Применение ориентированных графов к анализу ферритовых СВЧ - циркуляторов

 














Применение ориентированных графов к анализу ферритовых СВЧ - циркуляторов



Кирсанов Юрий



Аннотация


Данная работа посвящена изложению результатов экспериментального исследования расщепления резонансных типов колебаний, а также распределения электрической составляющей СВЧ - поля в намагниченном ферритовом резонаторе с целью выявления физических закономерностей эффекта циркуляции и построения на основе полученных результатов двух моделей сигнального графа У- циркулятора. Одна модель графа позволяет рассчитывать распределение энергии СВЧ поля в самом ферритовом циркуляторе при подключении к нему различных управляющих элементов. Другая - позволяет определить требования к отдельным У- циркуляторам, каскадируемым в многоплечные циркуляторы, выявить особенности построения таких многоплечных циркуляторов, а также существенно упростить расчет коэффициентов передачи между плечами многокаскадных гибридных интегральных СВЧ схем, использующих многоплечные циркуляторы.



Введение


Использование аппарата сигнальных графов даёт возможность производить расчеты схем более наглядным и экономном способом, чем в случае использования для тех же расчетов соответствующих алгебраических уравнений. Кроме того, граф можно преобразовать, получая эквивалентные графы. Эти преобразования имеют более наглядный физический смысл, чем преобразования соответствующих алгебраических уравнений.

Основным математическим выражением при расчете графов является формула, предложенная С.М. Мэзоном [1]: передача графа Т?? между узлами «?» и «?» равна


Т?? = = (1)


где: Рк - передача к-го прямого пути от истока к стоку;

n - число прямых путей;

? - определитель графа, вычисляемый согласно выражению:


? = 1- + - + …


где: Lj - все петли обратной связи данного графа;

Lj Ln - произведение несоприкасающихся пар петель обратной связи;

Lj LmLl - произведение несоприкасающихся троек петель обратной связи;

и т.д.

?k - величина ? для части графа, которая не касается «к»- го прямого пути. Правило Мэзона позволяет определить любой узловой сигнал от известного источника возбуждения.


1. Результаты экспериментального исследования расщепления резонансных типов колебаний в У- циркуляторе


Исследование расщепления резонансных типов колебаний в зависимости от внешнего подмагничивающего поля проводилось мной двумя методами:.путём определения частоты резонанса колебаний по накоплению энергии в резонансе;.путём определения частоты резонанса колебаний из измерений входного импеданса ферритового резонатора.

Первый метод заключается в сравнении мощности сигнала, поступающего в ферритовый резонатор с мощностью накопленной в резонаторе. Второй метод основан на том, что собственные частоты резонансных типов колебаний, возбуждаемых в ферритовом резонаторе, различны и при резонансе какого-либо типа колебаний на входе устройства должен наблюдаться экстремальный коэффициент отражения.\

Для исследований был настроен макет дорезонансного У-циркулятора. Блок схема установки, на которой проводились исследования, изображена на рис.1.



На рис.2 даны графики расщепления резонансных типов колебаний в зависимости от приложенного внешнего подмагничивающего поля, снятые первым методом. Связь ферритового резонатора с подводящими энергию проводниками сильная (сопротивление проводников , подводящих энергию к ферритовому резонатору, было 50 ом.).



На рис.3 и рис.4 приведены характеристики, снятые при слабой связи ( в этом случае сопротивление проводников было 140 ом).



На рис.4 приведены характеристики, снятые первым методом, на рис.3 вторым методом (коэффициент отражения на резонансных частотах имел максимальное значение). Как видно из рис.4 и рис.3, результаты не зависят от выбора метода. Необходимо заметить также, что при слабой связи ферритового резонатора с подводящими энергию проводниками, максимумы на кривых выражены ярче, как и следовало ожидать. Полученные экспериментальные результаты подтверждают теоретические выводы Босма [2] о существовании резонансных типов колебаний в ферритовом резонаторе, а также соответствуют одному из двух условий циркуляции, приведенных Феем и Комстоком в работе [3]. Согласно этому условию центральная частота рабочего диапазона циркуляции лежит приблизительно посредине между резонансными частотами расщеплённых типов колебаний, т.е.


?ц


Таким образом, учитывая, что в У-циркуляторе намагниченный ферритовый резонатор имеет максимальный коэффициент отражения на двух различных частотах ?+ и ?- , эквивалентную схему такого резонатора можно представить в виде, изображенным на рис.5, а само явление циркуляции можно рассматривать, как результат интерференции резонансных типов колебаний, существующих в этом резонаторе.



