Конструирование волноводных Y-циркуляторов КВЧ - диапазона.

Волноводные Y-циркуляторы применяются как в миллиметровом (КВЧ), так и в сантиметровом (СВЧ) диапазонах.

Конструктивная простейшая схема волноводного Y-циркулятора (рис. 6) включает в себя симметричное 3-плечное волноводное разветвление в Н-плоскости, круглый цилиндрический феррит, металлический согласующий трансформатор и магнитную систему.

Наиболее просто физический принцип работы циркулятора может быть объяснён явлением дифракции плоской электромагнитной волны на круглом ферритовом цилиндре. При возбуждении в одном из входных плеч волноводного разветвления волны типа на ферритовый карандаш падает «почти» плоская волна. Электрическое поле вне феррита может быть представлено суммой падающей и рассеянной волны. Его амплитудное распределение на внешней поверхности цилиндра определяется длиной волны, диаметром феррита и электромагнитными параметрами его материала. При соответствующем подборе этих величин дифракционная картина стоячих волн на поверхности цилиндрического феррита приобретает вид как на рис. 7а.

Эта картина соответствует наличию в спектре электрического поля двух амплитудных пространственных гармоник, имеющих одинаковые амплитуды и разные направления распространения. При подмагничивании ферритового цилиндра происходит изменение фазовых соотношений между этими гармониками, и узлы дифракционных картин смещаются по углу. При соответствующем подборе величины подмагничивающего поля можно добиться, чтобы узел картины стоячей волны соответствовал центру волновода развязанного плеча (рис. 7б).

В центрах входного и выходного волноводов амплитудные значения электрического поля приблизительно равны друг другу (хотя и противофазные), и СВЧ волна распространяется с малыми потерями в направлении, указанном на рис. 7б стрелками.

Схематичное изображение 3-плечного циркулятора показано на рис. 8.

Стрелкой показано направление циркуляции. Каждый канал циркулятора характеризуется параметрами:

1) прямое затухание (вносимые потери) канала

(16)

2) обратное затухание (развязка) канала

(17)

где - мощность на входе – плеча ( =1,3)

- мощность на выходе - плеча.

3) коэффициент стоячей волны каждого из плеч ( ).

Основные параметры симметричного волноводного Y-циркулятора – развязка вносимые потери связаны между собой и определяются согласованием плеч циркулятора:

, (18)

где - коэффициент стоячей волны каждого из плеч циркулятора, - потери в феррите.

Для расширения полосы рабочих частот ципкулятора необходимо улучшить его согласование. Для этой цели служит металлический согласующий трансформатор, диаметр который равен

(19)

где - диаметр ферритового цилиндра, - среднее значение длины волны рабочей полосы частот.

Высота трансформатора обычно выбирается из соотношения

(20)

где - высота волновода.

Для КВЧ диапазона компоненты магнитной проницаемости феррита равны , . Поэтому размеры (высота , радиус ) ферритового цилиндра можно определить из простой формулы

(21)

где - 1 корень уравнения ; - диэлектрическая и магнитная проницаемости феррита; - скорость света; параметр определяет вариацию поля вдоль радиуса феррита; параметр характеризует число вариаций по азимутальной координате , параметр - число вариаций поля вдоль оси . Из соотношения (21) следует, что при определённых размерах и в рабочей полосе устройства может возникнуть сразу несколько колебаний, в том числе и нежелательных.