Статья: Применение ориентированных графов к анализу ферритовых СВЧ - циркуляторов

В частности, для получения в активной схеме с = 10дб значения ∏ ≤ 3дб. И КСВн на входе устройства не более 1,25 требуются ферритовые элементы с развязкой Ṙ ≥ 28дб. и КСВн ≤ 1,07, как видно из графиков на рис.(17) и выражения (28).

Выводы

1.       Приведенные выше экспериментальные исследования по обнаружению резонансных типов волн в ферритовом резонаторе, а также исследование распределения  - компоненты СВЧ поля по периферии резонатора, подтвердили правильность рассмотрения эффекта циркуляции, как результата интерференции противоположно вращающихся типов волн.

.        На основе анализа физических процессов, происходящих в ферритовом резонаторе, построен сигнальный граф У-циркулятора, позволяющий рассчитывать элементы, управляющие диаграммой СВЧ поля внутри ферритового резонатора. Основываясь на выбранной модели, выше проведены расчет распределения энергии СВЧ поля в ферритовом резонаторе при подключении к нему указанных выше элементов, а также приведены результаты экспериментального исследования У-циркулятора с такими элементами.

3.       Исследование распределения - компоненты СВЧ поля по периферии резонатора в зависимости от частоты сигнала и величины постоянного подмагничивающего поля показало, что при увеличении частоты или подмагничивающего поля происходит вращение диаграммы СВЧ поля в направлении противоположном циркуляции, а при уменьшении - в направлении циркуляции. Выявленная закономерность позволяет сделать вывод о том , что на частоте сигнала отличной от ω =  даже при идеальном согласовании плеч циркулятора, в развязанное плечо устройства происходит просачивание сигнала, обусловленное смещением минимума - сотавляющей СВЧ поля на некоторый угол от развязанного плеча.

4.       Для расчета коэффициентов передачи между плечами могокаскадных гибридных интегральных СВЧ схем нет необходимости знать физические процессы, происходящие в ферритовом резонаторе, достаточно знать связь между сигналами, распространяющимися в плечах циркулятора. Эту связь изображает приведенный выше сигнальный граф У-циркулятора (см.рис.14). С помощью выбранной модели проведён расчет коэффициентов передачи между плечами идеального (R = 0; P = 1) и реального (R ≠ 0; P < 1) У-циркуляторов при использовании их в схемах с фазовращателем. Показано, что в реальном У-циркуляторе благодаря наличию диссипативных потерь, а также петель обратной связи, обусловленных конечной величиной развязок, перепад коэффициентов передачи между плечами СВЧ схемы в зависимости от соотношения фаз между переотраженными сигналами может достигать значительной величины. Как показал расчет, при одинаковом качестве согласования плеч и нагрузок идеального и реального У- циркуляторов (Гплеч = Гнагруз. = 0,09) коэффициент отражения от входного плеча и перепад коэффициента передачи между входным и выходным плечами СВЧ схемы при благоприятном и неблагоприятном соотношении фаз между переотраженными сигналами могут принимать следующие значения:

в первом случае: ТI,I max ≈ 0,19 (КСВнmax ≈ 1,47)

TI,I min ≈ 0,01 (КСВнmin ≈ 1,02)

П =  ≈ 1,8дб.

во втором случае: ТI,I max ≈ 0,293 (КСВнmax ≈ 1,83)

TI,I min ≈ 0,07 (КСВнmin ≈ 1,15)

П =  ≈ 4,2дб.

5.       Выше приведен также расчет взаимного влияния У- циркуляторов при их каскадировании в многоплечные циркулятлоры, использующиеся при работе с пассивными и активными нагрузками. Показано отрицательное влияние межкаскадных обратных связей в каскадируемых многоплечных циркуляторах на параметры СВЧ схемы в целом. Приведены графики, позволяющие определить требования к У - циркуляторам, каскадируемым в многоплечные циркуляторы, с целью получения наименьшего перепада коэффициента передачи между плечами схемы при коммутации фазы, а также получения наибольшей стабильности гибридной интегральной СВЧ схемы при использовании активных нагрузок.

8. Расчет методом сигнальных графов коэффициентов передачи между плечами многоплечных циркуляторов, работающих на поверхностной ферритовой волне

Модель графа n- плечного циркулятора, работающего на поверхностной ферритовой волне, строилась на основе принципа действия такого устройства. Учитывая, что полосковая (микрополосковая) линия полностью заполненная поперечно намагниченным ферритом и закороченная с боковой стороны, является системой однонаправленной, то граф n - плечного кольцевого циркулятора можно представить в виде см.рис.18 и рис.19.

Обозначение ветвей такое же, как и раньше (п.4), т.е.: ветвь Ṗ -изображает коэффициент передачи в направлении циркуляции; ветвь Γ’ - изображает коэффициент отражения от входных плеч циркулятора, а ветвь Γн’ - коэффициент отражения от нагрузки, подключенной к n- ому плечу (где n = 2,3,4..).

