной плоской волны возникает явление поворота плоскости поляризации волны – эффект Фарадея. Изменение плоскости поляризации в гиротропной среде возникает в результате различия в фазовой скорости распространения (или, иначе, наличия разности фаз) волн с противоположными круговыми поляризациями, суммой которых может быть представлена волна с исходно линейной поляризацией. Таким образом, плоскость поляризации при прохождении волной участка длиной l поворачивается на угол θ = –(β+ – β–) l, где β+ и β– – коэффициенты фазы волн, соответственно, с правой и левой круговыми поляризациями. Для частот ниже феррорезонансной частоты ωрез = ω0 ≈ µ0 γ H0 (частоты прецессии намагниченности, при которой наблюдается поглощение высокочастотной энергии в феррите, а само явление носит название ферромагнитного резонанса), что соответствует практическим случаям, плоскость поляризации вращается против часовой стрелки относительно направления постоянного магнитного поля. Для сведения, в трехсантиметровом диапазоне длин волн типичные углы поворота плоскости поляризации составляют ~100°. Важно, что направление вращения плоскости поляризации зависит от направления намагничивающего феррит постоянного магнитного поля и не зависит от направления распространения электромагнитной волны.
Эффект Фарадея используется в СВЧ‑устройствах, основанных на явлении поворота плоскости поляризации, в том числе – в переключателях каналов. В литературных источниках первые сообщения о возможности применения этого явления в радиотехнических устройствах появляются в 1947 году, а десять лет спустя ферритовые устройства на эффекте Фарадея уже применялись в технике СВЧ.
Принципы построения
ферритовых переключателей
Ферритовые переключатели рассчитаны на работу вне области резонансных частот (ниже феррорезонансной частоты); есть несколько типов их конструкций [1].
Простейший вариант построения переключателей основан на переключении направления передачи сигнала в каналах циркулятора за счет изменения направления приложенного постоянного магнитного поля. На рис. 1 показан циркулятор, основанный на эффекте Фарадея – вращении плоскости поляризации волны в волноводе круглого поперечного сечения. В нем волна Н01, поступающая из прямоугольного волновода 1, преобразуется в согласующем переходе в круглый волновод в волну Н11, плоскость поляризации которой при распространении в нем за счет ферритового стержня поворачивается по часовой стрелке относительно внешнего магнитного поля Н0. Электрическая длина отрезка волновода круглого сечения (определяемая длиной ферритового стержня и напряженностью поля намагничивания) соответствует повороту плоскости поляризации волны на его конце на угол 45°. Вследствие этого волна, после обратного преобразования на ступенчатом переходе в волну Н01, получит ориентацию, соответствующую волноводу 2, который тоже повернут относительно входного волновода на 45°. Взаимное положение прямоугольных волноводов создает направление передачи волны со входа 2 в канал 3, со входа 3 в канал 4, а из канала 4 в канал 1. При перемене направления намагничивающего поля Н0 (за счет изменения направления тока в обмотке намагничивания) волны будут передаваться в направлении каналов 1 → 4 → 3 → 2 → 1.
Итак, такой циркулятор в варианте переключателя каналов, образованный двумя одинаковыми поляризационными разделителями, называемыми «тройниками», и участком волновода с продольно намагниченным ферритовым стержнем в нем – невзаимное устройство.
Вариант взаимного переключателя представлен на рис. 2. В нем при отсутствии тока в катушке намагничивания магнитное поле равно нулю и вращения плоскости поляризации не происходит. Поэтому волна из канала 1 проходит в канал 2. При соответствующем подборе силы тока в обмотке поворот плоскости поляризации волны может составить 90° и волна относительно окна волновода канала 2 окажется ортогональной допустимой структуре поля (не попадет в канал 2), но будет соответствовать структуре поля окна волновода канала 3. Поэтому волна из канала 1 будет передаваться в канал 3. Такой переключатель не обладает вентильными свойствами.
Из сказанного следует, что большинство электрических параметров рассмотренных переключателей повторяет свойства циркуляторов, на основе которых они построены. К этим параметрам относятся: вносимые потери, КСВ, пропускаемая мощность, полоса рабочих частот и др. Однако важнейшими параметрами переключателей являются развязка между каналами (отношение мощностей, поступающих в открытый и закрытый каналы, в децибелах) и время переключения.
