Микрополосковый циркулятор

 

Изобретение относится к развязывающим устройствам диапазона миллиметровых волн. Суть изобретения состоит в том, что в микрополосковом циркуляторе, содержащем диэлектрическую подложку, систему из трех металлических полосков, ферритовый элемент с частично металлизированной поверхностью, установленный на диэлектрической подложке, и магнитную систему, ферритовый элемент выполнен в виде цилиндра либо многогранной призмы, полоски электрически изолированы друг от друга и расположены так, что их концы примыкают к ферритовому элементу либо выступают под него, сближаясь друг с другом на расстояние, большее ширины полоска, основание ферритового элемента ограничено окружностью либо многоугольником, вписанным в эту окружность, диаметр d которой находится в пределах, определяемых формулой где n - числовой коэффициент, значение которого составляет от 150 до 300, ε_ф - диэлектрическая проницаемость феррита, f_ср - центральная рабочая частота, при этом высота h ферритового элемента находится в пределах, определяемых по формуле где k - числовой коэффициент, значение которого составляет от 0.2 до 0.5, λ_ср - длина волны, соответствующая центральной рабочей частоте. Технический результат изобретения заключается в повышении максимальной рабочей частоты циркулятора с обеспечением высокого уровня его электромагнитных характеристик. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к технике диапазона миллиметровых волн (ММВ), в частности к приборам, которые могут найти применение в качестве развязки в связной аппаратуре, автомобильных радиолокаторах и других устройствах.

В настоящее время актуальной задачей техники диапазона ММВ является освоение верхней части этого диапазона, что открывает возможность увеличения плотности каналов связи. Для развязки связных каналов в верхней части диапазона ММВ применяются сейчас волноводные циркуляторы и вентили. Их существенный недостаток - большие габариты. Микрополосковые циркуляторы и вентили, имеющие значительно меньшие габариты в сравнении с волноводными развязывающими приборами и использующие традиционные СВЧ-ферриты, неработоспособны уже в средней части диапазона ММВ. Причина этого кроется в низкой добротности микрополосковых резонаторов известных развязывающих приборов. Микрополосковые циркуляторы и вентили на специальных гексаферритах с внутренними полями анизотропии, которые способны работать в верхней части диапазона ММВ, весьма дороги и имеют неудовлетворительные температурные характеристики [1].

Известны микрополосковые циркуляторы, содержащие сплошную ферритовую подложку и нанесенную на нее систему из трех металлических полосков с диском сочленения, расположенным в центре подложки (см., например, [2, рис.3.28а]). Их достоинством является простота и технологичность конструкции. Однако максимальная рабочая частота таких циркуляторов, при которой потери остаются еще приемлемыми (не более 2 дБ), не превышает 60 ГГц.

Известны также микрополосковые циркуляторы, содержащие диэлектрическую подложку, ферритовый элемент в форме диска, встроенный в отверстие диэлектрической подложки, и систему из трех металлических полосков с диском сочленения, нанесенную на поверхность диэлектрической подложки (см., например, [2, рис. 3.28б-г; 3, 4]). Максимальная рабочая частота таких циркуляторов технологически ограничена значением 20-25 ГГц. Это связано с жесткими допусками на размеры элементов конструкции и точность их совмещения, что усложняет технологию изготовления.

По совокупности существенных признаков наиболее близким к заявляемому устройству является микрополосковый циркулятор по изобретению [5], содержащий диэлектрическую подложку, на нижнюю поверхность которой нанесен слой металлизации, а на верхнюю поверхность - система из трех подводящих металлических полосков с металлическим диском сочленения, ферритовый элемент в форме диска с металлизированной верхней поверхностью, установленный на диэлектрической подложке так, что его центр совпадает с центром диэлектрической подложки и центром металлического диска сочленения подводящих металлических полосков, и магнитную систему для намагничивания ферритового элемента.