2. Экспериментальное исследование электрической составляющей СВЧ поля в полосковом У-циркуляторе


Для исследования электрической составляющей СВЧ поля по периферии ферритового резонатора У-циркулятора, мной использовался простой метод скользящего зонда. Зонд скользил вдоль щели, прорезанной в одной из заземленных пластин циркулятора (см. рис.6). Размер зонда (отношение его длины к диаметру) и размер щели брались такими, чтобы структура поля в циркуляторе не искажалась. Благодаря повороту одной из заземлённых пластин циркулятора на 3600 , Е2z - компонента СВЧ поля могла быть измерена по всей границе «феррит-воздух», за исключением мест подсоединения центральных проводников (щель вырезанная над центральным проводником давала большое излучение СВЧ энергии).




Для проведения экспериментальных исследований был настроен У- циркулятор, работающий в до резонансном режиме. На рис.7 представлены результаты измерений Еz2 - составляющей СВЧ поля по периферии ферритового резонатора.

Анализ диаграммы показывает, что:

.распределение Еz2 - компоненты СВЧ поля близко к синусоидальному,

.максимальное значение Еz2- компоненты СВЧ поля приходится на входное и выходное плечи,

.минимальное значение Еz2 - компоненты СВЧ поля приходится на развязанное плечо.

Следовательно, для обеспечения циркуляции интерференция исследованных ранее резонансных типов колебаний должна давать в намагниченном ферритовом резонаторе дипольную структуру СВЧ поля.



Рассмотренная на рис.7 диаграмма относится к распределению Еz2 - составляющей СВЧ поля на периферии сильно связанного ферритового резонатора (сопротивление проводников, подводящих энергию к ферритовому резонатору 50 ом). Случай распределения энергии СВЧ поля по периферии слабо связанного ферритового резонатора (сопротивление проводников 140 ом) показан на рис.8. Из рис.8 видно, что минимум Еz2 - составляющей СВЧ поля между входным и выходным плечами циркулятора при слабой связи ферритового резонатора намного глубже, чем при сильной связи. Внешнее же подмагничивающее поле, требующееся для получения эффекта циркуляции, в случае слабой связи, было меньшим.

Результаты вышеприведённого экспериментального исследования соответствуют второму условию циркуляции [3], согласно которому, уменьшение связи намагниченного ферритового резонатора (т.е. увеличение его нагруженной добротности) требует, для сохранения эффекта циркуляции, уменьшения расщепления резонансных типов колебаний. Последнее происходит при уменьшении постоянного намагничивающего поля.



На рис.7 и 9 дано распределение Еz2 - составляющей по периферии ферритового резонатора в зависимости от частоты сигнала и величины подмагничивающего поля.

Из этих графиков можно сделать важный для дальнейшего вывод - при изменении величины постоянного подмагничивающего поля или частоты сигнала происходит вращение диаграммы СВЧ поля в ферритовом резонаторе. Последнее приводит к тому, что при изменении частоты происходит уменьшение величины развязки независимо от качества согласования плеч У- циркулятора.


. Выбор модели У- циркулятора для расчета с помощью сигнальных графов распределения энергии СВЧ поля в ферритовом резонаторе


Согласно данным экспериментального исследования, описанного в п. 1, в ферритовом резонаторе могут распространяться положительный и отрицательный резонансные типы волн. Последнее позволяет нам выбрать модель графа У- циркулятора, изображённую на рис.10.



Само явление циркуляции, как отмечалось выше (1), можно рассматривать как результат интерференции резонансных типов волн, коэффициент передачи которых между плечами У- циркулятора изображены на рис.10 ветвями между узлами I,II,III. Распределение энергии между плечами устройства внутри ферритового резонатора может рассчитываться по известному правилу Мэзона[1].

Пусть циркуляция имеет направление I ? II ? III ? I. Тогда распределение энергии внутри ферритового резонатора между вышеуказанными плечами, без учета диссипативных потерь в феррите, равно:


ТII,I = ; (2)

ТIII,I = ; (3)

ТI,I = ; (4)


где: и - коэффициенты передачи соответственно положительного и отрицательного резонансных типов волн.

Из выражений (2,3,4) видно, что распределение энергии между плечами зависит от соотношения фаз (?+ и ?- ) между резонансными типами колебаний в ферритовом резонаторе. Выбирая соответствующие параметры феррита и величину постоянного подмагничивающего поля, можно получить между вышеуказанными типами колебаний фазовый сдвиг, необходимый для эффекта циркуляции.

