eng
DOI: 10.22184/1992-4178.2020.200.9.122.131
Рассмотрены ферритовые переключатели. Приведена информация о различных моделях таких устройств, выпускаемых разными производителями.
Рассмотрены ферритовые переключатели. Приведена информация о различных моделях таких устройств, выпускаемых разными производителями.
Теги: ferrite switches insertion loss isolation switching time вносимые потери время переключения развязка ферритовые переключатели
Ферритовые переключатели. Часть 2
В. Геворкян, к. т. н., В. Кочемасов, к. т. н.
В первой части статьи, опубликованной в шестом номере журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» за 2020 год, было рассказано о принципах построения и вариантах конструкций ферритовых переключателей. В данном номере рассматриваются различные модели таких устройств, выпускаемые разными производителями.
Производители
ферритовых переключателей
На рынке предложений разных фирм переключатели сопутствуют ферритовым фазовращателям, так как последние являются их основой. По принципу построения эти устройства повторяют рассмотренные в предыдущем разделе, отличаясь в деталях, о чем свидетельствуют приведенные ниже типы переключателей различных производителей. При этом различия конкретных устройств связаны с особенностями аппаратуры определенного функционального назначения, в комплектацию которой они входят.
Компания Microwave Applications Group (МАG) ‒ основана в 1969 году ‒ позиционирует себя лидером в разработке и поставке ферритовых фазовращателей и устройств с их применением, выполняемых по правительственным, военным и коммерческим заказам. Называется цифра общей поставки на рынок 130 тыс. ферритовых изделий. Фирма рекламирует [2] линейку переключателей.
Внешний вид ряда моделей переключателей каналов в трактах большого уровня мощности различного функционального назначения приведен на рис. 8, а их характеристики сведены в табл. 1. Устройства построены с применением принципов, изложенных в предыдущем разделе. Так, на рис. 8д приведен внешний вид взаимного переключателя входного канала на три выходных канала, работающего в Х-диапазоне и предназначенного для использования в радарах. В устройстве входной сигнал разделяется на два канала с использованием двойного тройника в Н-плоскости. Сигнал каждого канала проходит через два включенных каскадно волноводных отрезка, каждый с фиксированным сдвигом поляризации на +45° или –45°. В результате, на выходе получается сигнал с поляризацией –90°, 0 или +90°. Селекция выходного канала обеспечивается совпадением поляризации сигнала с допустимой поляризацией волноводного канала. Итак, принцип селекции повторяет описанный для устройства, показанного на рис. 1.
Принципы построения остальных переключателей, приведенных на рис. 8, также соответствуют известным техническим решениям. На рис. 8г показан специализированный DPDT (дуплексный вход и два выходных канала) переключатель Х-диапазона для систем военного назначения, представляющий собой четырехполюсник с высокой развязкой каналов. Изделие обеспечивает работу двух селективных выходных антенных портов (азимута и угла места).
На рис. 8ж представлен переключатель на базе циркулятора, образованный двумя взаимными элементами, формирующими невзаимное устройство.
Отдельно рекламируется переключатель рис. 8з, позиционируемый как миниатюрное устройство, хотя его принцип построения не отличается оригинальностью.
Кроме того, среди рекламных предложений компании МАG есть краткая информация о двух устройствах, перестраиваемых постоянным током (рис. 9), и переключателе поляризации, работающем в L-диапазоне (рис. 10).
Фирма Ferrite Domen Co. [3] (Санкт-Петербург) c 1959 года является ведущим предприятием СССР, а затем и России по разработке и созданию ферритовых устройств различного функционального назначения, в том числе и ферритовых переключателей.
Компания предлагает линейку волноводных ферритовых переключателей на основе Y-циркуляторов в диапазоне частот от 3 до 40 ГГц (рис. 11, табл. 2) со временем переключения от 1,5 мкс. Изделия отличаются простой конфигурацией, низкими вносимыми потерями, высокой развязкой каналов, широкими частотным диапазоном и диапазоном рабочих температур.