Данный микрополосковый циркулятор, выбранный в качестве прототипа, работает в полосе частот от 12,25 до 13,25 ГГц, обеспечивая уровень обратных потерь 15 дБ и развязку 15 дБ.

Главный недостаток прототипа - невысокая максимальная рабочая частота.

Задачей настоящего изобретения является повышение максимальной рабочей частоты циркулятора при одновременном обеспечении высокого уровня его основных характеристик.

Эта задача решается тем, что в микрополосковом циркуляторе, содержащем диэлектрическую подложку, на нижнюю поверхность которой нанесен слой металлизации, а на верхнюю поверхность система из трех подводящих металлических полосков, ферритовый элемент с частично металлизированной поверхностью, установленный на диэлектрической подложке в ее центре, и магнитную систему для намагничивания ферритового элемента, ферритовый элемент выполнен в виде цилиндра либо многогранной призмы, подводящие металлические полоски электрически изолированы друг от друга и расположены так, что их концы примыкают к ферритовому элементу либо выступают под него, сближаясь друг с другом на расстояние, большее ширины полоска, основание ферритового элемента ограничено окружностью либо многоугольником, вписанным в эту окружность, диаметр d которой находится в пределах, определяемых эмпирической формулой где n - числовой коэффициент, значение которого составляет от 150 до 300, ε_ф - диэлектрическая проницаемость феррита, f_ср - центральная рабочая частота циркулятора, при этом высота h ферритового элемента находится в пределах, определяемых по формуле где k - числовой коэффициент, значение которого составляет от 0.2 до 0.5, λ_ср - длина волны, соответствующая центральной рабочей частоте.

В ферритовом элементе может быть металлизирована верхняя поверхность, часть боковой поверхности, вся боковая поверхность и часть нижней поверхности.

Технический результат изобретения состоит в повышении максимальной рабочей частоты циркулятора до 100 ГГц при одновременном обеспечении высокого уровня его электромагнитных характеристик: вносимых потерь, развязок, обратных потерь.

Заявляемое изобретение основано на результатах экспериментальных исследований и расчетов, которые показали, что, если в микрополосковом циркуляторе ферритовый элемент расположен на поверхности диэлектрической подложки и выполнен в форме цилиндра либо многогранной призмы, а подводящие металлические полоски электрически изолированы друг от друга и примыкают к ферритовому элементу либо выступают под него, ферритовый элемент при определенных размерах становится резонатором, причем с очень высокой добротностью (Q до нескольких тысяч). Это более чем на порядок выше по сравнению с добротностью микрополоскового резонатора в прототипе (Q=300-500), функции которого выполняет диск сочленения микрополосковой системы.

Будучи резонатором, ферритовый элемент в то же время обеспечивает поворот электромагнитной волны. В отличие от этого, в известном микрополосковом циркуляторе ферритовый элемент служит только для поворота электромагнитной волны.

Превалирующую роль в превращении ферритового элемента в резонатор с высокой добротностью в предлагаемой конструкции играют размеры основания и высоты ферритового элемента. Основание ферритового элемента должно быть ограничено окружностью (в случае ферритового элемента в виде цилиндра), либо многоугольником, вписанным в эту окружность (в случае ферритового элемента в виде призмы), диаметр d которой не выходит за пределы, определяемые эмпирической формулой
где n - числовой коэффициент, значение которого составляет от 150 до 300, ε_ф - диэлектрическая проницаемость феррита, f_ср - центральная рабочая частота циркулятора. При n <150 в ферритовом элементе будет отсутствовать резонанс. Если же n>300, в ферритовом элементе возникают высшие нерабочие типы волн, нарушающие работу прибора.

Высота h ферритового элемента должна находиться в пределах, задаваемых эмпирической формулой

где k - числовой коэффициент, значение которого лежит в интервале от 0.2 до 0.5, λ_ср - длина волны, соответствующая центральной рабочей частоте _ср циркулятора. ε_ф - диэлектрическая проницаемость феррита. Если значение k больше 0.5, в резонаторе возбуждаются высшие нерабочие типы колебаний, которые нарушают работу циркулятора, ухудшают его параметры. При k<0.2 падает добротность резонатора.