Развязки между каналами во взаимных переключателях различны для разных режимов коммутации, а в невзаимных – не зависят от состояния коммутируемых каналов. При этом уровень развязки не превышает 30 дБ в варианте круглых волноводных тройников, входящих в переключатель каналов (в расположенный в нем циркулятор), и 40 дБ в случае прямоугольных труб, что соответствует свойствам самих тройников. Ряд других факторов, к которым относятся технологические погрешности изготовления элементов конструкции, точность выдерживания электрических характеристик, в первую очередь точность установки плоскости поляризации, ухудшают этот показатель.
Время переключения каналов определяется в основном необходимой напряженностью управляющих полей, величинами рабочих зазоров и, соответственно, количеством необходимых ампер-витков катушки управления. Как правило, время переключения каналов составляет десятки миллисекунд.
Приведем характеристики быстродействующих переключателей на основе рассмотренных принципов построения.
На рис. 3 [1] изображен взаимный переключатель на основе прямоугольного волновода с ферритовым цилиндрическим стержнем. В нем угол поворота плоскости поляризации 90° достигается при напряженности постоянного внешнего поля примерно 10 Э, а потери в стержне составляют 0,25–0,30 дБ. В устройстве развязка между каналами в режиме без тока превышает 35 дБ, а вносимые потери находятся на уровне 0,6 дБ. В режиме под током развязка, естественно, снижается. Ее зависимость от частоты показана на рис. 4 [1] оранжевой линией. Вносимые потери в этом режиме имеют примерно тот же порядок, что и в режиме без тока. Время переключения составляет примерно 0,15 мкс при токе в катушке примерно 500–600 мА.
На рис. 5 [1] показан внешний вид невзаимного переключателя, в котором предприняты меры для стабилизации угла поворота 45° в диапазоне рабочих температур. Развязка между каналами такого переключателя в обоих режимах получается примерно одинаковой и, естественно, очень слабо зависит от температуры, но только в узком частотном диапазоне. Типичные характеристики такого переключателя приведены на рис. 6 [1]. Из него видно, что вносимые потери здесь ниже, а намагничивающее поле больше, чем в предыдущем переключателе. Однако это связано главным образом с маркой используемого феррита, а не с особенностями принципа построения.
Описанные переключатели относятся к классу многоплечных. Многоплечные циркуляторы могут применяться в качестве многоканальных переключателей, управляемых направлением внешнего магнитного поля, то есть направлением тока в обмотке катушки намагничивания.
Переключатели фарадеевского типа легко могут быть приспособлены для использования в качестве переключателей с одним входом и одним выходом (SPST). Для этого применяют два канала: входной и выходной, расположив в остальных каналах согласованные нагрузки.
Так, если в канале 2 переключателя, показанного на рис. 2, разместить нагрузку, то в режиме без тока (режим запирания) волна не будет попадать из канала 1 в канал 3. При этом можно достичь высокой величины развязки. В режиме под током (режим пропускания) энергия передается из канала 1 в канал 3.
В качестве переключателей могут применяться многоплечные циркуляторы, образованные из трех- и четырехплечных циркуляторов путем соединения их в линейные или кольцевые схемы. Для таких схем самыми подходящими являются циркуляторы мостового типа, так как они имеют малые габариты и удобное для каскадного соединения расположение каналов.
При этом многоплечные циркуляторы очень компактны. На рис. 7 приведены четыре варианта таких циркуляторов. На рис. 7а показан шестиплечный циркулятор, образованный из шести трехплечных Y‑образных циркуляторов. Если внешнее магнитное поле ко всем циркуляторам приложено в одном и том же направлении, то электромагнитная волна будет передаваться в направлении каналов 1 → 2 → 3 → 4 → 5 → 6 → 1. Особенность цепи в том, что затухание волны в системе в два раза больше, чем в трехплечном циркуляторе, так как волна в ней проходит через два ферритовых элемента. В варианте шестиплечного циркулятора на рис. 7б, образованного из четырех последовательно включенных Т‑образных трехплечных, при однонаправленном для всех циркуляторов внешнем магнитном поле циркуляция энергии происходит в аналогичном предыдущему варианту направлении каналов. При этом затухание волны в прямом направлении для различных каналов неодинаково. Оно минимально при передаче энергии из канала 1 в канал 2 и из канала 5 в канал 6, так как при этом волна проходит только один ферритовый элемент.