Ввиду того, что угловое расстояние между плечами ферритового резонатора равно 1200 , а диаграмма СВЧ поля при оптимальном подмагничивающем поле (Нопт.) должна быть повёрнута на угол 300 относительно своего положения при Н=0, то фазовый сдвиг на частоте циркуляции между положительным и отрицательным резонансными типами колебаний во входном плече циркулятора должен быть равен 600 (?+ - ?- =600). Если: ?+ ? 1200 и ?- ? 600, то из (2,3,4) следует:

ТII,I = -0,5; TIII,I = 0; TI,I = 0,5;

т.е. I ТII,I I = I TI,I I; ТII,I = - TI,I.

Из факта TIII,I = 0 следует, что на центральной частоте циркуляции плечо III не возбуждается. Равенство I ТII,I I = I TI,I I показывает, что энергия распределяется между входным и выходным плечами поровну. Знак минус в выражении ТII,I = - TI,I означает , что поля во входном и выходном плечах находятся в противофазе.

В таблице I приведены данные о распределении энергии между плечами У- циркулятора в зависимости от частоты поступающего сигнала, полученные при расчете по формулам (2,3,4). Распределение энергии в ферритовом резонаторе можно рассчитывать в произвольной полосе частот ( в таблице приведен расчет для полосы частот ? 34%).

многоплечный циркулятор ферритовый волна


Таблица I (При составлении таблицы использовалась эквивалентная схема циркулятора изображенная на рис.5)

?+?-I ТII,I II TIII,III TI,I I0,83 ?ц200034000,2290,3970,6060,9 ?ц220032000,3970,2290,6061,0 ?ц240030000,500,51,1 ?ц260028000,3970,2290,6061,17 ?ц280026000,2290,3970,606

Из рис.10 видно, что если поместить между плечами У-циркулятора фазосдвигающие элементы, то возможно управление фазовым сдвигом интерферирующих типов колебаний, а следовательно, и распределением СВЧ энергии в ферритовом резонаторе. Ввиду того, что феррит с «пятаком» центрального проводника рассматривается как резонатор бегущих ( в противоположных направлениях) резонансных типов волн, то целесообразно поставить между плечами У-циркулятора параллельно включенные шлейфы длиной ?ц/2.

Граф такой схемы представлен на рис.11. Где: А - коэффициент передачи четырёхполюсника, В - коэффициент отражения от четырёхполюсника.



Распределение энергии внутри ферритового резонатора в этом случае можно рассчитать по формулам, полученным согласно правилу [1] и имеющим вид:


ТII,I =

; (5)

ТIII,I = ; (6)

TI,I =


где: N = -

В таблице II приведены расчетные значения распределения энергии между плечами У-циркулятора в зависимости от частоты, полученные по формулам (5, 6, 7).



Таблица II (Коэффициенты передачи и отражения параллельного шлейфа в зависимости от частоты меняются известным образом)

?+?-?п?отABITII,IIITIII,IIITI,II0,83 ?ц20003400-400-12000,750,650,4550,1580,4550,9 ?ц22003200-200-7100,9490,3250,4850,1370,485?ц240030000000100,500,51,1 ?ц26002800+200+7100,9490,3250,4850,1370,4851,17 ?ц28002600+400+12000,750,650,4550,1580,455

При сравнении таблиц I и II, видно, что распределение СВЧ поля во втором случае гораздо ближе к распределению необходимому для идеальной циркуляции. Особенно заметно улучшение (на 45% по сравнению с первым случаем) на краях полосы частот.

Если же подсоединить полуволновые шлейфы во входные плечи У - циркулятора, то в выражениях для коэффициентов передачи (см. формулы (5,6,7)) коэффициент , а коэффициент = 0, т.к. всегда можно найти такую плоскость включения полуволнового разомкнутого шлейфа, в которой его реактанс комплексно-сопряжен входному реактансу циркулятора.

В таблице III приведены расчетные данные о распределении энергии между плечами У-циркулятора для этого случая.


Таблица III

?+?-ITII,IIITIII,IIITI,II0,83 ?ц20003400-4000,500,50,9 ?ц22003200-2000,500,5?ц24003000000,500,51,1 ?ц26002800+2000,500,51,17 ?ц28002600+4000,500,5

Из таблицы III видно, что вышеуказанный способ подсоединения полуволнового шлейфа позволяет получить такое же распределение энергии между плечами циркулятора, как и при идеальной циркуляции. Насколько это достижимо практически зависит от сходства характеристик входного импеданса ферритового резонатора и резонансного контура.