На рис. 12 представлен внешний вид узкополосных переключателей для диапазона частот 8,2–40 ГГц, а в табл. 3 – параметры ряда моделей. Приведенные данные соответствуют граничным значениям параметров в температурном диапазоне от 0 до 50 °C.
Внешний вид переключателей широкого применения для частот от 7,05 до 26,5 ГГц показан на рис. 13, а параметры ряда моделей в диапазоне рабочих температур от –60 до 85 °C сведены в табл. 4. Внешний вид и параметры переключаемого циркулятора с охлаждением до температуры 20 °C приведены на рис. 14 и в табл. 5 соответственно.
На рис. 15 приведены примеры переключаемых Y-циркуляторов, а в табл. 6 – параметры таких изделий. Устройства характеризуются ослаблением уровня внешних помех на 60 дБ, скоростью переключения 100 мс и частотой коммутации не более трех раз в час. Данные переключатели могут функционировать в широком диапазоне температур окружающей среды (от –60 до 90 °C), при низкочастотной гармонической вибрации до 30 g и механических ударных воздействиях до 500 g.
Переключателей с более сложной системой коммутации каналов, например аналогичных МАG, в рекламных предложениях фирмы Ferrite Domen Co. нет.
Еще один производитель ферритовых переключателей – компания Cernex, Inc. [4].
Параметры переключателей этой фирмы серии CZS приведены в табл. 7. Данные устройства построены на основе вращения плоскости поляризации волны TE11 в волноводе круглого поперечного сечения.
Серию поляризационных переключателей, предлагаемых компанией Millimeter Wave Products (Mi-Wave) [5], иллюстрируют рис. 16 и табл. 8.
Анализ истории развития рынка предложений ферритовых переключателей и, соответственно, производителей таких устройств показывает, что число последних со временем сократилось и в настоящее время ограничивается несколькими крупными фирмами (например, отмеченные выше MAG и Ferrite Domen Co.). Тем не менее, в недавнем прошлом (лет пять назад) на рынке существовали предложения и других производителей, причем продукция этих фирм и в настоящее время продолжает наполнять рынок, даже под маркой уже не существующих фирм, которые вошли в состав других компаний или холдингов.
Укажем на такие фирмы. Одна из них – THALES MESL Ltd. (позднее MESL Microwave). Пример ее продукции иллюстрирует рис. 17. На нем показан внешний вид переключателя фазовых сдвигов Ka-диапазона с параметрами: пиковая мощность в тракте – 1,4 МВт, средняя мощность – 150 Вт, развязка каналов в полосе 5% – 30 дБ, вносимые потери – 0,6 дБ, время переключения каналов – 2 мкс. Фиксированные фазовые сдвиги в устройстве реализуют ферритовые фазовращатели.
Ряд моделей переключателей фирмы THALES MESL Ltd. был построен на основе невзаимного тороидального SPDT-переключателя. На рис. 18 приведена функциональная схема построения такого переключателя. Его типичные параметры: центральная частота ‒ 35 ГГц; полоса рабочих частот – 10% от центральной частоты; пиковая мощность в тракте – 1,4 кВт; средняя мощность – 120 Вт; КСВН (макс.) – 1,25; развязка между каналами (мин.) – 25 дБ; вносимые потери (макс.) – 0,6 дБ; время переключения каналов – меньше 2 мкс; частота (скорость) переключения – 5 кГц; температурный диапазон – от –30 до 80 °C; волноводный тракт ‒ WR28; интерфейс ‒ TTЛ; мощность цепи управления ‒ +15 В, 100 мА и ‒15 В, 20 мА.
Ферритовые переключатели компании COM DEV International – специальные функциональные устройства различной конфигурации на основе ферритовых циркуляторов.