Представляет интерес величина перепада коэффициента передачи между плечами вентиль-цирклятора, используемого в ранее рассмотренной (п.7) многокаскадной СВЧ схемы. Необходимо заметить, что применительно к двухкаскадному включению отражательного усилителя достаточно, чтобы вентиль-циркулятор имел четыре плеча, а не пять, как требовалось при работе с многоплечным циркулятором, полученным путём каскадирования У-циркуляторов. (Уменьшение числа требуемых плеч приводит к еще большему уменьшению габаритов СВЧ схемы, что безусловно можно отнести к одному из достоинств вентиль-циркулятора.) Последнее обусловлено тем, что сигнал, отраженный от выходного плеча вентиль-циркулятора, не поступает во входное плечо устройства.

Если во II и III плечи рассматриваемого вентиль-циркулятора включены отражательные усилители с коэффициентом передачи Г’II и Г’III соответственно, а в плечо IV - измерительный приёмник с коэффициентом отражения Г’IV , то согласно рис.18 коэффициент отражения на входе схемы T’I,I не зависит от соотношения фаз между переотраженными сигналами и всегда равен:

T’I,I = Г’ (30)

Изменения коэффициента передачи между входом и выходом рассматриваемой схемы при неблагоприятном соотношении фаз между переотраженными сигналами согласно правилу Мэзона (1) имеет вид:

∏ =  ; (31)

Задавая для коэффициентов Г’ , Г’II , Г’III, Г’IV те же значения, что и в п.7, т.е.

Г = ГIV = 0,09; ГII = ГIII =13дб и подставляя эти значения в выражения (30) и (31) получаем: ТII = 0,09 (КСВн =1,2); П ≈ 15дб. Между тем, как при использовании в этой же многокаскадной СВЧ схеме пятиплечного циркулятора, каскадируемого из трёх У-циркуляторов, величины ТI,I и П при том же соотношении фаз между переотраженными сигналами были соответственно равны: ТI,I = 0,5 (КСВн =3); П ≈ 16 дб. Из сравнения результатов расчета видно, что перепад коэффициента передачи между входным и выходным плечами гибридной СВЧ схемы при использовании вентиль-циркулятора несколько меньше, а для коэффициента ТI,I он вообще отсутствует. Можно заметить, что с увеличением числа каскадов СВЧ схемы, разность между изменениями коэффициентов передачи в первом и втором случаях становится более существенной.

Повышенная стабильность многокаскадных гибридных СВЧ схем, в которых в качестве развязывающего устройства используются многоплечные вентиль-циркуляторы, объясняется тем, что в последних за счет однонаправленности используемой линии практически отсутствуют межкаскадные обратные связи. Наличие таких связей в многоплечных циркуляторах. Получаемых путём каскадирования у- циркуляторов, отрицательно сказывается на работе схемы в целом. На рис.19 изображен граф кольцевого многоплечного циркулятора, работающего на поверхностной ферритовой волне. Граф кольцевого циркулятора отличается от графа вентиль-циркулятора связью между выходным и входным плечами (ветвь Ṗ между n и I плечами см.рис.19).

Сравнивая структуру графа трехплечного кольцевого циркулятора и идеального У - циркулятора мостового типа (рис.30 при n = 3 и рис.15 при Ṙ = 0) можно сказать, что они адекватны, следовательно при расчете реального кольцевого трехплечного циркулятора можно воспользоваться теми же формулами (8, 9, 14), что и для идеального У-циркулятора мостового типа. Подставляя в выражения (11,13, 14) ранее принятые для реального У-циркулятлора значения ветвей: Р = 0,95; Г = Гн = 0,09; gн = 1, получаем для коэффициентов передачи реального трехплечного кольцевого циркулятора следующие величины:

ТII max =0,17 (КСВн =1,4), ТII min = 0,02 (КСВн = 1,04), П = 1,8дб, между тем как для первого эти коэффициенты были равны: ТII max = 1,83; TII min = 1,15; П = 4,2дб.

Таким образом, по своим параметрам кольцевой трёхплечный циркулятор ближе к идеальному невзаимному устройству, чем к реальному У-циркулятору мостового типа. При сравнении сигнальных графов реального многоплечного циркулятора, получаемого путем каскадирования реальных обычных У-цикуляторов (рис.16 ), и многоплечного циркулятора, работающего на поверхностной ферритовой волне (рис.19), видно, что в первом случае величина межкаскадной обратной связи зависит как от конечной величины развязки, обусловленной просачиванием сигнала в развязанное плечо в направлении противоположном циркуляции (рис.15 ветвь Ṙ), так и от согласования входных плеч каскадируемых У-циркуляторов и выходных плеч гибридной СВЧ схемы. Во втором случае, величина межкаскадной обратной связи определяется только качеством согласования выходных плеч.

На рис.20 и 21 приведены внешний вид и типичные электрические параметры полосковых многоплечных циркуляторов, работающих на поверхностной ферритовой волне, дециметрового диапазона длин волн [4].

Литература

1.       Мэзон С., Циммерман Г. Электронные цепи, сигналы и системы. Изд. иностран. лит. М., 1963г.

2.       Bosma H. “On Strip Line Y-Circulation at UHF”. IEEE Trans. MTT - 12, 1964, №1, p.61.

3.       Fay C.E., Comstock R.L. “Operation of the Ferrite Junction Circulator”. IEEE Trans. MTT-13, 1965, № 1, pp.15-27.

4.       Кирсанов Ю.А. «Результаты экспериментального исследования ферритовых развязывающих, пассивных и активных СВЧ-приборов, работающих на поверхностной ферритовой волне». <http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/13111.html>