На рис.12 приведена диаграмма экспериментально полученного входного импеданса дорезонансного У - циркулятора дециметрового диапазона волн.



Из диаграммы видно, что поведение входного импеданса У - циркулятора в некоторой полое частот аналогично частотной зависимости импеданса параллельного контура. Точки, приведенные на диаграмме, расположены через 100 Мгц. Центральная частота 2,5 Ггц. Согласование изображенного входного импеданса У-циркулятора осуществлялось с помощью полуволновых разомкнутых шлейфов. Волновое сопротивление и плоскость их включения рассчитывались, исходя из добротности и учета знака реактивности входного импеданса устройства. В нашем случае волновое сопротивление шлейфов было равно Zшл = 38 ом, а плоскость их включения отстояла от края феррита на расстоянии 0,1 ?0 (где ?0 - центральная длина волны рабочего диапазона циркулятора, в свободном пространстве).

На рис.13 приведены электрические параметры У-циркулятора. Согласование в котором осуществлялось с помощью полуволновых шлейфов.

Из рисунка видно, что в полосе частот ? 23% устройство имело развязки ?20дб; КСВн ? 1,2; вносимые потери ? 0,4 дб.



. Сигнальный граф У-циркулятора, позволяющий анализировать связь между плечами идеального У-циркулятора в зависимости от рассогласования плеч


Приведённый на рис.10 сигнальный граф У-циркулятора строился с учетом физических процессов, происходящих в циркуляторе. Эту модель удобно использовать при расчете элементов, управляющих диаграммой СВЧ поля непосредственно в самом ферритовом резонаторе.

Пользуясь этим графом, можно рассчитать распределение энергии СВЧ поля в ферритовом резонаторе при включении в плечи или между плечами циркулятора каких- либо фазосдвигающих элементов (см.рис.11).

При расчете многокаскадных гибридных интегральных СВЧ схем с настроенными циркуляторами интерес представляет не распределение энергии в ферритовом резонаторе (т.е. при хорошо настроенном циркуляторе оно оптимально), а коэффициенты передачи между входными и выходными клеммами многокаскадной схемы в целом.

В этом случае с целью упрощения расчетов можно не рассматривать физических процессов, происходящих в самом циркуляторе, и граф У- циркулятора изображать в виде, представленном на рис.14.



Пусть циркуляция имеет направление I? II? III ? I. Тогда ветвь ? - изображает обратные потери (развязку), ветвь ? = прямые потери, а ветвь ?' изображает коэффициент отражения от плеч циркулятора, что всегда имеет место в реальных устройствах. Введение ветви ? обусловлено тем фактом (см.п.2), что при изменении частоты сигнала, происходит вращение диаграммы СВЧ поля в ферритовом резонаторе, в результате чего происходит утечка мощности непосредственно из входного плеча циркулятора в развязанное плечо.

Представляет интерес рассмотреть влияние величины реактивной нагрузки (ветвь g см. рис.15),подключенной к одному из плеч У-циркулятора, на коэффициент передачи между плечами.



Если в выходном плече (плечо III ) устройства стоит нагрузка, имеющая I ?' I= 0,09, а величина g изменяется так, фазовый сдвиг между сигналами, изображенными на рис.15 ветвями g и ?' , в одном случае равен нулю, в другом - -1800, то коэффициент передачи между первым и третьим плечами У-циркулятора ТIII,I, и коэффициент отражения от входного плеча ТI,I согласно правилу Мэзона (1) будут равны:


ТIII,I =; (8)

ТI,I = ?' + ; (9)


Выражения (8) и (9) приближенные, при их получении мы пренебрегли отражёнными волнами высокой кратности (т.к. интенсивность многократно отражённых волн значительно ослаблена). Кроме того, для простоты дальнейших расчетов мы пренебрегли тем, что У-циркулятор имеет конечную величину развязки даже при идеальном согласовании плеч, и положили: ? = 0, а ? =1, что соответствует идеальной циркуляции.