На рис. 19 представлены тороидальные переключатели С-диапазона, параметры которых приведены в табл. 9. На рис. 20 показан вид двух переключателей типа SP3T фирмы COM DEV International, характеристики которых также представлены в табл. 9. Рис. 21 демонстрирует внешний вид переключателей этой компании с цепями управления.
Компания EMS Technologies разработала широкий набор устройств и комплектующих для систем и сетей спутниковой и наземной связи, в частности, ряд устройств, включающих ферритовые переключатели и узлы управления ими. На рис. 22а изображен трехканальный переключатель на базе Y-циркуляторов, а на рис. 22б – фрагменты комплектации поляризационного ферритового переключателя, предназначенного для построения фазированных антенных решеток. Параметры этих устройств приведены в табл. 10. Ряд переключателей компании EMS Technologies выполнен на базе матриц Y-циркуляторов, построенных по схемам, показанным на рис. 23, аналогичным известным схемам построения, представленным на рис. 7 (а и б). Особенности переключателей фирмы EMS Technologies в сравнении с традиционными сборками циркуляторов – меньшие размеры и более высокие электрические характеристики, что достигается особенностью соединения циркуляторов. При этом применение каскадного включения интересно тем, что обеспечивает большие развязки между портами переключателя.
В табл. 11 приведены характеристики переключателя на основе миниатюризированной сборки циркуляторов, на рис. 24 показаны для сравнения температурные характеристики миниатюризированных сборок и традиционных компоновок из каскадного соединения циркуляторов. Из рис. 24 следует, что традиционные переключатели при несколько бóльших потерях обладают более широкой полосой.
Пример реализации переключателя сдвига фаз для спутниковой системы слежения и ретрансляции данных (Tracking and Data Relay Satellite System ‒ TDRS) на основе Y-циркуляторов приведен на рис. 25.
Завершая обзор, отметим, что наряду с расширением частотного диапазона применения ферритовых переключателей в область высоких частот появляются новые сообщения различных, как правило, непрофильных фирм о создании ферритовых устройств (например, [6] (см. табл. 12), [7], [8]) и новые публикации с предложениями технических решений построения ферритовых переключателей [9, 10]. Анализ этих источников показывает, что предлагаемые технические решения отличает от описанных в монографии [1] лишь только применение современных материалов и технологий для реализации известных принципов построения ферритовых переключателей.
* * *
В заключение можно сказать, что принципы построения ферритовых переключателей, за полвека развития СВЧ-техники сложившиеся в законченную теоретическую базу, лежат в основе современных ферритовых устройств данного типа. Конкретные реализации этих устройств, представленные на рынке рядом ведущих производителей данной элементной базы, демонстрируют многообразие их возможного рационального применения.
В последние десятилетия основной интерес для внедрения ферритовых переключателей представляют антенные решетки, где ниша, занимаемая переключателями, ограничена коммутацией фазовых сдвигов. Это определило основное движение конструкторской мысли по совершенствованию переключателей, направленное на стремление миниатюризировать эту элементную базу (включая цепи управления), причем без ухудшения электрических параметров.
Литература
Микаэлян А. Л. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. 663 с.
Microwave Applications Group (МАG). – Интернет-ресурс www.magsmx.com
Ferrite Domen Co. – Интернет-ресурс www.ferrite-domen.com
СERNEX, Inc. – Интернет ресурс www.cernex.com
Millimeter Wave Products. – Интернет ресурс http://www.miwv.com/
DORADO. – Интернет ресурс http://www.dorado-intl.com/
Billings R., Edridge T. Ferrite circulator switches and their applications. – Интернет ресурс http://www.m2global.com/resources/ferrite-circulator-switches/
Billings R., Edridge T. Ferrite circulator switches and their applications. – Microwave Journal, Nov. 2003.
Boyd Ch. R. High Power Reciprocal Ferrite Switches Using Latching Faraday Rotators. – IEEE S-MTT International Microwave Symposium Workshop: Issues in Ferrites and Dielectrics for High Power Applications. Philadelphia, PA, June, 2003.