Между каналами 2 → 3 и 3 → 4 затухание в два раза больше, потому что волна проходит через два ферритовых элемента. Максимальное затухание будет при передаче энергии между 6-м и 1-м каналами.
В практических приложениях одно из плеч циркулятора нагружено на согласованную нагрузку, поэтому увеличенные потери при прохождении волны в одном направлении не являются значительным недостатком. Линейные многополюсники (рис. 7в и 7г), в отличие от кольцевых, не обладают круговой симметрией и по всем параметрам лучше кольцевых, в том числе и по числу каскадируемых циркуляторов.
Литература
Микаэлян А. Л. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. 663 с.
В. Геворкян, к. т. н., В. Кочемасов, к. т. н.
Переключатели СВЧ‑каналов могут быть выполнены в виде электромеханических коммутаторов каналов, электронных коммутаторов (на основе pin-диодов или транзисторов) и ферритовых структур. Первый тип устройств обеспечивает коммутацию больших уровней мощности, но обладает недостаточной надежностью, а, кроме того, ограничен по скорости процесса переключения. Электронные коммутаторы наиболее быстродействующие и экономичные по энергопотреблению, но обеспечивают ограниченный диапазон коммутируемых мощностей в трактах. Устройства на основе ферритовых структур занимают промежуточное положение по степени надежности, быстродействия процесса и допускают коммутацию потоков до сотен киловатт средней мощности.
Ферритовые переключатели – это СВЧ‑устройства, основанные на применении эффекта Фарадея (вращения плоскости поляризации электромагнитной волны) в намагниченных ферромагнитных материалах. Такие переключатели применяют в диапазоне длин волн не ниже дециметровых в устройствах на основе отрезков линий передачи, поддерживающих распространение электромагнитной волны с круговой поляризацией. Принцип переключения основан на изменении плоскости поляризации электромагнитной волны на входе передающих линий относительно допустимых (для ее канализации в линии) направлений структуры поля. Изменение плоскости поляризации достигается в результате изменения направления намагничивающего поля, которое, в свою очередь, чаще всего обеспечивается изменением направления токов в катушках индуктивности, размещенных на магнитопроводах системы намагничивания. Переключение линий достигается перенаправлением электромагнитных волн в сочленении линий.
Стандартный набор параметров, характеризирующих ферромагнитные переключатели, обычно включает: полосу рабочих частот, развязку, вносимые потери, КСВ, время переключения, мощность или энергию управления, допустимый уровень мощности сигналов (импульсной или средней) в тракте.
Физические процессы
в ферромагнитных средах
При распространении электромагнитных волн в феррите, намагниченном постоянным магнитным полем Н0, происходит ряд явлений, которые в упрощенном приближении феноменологических моделей описываются гироскопическими свойствами (прецессией) суммарного магнитного момента единицы объема (намагниченности) М. Частота прецессии ω0 во внешнем магнитном поле Н0 связана с ним равенством ω0 = µ0 γ H0, где γ = 1,76 · 1011 Кл · кг–1 – гиромагнитное (или, иначе, магнито-механическое) отношение, µ0 = 4 π · 10–7 Гн · м–1 – магнитная постоянная.
Cвойства ферритов (гиротропных сред) обуславливают особенности поведения распространяющихся в них электромагнитных волн. Так, при распространении в однородном феррите в направлении постоянного поля подмагничивания линейно-поляризованной плоской волны возникает явление поворота плоскости поляризации волны – эффект Фарадея. Изменение плоскости поляризации в гиротропной среде возникает в результате различия в фазовой скорости распространения (или, иначе, наличия разности фаз) волн с противоположными круговыми поляризациями, суммой которых может быть представлена волна с исходно линейной поляризацией. Таким образом, плоскость поляризации при прохождении волной участка длиной l поворачивается на угол θ = –(β+ – β–) l, где β+ и β– – коэффициенты фазы волн, соответственно, с правой и левой круговыми поляризациями. Для частот ниже феррорезонансной частоты ωрез = ω0 ≈ µ0 γ H0 (частоты прецессии намагниченности, при которой наблюдается поглощение высокочастотной энергии в феррите, а само явление носит название ферромагнитного резонанса), что соответствует практическим случаям, плоскость поляризации вращается против часовой стрелки относительно направления постоянного магнитного поля. Для сведения, в трехсантиметровом диапазоне длин волн типичные углы поворота плоскости поляризации составляют ~100°. Важно, что направление вращения плоскости поляризации зависит от направления намагничивающего феррит постоянного магнитного поля и не зависит от направления распространения электромагнитной волны.