В варианте предлагаемого циркулятора с подводящими полосками, заходящими под ферритовый элемент, концы полосков необходимо располагать относительно друг друга не ближе, чем на расстоянии, равным ширине полоска. В противном случае, будет иметь место нежелательное взаимопросачивание электромагнитной волны из полоска в полосок с ухудшением всех основных электромагнитных параметров.

Для согласования волнового сопротивления подводящие полоски под ферритовым элементом могут быть выполнены изменяющимися по ширине.

Изобретение иллюстрируют фиг. 1- фиг.6, на которых условно изображены шесть вариантов конструкции предлагаемого циркулятора, и фиг.7 и 8, где представлены расчетные графики частотной зависимости обратных потерь, вносимых потерь и развязки двух вариантов исполнения циркулятора по настоящему изобретению.

Микрополосковый циркулятор, изображенный на фиг.1, содержит подложку 1 из диэлектрического материала; слой металлизации (не показан), нанесенный на нижнюю поверхность подложки 1; ферритовый цилиндр 2 с металлизированным верхним основанием, показанным штриховкой; три металлические полоски 3, 4 и 5, нанесенные на верхнюю поверхность подложки 1 и примыкающие своими концами к ферритовому цилиндру 2, и магнитную систему для намагничивания ферритового цилиндра (не показана). Циркулятор может содержать металлическое основание либо использоваться без него. Сверху циркулятор может быть закрыт металлическим экраном.

Циркулятор, изображенный на фиг.2, отличается от циркулятора, показанного на фиг.1, только тем, что концы металлических полосков 3, 4 и 5 заходят под ферритовый цилиндр 2.

Циркуляторы на фиг.3 и 4 отличаются от циркулятора, представленного на фиг. 1, тем, что в первом из них (фиг.3) металлизированы верхнее основание ферритового цилиндра 2 и часть его боковой поверхности, а во втором (фиг.4) - верхнее основание и вся его боковая поверхность.

Особенность циркулятора на фиг.5 состоит в использовании в качестве ферритового элемента трехгранной призмы 6. При этом металлические полоски 3, 4 и 5 заходят под углы нижнего основания призмы. Эти полоски могут также примыкать либо заходить под стороны основания призмы в их средней части.

Особенностью циркулятора, показанного на фиг.6, является металлизация 7 части нижнего основания ферритового цилиндра 2. Альтернативным вариантом является нанесение такой металлизации на диэлектрическую подложку 1.

Предлагаемый микрополосковый циркулятор работает следующим образом.

Входная электромагнитная волна может поступать в любой из трех металлических полосков 3, 4 или 5, каждый из которых, таким образом, может служить входом циркулятора. В случае, когда входом является полосок 3 (фиг.1), электромагнитная волна проходит вдоль этого полоска, поступает к ферритовому цилиндру 2 и возбуждает его. В ферритовом цилиндре 2 устанавливается стоячая электромагнитная волна. В зависимости от направления осевой намагниченности ферритового цилиндра 2 область, близкая к максимуму стоячей электромагнитной волны, поворачивается либо в сторону полоска 4, либо в сторону полоска 5. В случае поворота в сторону полоска 4 в нем возбуждается бегущая электромагнитная волна, которая идет далее от ферритового цилиндра 2 к краю диэлектрической подложки 1. В направлении полоска 5 устанавливается минимум электромагнитной волны. Электромагнитная волна не проходит в полосок 5 и в нем отсутствует возбуждение. Тем самым, достигается развязка. Аналогичный процесс имеет место в случае, когда с помощью магнитной системы обеспечивается поворот электромагнитной волны в сторону полоска 5. В результате оказывается развязанным полосок 4.