Kroening A. M. Advance in Ferrite Redundancy Switching for Ka-band Receiver Application // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2016. V. 64. No. 6. PP. 1911–1917.
В. Геворкян, к. т. н., В. Кочемасов, к. т. н.
В первой части статьи, опубликованной в шестом номере журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» за 2020 год, было рассказано о принципах построения и вариантах конструкций ферритовых переключателей. В данном номере рассматриваются различные модели таких устройств, выпускаемые разными производителями.
Производители
ферритовых переключателей
На рынке предложений разных фирм переключатели сопутствуют ферритовым фазовращателям, так как последние являются их основой. По принципу построения эти устройства повторяют рассмотренные в предыдущем разделе, отличаясь в деталях, о чем свидетельствуют приведенные ниже типы переключателей различных производителей. При этом различия конкретных устройств связаны с особенностями аппаратуры определенного функционального назначения, в комплектацию которой они входят.
Компания Microwave Applications Group (МАG) ‒ основана в 1969 году ‒ позиционирует себя лидером в разработке и поставке ферритовых фазовращателей и устройств с их применением, выполняемых по правительственным, военным и коммерческим заказам. Называется цифра общей поставки на рынок 130 тыс. ферритовых изделий. Фирма рекламирует [2] линейку переключателей.
Внешний вид ряда моделей переключателей каналов в трактах большого уровня мощности различного функционального назначения приведен на рис. 8, а их характеристики сведены в табл. 1. Устройства построены с применением принципов, изложенных в предыдущем разделе. Так, на рис. 8д приведен внешний вид взаимного переключателя входного канала на три выходных канала, работающего в Х-диапазоне и предназначенного для использования в радарах. В устройстве входной сигнал разделяется на два канала с использованием двойного тройника в Н-плоскости. Сигнал каждого канала проходит через два включенных каскадно волноводных отрезка, каждый с фиксированным сдвигом поляризации на +45° или –45°. В результате, на выходе получается сигнал с поляризацией –90°, 0 или +90°. Селекция выходного канала обеспечивается совпадением поляризации сигнала с допустимой поляризацией волноводного канала. Итак, принцип селекции повторяет описанный для устройства, показанного на рис. 1.
Принципы построения остальных переключателей, приведенных на рис. 8, также соответствуют известным техническим решениям. На рис. 8г показан специализированный DPDT (дуплексный вход и два выходных канала) переключатель Х-диапазона для систем военного назначения, представляющий собой четырехполюсник с высокой развязкой каналов. Изделие обеспечивает работу двух селективных выходных антенных портов (азимута и угла места).
На рис. 8ж представлен переключатель на базе циркулятора, образованный двумя взаимными элементами, формирующими невзаимное устройство.
Отдельно рекламируется переключатель рис. 8з, позиционируемый как миниатюрное устройство, хотя его принцип построения не отличается оригинальностью.
Кроме того, среди рекламных предложений компании МАG есть краткая информация о двух устройствах, перестраиваемых постоянным током (рис. 9), и переключателе поляризации, работающем в L-диапазоне (рис. 10).
Фирма Ferrite Domen Co. [3] (Санкт-Петербург) c 1959 года является ведущим предприятием СССР, а затем и России по разработке и созданию ферритовых устройств различного функционального назначения, в том числе и ферритовых переключателей.
Компания предлагает линейку волноводных ферритовых переключателей на основе Y-циркуляторов в диапазоне частот от 3 до 40 ГГц (рис. 11, табл. 2) со временем переключения от 1,5 мкс. Изделия отличаются простой конфигурацией, низкими вносимыми потерями, высокой развязкой каналов, широкими частотным диапазоном и диапазоном рабочих температур.
На рис. 12 представлен внешний вид узкополосных переключателей для диапазона частот 8,2–40 ГГц, а в табл. 3 – параметры ряда моделей. Приведенные данные соответствуют граничным значениям параметров в температурном диапазоне от 0 до 50 °C.