Если g и ?'н в фазе с ?', то коэффициент передачи между плечами I и III и коэффициент отражения от плеча I будут максимальными и равны:


ТIII,Iмакс= ; (10)

ТI,Iмакс = I?'I + ; (11)


Если же g и ?'н в противофазе с ?', то коэффициент передачи ТIII,I и коэффициент отражения ТI,I будут минимальными и соответственно равны:


ТIII,Iмин= ; (12)


ТI,Iмин = I?'I - ; (13)


Изменение же коэффициента передачи по мощности для двух указанных выше случаев равно:


? = ; (14)


Эта величина является очень важным параметром при построении фазовращателей с использованием циркуляторов, так как она характеризует максимально возможные изменения коэффициента передачи при коммутации фазы.

Если взять I?'I = I?н'I =0,09, что обычно соответствует крайним точкам частотного диапазона реального У-циркулятора, то согласно выражениям (14),(13),(11)

? ? 1,8 дб; ТI,I макс = 0,19 (КСВн макс =1,47)

ТI,Iмин ? 0,01 (КСВн мин ? 1,02).

Таким образом, использование У-циркулятора со стандартными параметрами (КСВн ? 1,2) в схеме с фазовращателем даже при учете, что ? = 0 приведёт к заметным изменениям выходного уровня мощности при коммутации фазы устройства.


. Расчет коэффициентов передачи между плечами реального У-циркулятора в зависимости от рассогласования плеч


Выше при расчете коэффициентов передачи между плечами У-циркулятора мы положили: ? = 0, а ? =1, что соответствует идеальной развязке (т.е. развязке, определяемой только конечной величиной согласования выходного плеча) и нулевым диссипативным потерям устройства. Однако, в реальных циркуляторах из-за конечной величины развязки и наличия диссипативных потерь всегда ? > 0, а ? < 1.

Если диссипативные потери между двумя ближайшими плечами циркулятора равны ? 0,5дб, а развязка, обусловленная ветвью ? ? 20дб, тогда Р ? 0,95; R ? 0,1.

Для ветвей ?'н , ?' и g примем те же значения, что и раньше, т.е.: Гн = Г =0,09;

g =1.

В этом случае коэффициент передачи между первым и третьем плечами У-циркулятора ТIII,I и коэффициент отражения от входного плеча ТI,I согласно правилу Мэзона (1) и рис.(15) будут равны:


ТI,I=


Аналогично тому, как было сделано в (4), найдём (ТIII,I и ТI,I )max и (ТIII,I и ТI,I )min, а также величину: ? = ;


ТI,I max

ТI,I min=; (18)

ТIII, I max =; (19)

ТIII,I min =; (20)


? =; (21)


Подставляя в выражения (17), (18), (21) выше принятые значения для : Г, Гн, gн, R, P и пренебрегая отраженными волнами высокой кратности, получим:

ТI,Imax ? 0,293 (КСВн ? 1,83)

ТI,Imin ? 0,07 (КСВн ? 1,15)

? ? 4,2 дб.

Сравнивая полученные результаты расчета коэффициентов передачи с результатами приведенными в (п.4) для идеального циркулятора, можно сказать, что в реальном циркуляторе благодаря увеличению числа петель обратной связи соотношение между фазами переотраженных сигналов сказывается на работе устройства гораздо сильнее, чем в случае идеальной схемы.


6. Исследование взаимного влияния У-циркуляторов при их каскадировании в многоплечные циркуляторы


Можно оценить изменение коэффициента передачи в зависимости от рассогласования плеч для пятиплечного циркулятора (рис.16).



Пусть циркуляция имеет направление I ? II ? III ? IV ? V ? I, в плечи II, III, IV включены реактивные нагрузки, а в плечо V согласованная нагрузка с КСВн =1,2.

Воспользовавшись опять правилом Мэзона (1) можно рассчитать коэффициент передачи между входным и выходным плечами ТV,I, а также коэффициент отражения ТI,I на входе циркулятора.

Для простоты дальнейших расчетов так же как и в п.4 положим , что : I?I=0, I?I=1 и , пренебрегая отраженными волнами высокой кратности, запишем выражение для ТV,I и ТI,I .


ТV,I = ; (22)

ТI,I =; (23)


Учитывая соотношение между фазами падающих и отраженных сигналов, аналогично тому, как это было сделано в п.4 можно выписать выражения для :


? = ; ТI,Iмакс и ТI,Imin .

? = ; (24)

ТI,I min =

=; (25)

ТI,I макс (26)


Подставляя в выражения (24), (25), (26), взятые выше значения для , (см. п.4) и полагая: = = =1 получим: ? ? 5дб; ТI,I макс ? 0,25 (КСВнmax ? 1,7);

ТI,I min ? 0,11 (КСВнmin ? 1,25).