Эффект Фарадея используется в СВЧ‑устройствах, основанных на явлении поворота плоскости поляризации, в том числе – в переключателях каналов. В литературных источниках первые сообщения о возможности применения этого явления в радиотехнических устройствах появляются в 1947 году, а десять лет спустя ферритовые устройства на эффекте Фарадея уже применялись в технике СВЧ.
Принципы построения
ферритовых переключателей
Ферритовые переключатели рассчитаны на работу вне области резонансных частот (ниже феррорезонансной частоты); есть несколько типов их конструкций [1].
Простейший вариант построения переключателей основан на переключении направления передачи сигнала в каналах циркулятора за счет изменения направления приложенного постоянного магнитного поля. На рис. 1 показан циркулятор, основанный на эффекте Фарадея – вращении плоскости поляризации волны в волноводе круглого поперечного сечения. В нем волна Н01, поступающая из прямоугольного волновода 1, преобразуется в согласующем переходе в круглый волновод в волну Н11, плоскость поляризации которой при распространении в нем за счет ферритового стержня поворачивается по часовой стрелке относительно внешнего магнитного поля Н0. Электрическая длина отрезка волновода круглого сечения (определяемая длиной ферритового стержня и напряженностью поля намагничивания) соответствует повороту плоскости поляризации волны на его конце на угол 45°. Вследствие этого волна, после обратного преобразования на ступенчатом переходе в волну Н01, получит ориентацию, соответствующую волноводу 2, который тоже повернут относительно входного волновода на 45°. Взаимное положение прямоугольных волноводов создает направление передачи волны со входа 2 в канал 3, со входа 3 в канал 4, а из канала 4 в канал 1. При перемене направления намагничивающего поля Н0 (за счет изменения направления тока в обмотке намагничивания) волны будут передаваться в направлении каналов 1 → 4 → 3 → 2 → 1.
Итак, такой циркулятор в варианте переключателя каналов, образованный двумя одинаковыми поляризационными разделителями, называемыми «тройниками», и участком волновода с продольно намагниченным ферритовым стержнем в нем – невзаимное устройство.
Вариант взаимного переключателя представлен на рис. 2. В нем при отсутствии тока в катушке намагничивания магнитное поле равно нулю и вращения плоскости поляризации не происходит. Поэтому волна из канала 1 проходит в канал 2. При соответствующем подборе силы тока в обмотке поворот плоскости поляризации волны может составить 90° и волна относительно окна волновода канала 2 окажется ортогональной допустимой структуре поля (не попадет в канал 2), но будет соответствовать структуре поля окна волновода канала 3. Поэтому волна из канала 1 будет передаваться в канал 3. Такой переключатель не обладает вентильными свойствами.
Из сказанного следует, что большинство электрических параметров рассмотренных переключателей повторяет свойства циркуляторов, на основе которых они построены. К этим параметрам относятся: вносимые потери, КСВ, пропускаемая мощность, полоса рабочих частот и др. Однако важнейшими параметрами переключателей являются развязка между каналами (отношение мощностей, поступающих в открытый и закрытый каналы, в децибелах) и время переключения.
Развязки между каналами во взаимных переключателях различны для разных режимов коммутации, а в невзаимных – не зависят от состояния коммутируемых каналов. При этом уровень развязки не превышает 30 дБ в варианте круглых волноводных тройников, входящих в переключатель каналов (в расположенный в нем циркулятор), и 40 дБ в случае прямоугольных труб, что соответствует свойствам самих тройников. Ряд других факторов, к которым относятся технологические погрешности изготовления элементов конструкции, точность выдерживания электрических характеристик, в первую очередь точность установки плоскости поляризации, ухудшают этот показатель.
Время переключения каналов определяется в основном необходимой напряженностью управляющих полей, величинами рабочих зазоров и, соответственно, количеством необходимых ампер-витков катушки управления. Как правило, время переключения каналов составляет десятки миллисекунд.