Внешний вид переключателей широкого применения для частот от 7,05 до 26,5 ГГц показан на рис. 13, а параметры ряда моделей в диапазоне рабочих температур от –60 до 85 °C сведены в табл. 4. Внешний вид и параметры переключаемого циркулятора с охлаждением до температуры 20 °C приведены на рис. 14 и в табл. 5 соответственно.
На рис. 15 приведены примеры переключаемых Y-циркуляторов, а в табл. 6 – параметры таких изделий. Устройства характеризуются ослаблением уровня внешних помех на 60 дБ, скоростью переключения 100 мс и частотой коммутации не более трех раз в час. Данные переключатели могут функционировать в широком диапазоне температур окружающей среды (от –60 до 90 °C), при низкочастотной гармонической вибрации до 30 g и механических ударных воздействиях до 500 g.
Переключателей с более сложной системой коммутации каналов, например аналогичных МАG, в рекламных предложениях фирмы Ferrite Domen Co. нет.
Еще один производитель ферритовых переключателей – компания Cernex, Inc. [4].
Параметры переключателей этой фирмы серии CZS приведены в табл. 7. Данные устройства построены на основе вращения плоскости поляризации волны TE11 в волноводе круглого поперечного сечения.
Серию поляризационных переключателей, предлагаемых компанией Millimeter Wave Products (Mi-Wave) [5], иллюстрируют рис. 16 и табл. 8.
Анализ истории развития рынка предложений ферритовых переключателей и, соответственно, производителей таких устройств показывает, что число последних со временем сократилось и в настоящее время ограничивается несколькими крупными фирмами (например, отмеченные выше MAG и Ferrite Domen Co.). Тем не менее, в недавнем прошлом (лет пять назад) на рынке существовали предложения и других производителей, причем продукция этих фирм и в настоящее время продолжает наполнять рынок, даже под маркой уже не существующих фирм, которые вошли в состав других компаний или холдингов.
Укажем на такие фирмы. Одна из них – THALES MESL Ltd. (позднее MESL Microwave). Пример ее продукции иллюстрирует рис. 17. На нем показан внешний вид переключателя фазовых сдвигов Ka-диапазона с параметрами: пиковая мощность в тракте – 1,4 МВт, средняя мощность – 150 Вт, развязка каналов в полосе 5% – 30 дБ, вносимые потери – 0,6 дБ, время переключения каналов – 2 мкс. Фиксированные фазовые сдвиги в устройстве реализуют ферритовые фазовращатели.
Ряд моделей переключателей фирмы THALES MESL Ltd. был построен на основе невзаимного тороидального SPDT-переключателя. На рис. 18 приведена функциональная схема построения такого переключателя. Его типичные параметры: центральная частота ‒ 35 ГГц; полоса рабочих частот – 10% от центральной частоты; пиковая мощность в тракте – 1,4 кВт; средняя мощность – 120 Вт; КСВН (макс.) – 1,25; развязка между каналами (мин.) – 25 дБ; вносимые потери (макс.) – 0,6 дБ; время переключения каналов – меньше 2 мкс; частота (скорость) переключения – 5 кГц; температурный диапазон – от –30 до 80 °C; волноводный тракт ‒ WR28; интерфейс ‒ TTЛ; мощность цепи управления ‒ +15 В, 100 мА и ‒15 В, 20 мА.
Ферритовые переключатели компании COM DEV International – специальные функциональные устройства различной конфигурации на основе ферритовых циркуляторов.
На рис. 19 представлены тороидальные переключатели С-диапазона, параметры которых приведены в табл. 9. На рис. 20 показан вид двух переключателей типа SP3T фирмы COM DEV International, характеристики которых также представлены в табл. 9. Рис. 21 демонстрирует внешний вид переключателей этой компании с цепями управления.