Один из опытных образцов заявляемого циркулятора, выполненный по варианту на фиг. 1, имеет диэлектрическую подложку из поликора толщиной 0.15 мм, ферритовый элемент из материала марки 1 СЧ9Г в виде цилиндра с диаметром основания 0.7 мм и высотой 0.4 мм. Толщина металлизации равна 4.5 мкм. В диапазоне частот 76-77 ГГц образец обеспечивает развязки 15 дБ, вносимые потери 1.5 дБ, обратные потери 14 дБ.

Эти характеристики близки к расчетным характеристикам, представленным на фиг. 7 в виде графиков частотной зависимости развязок (1), вносимых потерь (2) и обратных потерь (3). Расчеты проводились по программе "Maxwell-Ansoft".

На фиг. 8 представлены аналогичные графики для циркулятора на фиг.1, рассчитанного на рабочий диапазон частот 91-96 ГГц.

Сходные результаты получены расчетным путем и для других вариантов предлагаемого циркулятора, в том числе для варианта выполнения ферритового элемента в форме трехгранной призмы.

Приведенные экспериментальные и расчетные данные демонстрируют возможность повышения максимальной рабочей частоты микрополосковых циркуляторов до значения порядка 100 ГГц с хорошим уровнем электромагнитных параметров.

Изготовление предлагаемого устройства предполагает применение известных материалов и технологических операций с использованием стандартного технологического оборудования, что свидетельствует о возможности промышленной реализации изобретения.

Источники информации
1. Оснос В.М. и др. Миниатюрные микрополосковые развязывающие устройства Y-типа диапазона ММВ на высокоплотных гексаферритах без подмагничивающего поля и необходимости настройки. - XIV Всесоюзная научно-техническая конференция по СВЧ ферритовой технике. Тезисы докладов. Л., 1988 г.

2. Вамберский М.В. и др. Конструирование ферритовых развязывающих приборов СВЧ. М.: Радио и связь, 1982.

3. Патент США 3922620, НПК 333-1.1, опубл. 28.01.75.

4. Заявка Англии 1450811, НПК H 1 W, опубл. 29.09.76.

5. Заявка Англии 2129623, НПК H 1 W, опубл. 16.05.84.

Формула изобретения

1. Микрополосковый циркулятор, содержащий диэлектрическую подложку, на нижнюю поверхность которой нанесен слой металлизации, а на верхнюю поверхность - система из трех металлических полосков, ферритовый элемент с частично металлизированной поверхностью, установленный на диэлектрической подложке в ее центре, и магнитную систему для намагничивания ферритового элемента, отличающийся тем, что ферритовый элемент выполнен в виде цилиндра либо многогранной призмы, металлические полоски электрически изолированы друг от друга и расположены так, что их концы примыкают к ферритовому элементу либо выступают под него, сближаясь друг с другом на расстояние, большее ширины полоска, основание ферритового элемента ограничено окружностью либо многоугольником, вписанным в эту окружность, диаметр d которой находится в пределах, определяемых формулой

где n - числовой коэффициент, значение которого составляет от 150 до 300;
ε_ф - диэлектрическая проницаемость феррита;
f _ср - центральная рабочая частота, при этом высота h ферритового элемента находится в пределах, определяемых по формуле

где k - числовой коэффициент, значение которого составляет от 0.2 до 0.5;
λ_ср - длина волны, соответствующая центральной рабочей частоте.

2. Микрополосковый циркулятор по п.1, отличающийся тем, что в ферритовом элементе металлизирована его верхняя поверхность.

3. Микрополосковый циркулятор по п.2, отличающийся тем, что в ферритовом элементе металлизирована часть боковой поверхности.

4. Микрополосковый циркулятор по п.2, отличающийся тем, что в ферритовом элементе металлизирована вся боковая поверхность.

5. Микрополосковый циркулятор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в ферритовом элементе металлизирована часть его нижнего основания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8