Приведем характеристики быстродействующих переключателей на основе рассмотренных принципов построения.
На рис. 3 [1] изображен взаимный переключатель на основе прямоугольного волновода с ферритовым цилиндрическим стержнем. В нем угол поворота плоскости поляризации 90° достигается при напряженности постоянного внешнего поля примерно 10 Э, а потери в стержне составляют 0,25–0,30 дБ. В устройстве развязка между каналами в режиме без тока превышает 35 дБ, а вносимые потери находятся на уровне 0,6 дБ. В режиме под током развязка, естественно, снижается. Ее зависимость от частоты показана на рис. 4 [1] оранжевой линией. Вносимые потери в этом режиме имеют примерно тот же порядок, что и в режиме без тока. Время переключения составляет примерно 0,15 мкс при токе в катушке примерно 500–600 мА.
На рис. 5 [1] показан внешний вид невзаимного переключателя, в котором предприняты меры для стабилизации угла поворота 45° в диапазоне рабочих температур. Развязка между каналами такого переключателя в обоих режимах получается примерно одинаковой и, естественно, очень слабо зависит от температуры, но только в узком частотном диапазоне. Типичные характеристики такого переключателя приведены на рис. 6 [1]. Из него видно, что вносимые потери здесь ниже, а намагничивающее поле больше, чем в предыдущем переключателе. Однако это связано главным образом с маркой используемого феррита, а не с особенностями принципа построения.
Описанные переключатели относятся к классу многоплечных. Многоплечные циркуляторы могут применяться в качестве многоканальных переключателей, управляемых направлением внешнего магнитного поля, то есть направлением тока в обмотке катушки намагничивания.
Переключатели фарадеевского типа легко могут быть приспособлены для использования в качестве переключателей с одним входом и одним выходом (SPST). Для этого применяют два канала: входной и выходной, расположив в остальных каналах согласованные нагрузки.
Так, если в канале 2 переключателя, показанного на рис. 2, разместить нагрузку, то в режиме без тока (режим запирания) волна не будет попадать из канала 1 в канал 3. При этом можно достичь высокой величины развязки. В режиме под током (режим пропускания) энергия передается из канала 1 в канал 3.
В качестве переключателей могут применяться многоплечные циркуляторы, образованные из трех- и четырехплечных циркуляторов путем соединения их в линейные или кольцевые схемы. Для таких схем самыми подходящими являются циркуляторы мостового типа, так как они имеют малые габариты и удобное для каскадного соединения расположение каналов.
При этом многоплечные циркуляторы очень компактны. На рис. 7 приведены четыре варианта таких циркуляторов. На рис. 7а показан шестиплечный циркулятор, образованный из шести трехплечных Y‑образных циркуляторов. Если внешнее магнитное поле ко всем циркуляторам приложено в одном и том же направлении, то электромагнитная волна будет передаваться в направлении каналов 1 → 2 → 3 → 4 → 5 → 6 → 1. Особенность цепи в том, что затухание волны в системе в два раза больше, чем в трехплечном циркуляторе, так как волна в ней проходит через два ферритовых элемента. В варианте шестиплечного циркулятора на рис. 7б, образованного из четырех последовательно включенных Т‑образных трехплечных, при однонаправленном для всех циркуляторов внешнем магнитном поле циркуляция энергии происходит в аналогичном предыдущему варианту направлении каналов. При этом затухание волны в прямом направлении для различных каналов неодинаково. Оно минимально при передаче энергии из канала 1 в канал 2 и из канала 5 в канал 6, так как при этом волна проходит только один ферритовый элемент.
Между каналами 2 → 3 и 3 → 4 затухание в два раза больше, потому что волна проходит через два ферритовых элемента. Максимальное затухание будет при передаче энергии между 6-м и 1-м каналами.
В практических приложениях одно из плеч циркулятора нагружено на согласованную нагрузку, поэтому увеличенные потери при прохождении волны в одном направлении не являются значительным недостатком. Линейные многополюсники (рис. 7в и 7г), в отличие от кольцевых, не обладают круговой симметрией и по всем параметрам лучше кольцевых, в том числе и по числу каскадируемых циркуляторов.
Литература
Микаэлян А. Л. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. 663 с.
Отзывы читателей