Компания EMS Technologies разработала широкий набор устройств и комплектующих для систем и сетей спутниковой и наземной связи, в частности, ряд устройств, включающих ферритовые переключатели и узлы управления ими. На рис. 22а изображен трехканальный переключатель на базе Y-циркуляторов, а на рис. 22б – фрагменты комплектации поляризационного ферритового переключателя, предназначенного для построения фазированных антенных решеток. Параметры этих устройств приведены в табл. 10. Ряд переключателей компании EMS Technologies выполнен на базе матриц Y-циркуляторов, построенных по схемам, показанным на рис. 23, аналогичным известным схемам построения, представленным на рис. 7 (а и б). Особенности переключателей фирмы EMS Technologies в сравнении с традиционными сборками циркуляторов – меньшие размеры и более высокие электрические характеристики, что достигается особенностью соединения циркуляторов. При этом применение каскадного включения интересно тем, что обеспечивает большие развязки между портами переключателя.
В табл. 11 приведены характеристики переключателя на основе миниатюризированной сборки циркуляторов, на рис. 24 показаны для сравнения температурные характеристики миниатюризированных сборок и традиционных компоновок из каскадного соединения циркуляторов. Из рис. 24 следует, что традиционные переключатели при несколько бóльших потерях обладают более широкой полосой.
Пример реализации переключателя сдвига фаз для спутниковой системы слежения и ретрансляции данных (Tracking and Data Relay Satellite System ‒ TDRS) на основе Y-циркуляторов приведен на рис. 25.
Завершая обзор, отметим, что наряду с расширением частотного диапазона применения ферритовых переключателей в область высоких частот появляются новые сообщения различных, как правило, непрофильных фирм о создании ферритовых устройств (например, [6] (см. табл. 12), [7], [8]) и новые публикации с предложениями технических решений построения ферритовых переключателей [9, 10]. Анализ этих источников показывает, что предлагаемые технические решения отличает от описанных в монографии [1] лишь только применение современных материалов и технологий для реализации известных принципов построения ферритовых переключателей.
* * *
В заключение можно сказать, что принципы построения ферритовых переключателей, за полвека развития СВЧ-техники сложившиеся в законченную теоретическую базу, лежат в основе современных ферритовых устройств данного типа. Конкретные реализации этих устройств, представленные на рынке рядом ведущих производителей данной элементной базы, демонстрируют многообразие их возможного рационального применения.
В последние десятилетия основной интерес для внедрения ферритовых переключателей представляют антенные решетки, где ниша, занимаемая переключателями, ограничена коммутацией фазовых сдвигов. Это определило основное движение конструкторской мысли по совершенствованию переключателей, направленное на стремление миниатюризировать эту элементную базу (включая цепи управления), причем без ухудшения электрических параметров.
Литература
Микаэлян А. Л. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. 663 с.
Microwave Applications Group (МАG). – Интернет-ресурс www.magsmx.com
Ferrite Domen Co. – Интернет-ресурс www.ferrite-domen.com
СERNEX, Inc. – Интернет ресурс www.cernex.com
Millimeter Wave Products. – Интернет ресурс http://www.miwv.com/
DORADO. – Интернет ресурс http://www.dorado-intl.com/
Billings R., Edridge T. Ferrite circulator switches and their applications. – Интернет ресурс http://www.m2global.com/resources/ferrite-circulator-switches/
Billings R., Edridge T. Ferrite circulator switches and their applications. – Microwave Journal, Nov. 2003.
Boyd Ch. R. High Power Reciprocal Ferrite Switches Using Latching Faraday Rotators. – IEEE S-MTT International Microwave Symposium Workshop: Issues in Ferrites and Dielectrics for High Power Applications. Philadelphia, PA, June, 2003.
Kroening A. M. Advance in Ferrite Redundancy Switching for Ka-band Receiver Application // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2016. V. 64. No. 6. PP. 1911–1917.
Отзывы читателей