Из полученных результатов видно, что при многокаскадном соединении У- циркуляторов благодаря увеличению числа петель обратной связи (см. выражения (24), (25), (26), рис.16) изменение коэффициента передачи между входным и выходным плечами а также коэффициента отражения на входе многоплечного циркулятора существенно даже при сравнительно небольшом рассогласовании плеч.

Следовательно, для того, чтобы в многокаскадных циркуляторах величина ? и ТI,I были такими же, как и в трехплечном, необходимо повысить диапазонные требования к коэффициенту отражения У-циркуляторов, образующих многоплечный циркулятор.

Так для того, чтобы для пятиплечного циркулятора было ? ? 1,7 дб., найдем требования к коэффициенту отражения одного У-циркулятора, пользуясь формулой (24).

Согласно расчету Г должно быть равно 0,0315. Эксперимент подтверждает, что величины ? и ТI,I для пятиплечного циркулятора будут сохраняться во всем частотном диапазоне трехплечного циркулятора, если коэффициент отражения каскадируемых У- циркуляторов не превышает 0,03 в указанном частотном диапазоне.

Кроме того, при работе с реальными циркуляторами (имеющими Г ? 0), особенно в многокаскадных схемах, необходимо учитывать соотношение фаз между переотраженными сигналами.


7. Некоторые замечания к практическим схемам с активными нагрузками


На практике многоплечные циркуляторы часто используются при работе с усилителями отражательного типа, многодискретными фазовращателями и другими СВЧ устройствами.

Рассмотрим одну из практических схем.

Пусть во второе и третье плечи рассмотренного выше пятиплечного циркулятора (см. рис.16) включены СВЧ усилители с коэффициентом передачи g=13дб., а в плечи четвертое и пятое - приемник и согласованная нагрузка, коэффициент отражения которых Гпр = Гн = 0,09.

Тогда изменение коэффициента передачи между входом и выходом рассматриваемой схемы при неблагоприятном соотношении фаз между переотраженными сигналами имеет вид:


? = ; (27)


После подстановки в (27) вышеуказанных численных значений для IgI, IГ нI,

приёмникаI им еем : ? ? 15,7дб.

Коэффициент отражения ТI,I на входе схемы (см.рис.16), при неблагоприятном соотношении фаз между переотраженными сигналами в соответствии с


ТI,I макс =

(28)


равен : ТI,I макс? 0,5, что соответствует КСВн со входа системы ? 3.

На рис.17 приведены графики максимального значения величины ? при неблагоприятном значении фаз коэффициентов отражений рассматриваемого многоплечного соединения с активными (рис.17а) и пассивными (рис.17б) нагрузками в зависимости от величины КСВн отдельных каскадируемых У- циркуляторов.

Для активных нагрузок менялась величина .



Из графиков видно, что использование в рассматриваемой многокаскадной схеме У-циркуляторов, имеющих в некоторой полосе частот Г ? 0,09, приводит к значительным колебаниям коэффциента передачи в указанной полосе частот. На практике для получения благоприятной разности фаз между переотраженными сигналами необходимо подбирать плоскость включения устройства или помещать между циркулятором и подключаемым устройством какой - либо фазосдвигающий элемент.

Для того , чтобы в активных устройствах с многоплечными циркуляторами ? и

ТI,I были малы, необходимо:

·конструировать схему в виде гибридного соединения для подбора оптимальных расстояний между ферритовыми и активными элементами;

·разрабатывать для многокаскадных схем ферритовые устройства с большей развязкой и лучшим согласованием.

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 ? ? 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 ? = 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 ? -изображает коэффициент передачи в направлении циркуляции; ветвь ? - изображает коэффициент отражения от входных плеч циркулятора, а ветвь ?н - 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 ГII и ГIII соответственно, а в плечо IV - измерительный приёмник с коэффициентом отражения ГIV , то согласно рис.18 коэффициент отражения на входе схемы TI,I не зависит от соотношения фаз между переотраженными сигналами и всегда равен:


TI,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 , ГII , ГIII, ГIV 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 ? 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 ? = 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 ?), 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>


Применение ориентированных графов к анализу ферритовых СВЧ - циркуляторов Кирсанов Юрий

Больше работ по теме:

КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]

Скачать реферат © 2017 | Пользовательское соглашение

Скачать      Реферат

ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