Проектирование малогабаритных ферритовых развязывающих СВЧ устройств на сосредоточенных элементах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат наук Сорокин, Александр Владимирович

• Сорокин, Александр Владимирович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Сорокин, Александр Владимирович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 Проектирование узкополосных ферритовых развязывающих устройств

1.1. Введение

1.2. Математическая модель У-циркулягора на сосредоточашьк элементах

1.3. Эквивалентные схемы узкополосных циркуляторов

1.4. Методика расчёта узкополосных ферритовых развязывающих устройств на сосредоточенных элементах при <р = тс

1.5. Конструкции узкополосных ферритовых развязывающих устройств на сосредоточенных элементах

1.6. Экспериментальные исследования узкополосных ферритовых

развязывающих устройств

Выводы к главе 1

Глава 2 Проектирование широкополосных У-циркуляторов

2.1. Введение

2.2. Эквивалентные схемы широкополосных У-циркуляторов с сосредоточенными параметрами

2.3. Методики проектирования широкополосных У-циркуляторов с полоснорасширяющей цепью между общей точкой индуктивностей и корпусом

2.4. Методики проектирования широкополосных У-циркуляторов с полоснорасширяющими цепями в каждом плече и между общей точкой индуктивностей и корпусом

2.5. Конструкции широкополосных ФРУ на сосредоточенных элементах

2.6. Экспериментальные исследования широкополосных ФРУ на

сосредоточенных элементах

Выводы к главе 2

Глава 3 Проектирование сверхширокополосных Y-циркуляторов

3.1. Введение

3.2. Эквивалентные схемы сверхширокополосных Y-циркуляторов

3.3. Методика проектирования сверхширокополосных Y-циркуляторов с интервалом фазы коэффициента прохождения сигнала со входа на выход А<р = 7V

3.4. Методика проектирования сверхширокополосных Y-циркуляторов с расширенным интервалом фазы коэффициента прохождения сигнала со входа на выход А <р = 4/г/З

3.5. Экспериментальное исследование сверхширокополосных ФРУ на

сосредоточенных элементах

Выводы к главе 3

Глава 4 Проектирование многофункциональных ферритовых устройств

4.1. Введение

4.2. Исследование возможности создания широкополосного циркулятора-фильтра второй и третьей гармоник

4.3. Исследование возможности создания циркуляторов с изменением направления циркуляции

4.4. Экспериментальное исследование многофункционального ферритового

развязывающего устройства

Выводы к главе 4

Заключение

Библиографический список используемой литературы

241

Приложение А Методика проектирования У-циркуляторов с двойной

системой переплетённых проводников

Приложение Б Моделирование У-циркуляторов с двукратным изменением направления циркуляции с двойной системой переплетённых

проводников

Приложение В Акты внедрения результатов диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Проектирование малогабаритных ферритовых развязывающих СВЧ устройств на сосредоточенных элементах»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Диссертационная работа включает в себя научные и технические результаты, полученные автором при выполнении НИР и ОКР, проводившихся по Гособоронзаказу в ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова» в соответствии с Федеральной целевой программой «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники на 2008-2015 годы», утверждённой постановлением Правительства РФ от -26.11.2007 №809, и «Государственной программой вооружения на 2011-2020 годы», утвержденной Указом Президента РФ от 31.12.2010 №1656. Большая часть результатов работы использована в конкретных разработках бортовых радиотехнических систем (РТС), перечисленных в заключении по диссертации, выполненных и выполняемых в настоящее время в институте.

Разработчиками современной радиоэлектронной аппаратуры большое внимание уделяется её совершенствованию с целью уменьшения массо-габаритных характеристик, что особенно актуально для бортовых РТС. Это направление исследований актуально для создания РТС различного назначения - радиолокационных, связных, навигационных. Определяющее значение при создании данных систем имеет разработка малогабаритных приемопередающих модулей (ППМ) сверхвысоких частот (СВЧ), обеспечивающих требуемые электрические и массо-габаритные характеристики. В составе ППМ и антеннофидерного тракта в метровом и дециметровом диапазонах длин волн (ДДВ) традиционно широко используются ферритовые развязывающие устройства (ФРУ) [1-6]. По допустимым уровням мощности, устойчивости к радиационным воздействиям ФРУ имеют преимущества перед полупроводниковыми устройствами. Эти качества делают использование ФРУ предпочтительным.

В метровом и дециметровом диапазонах длин волн (ДДВ) возможности

расширения номенклатуры ФРУ ограничены, поскольку ограничен сам выбор ферритовых материалов [7-9]. Однако пути повышения эффективности использования ФРУ в составе антеннофидерного тракта и высокочастотных ППМ есть. Основным направлением развития ФРУ является миниатюризация, расширение полосы рабочих частот, повышение допустимых уровней мощности и т.д. [10, 11]. Другое направление - создание развязывающих устройств с расширенными функциональными возможностями, то есть многофункциональных ферритовых развязывающих устройств (МФРУ) [1214]. Данные направления развития опираются на совершенствование методик проектирования ФРУ и создание новых конструкций развязывающих устройств.

Результаты многочисленных исследований различных авторов, полученные в течение последних 20-30 лет, убедительно показали, что ФРУ на сосредоточенных элементах, в которых, как правило, в качестве У-сочленения используется система переплетенных проводников, расположенная между ферритовыми элементами, обладают несомненными преимуществами по сравнению с другими вариантами построения развязывающих устройств. Этот тип ФРУ превосходит другие типы ферритовых циркуляторов и вентилей как по возможности достижения минимальных вносимых прямых потерь и расширения полосы рабочих частот, так и по возможности минимизации габаритов [5].

Таким образом, потенциальные возможности использования ФРУ на сосредоточенных элементах в составе антеннофидерного тракта, ППМ и пути повышения эффективности их разработки и применения в общих чертах известны специалистам. Существенными сдерживающим фактором является отсутствие методик проектирования ФРУ на сосредоточенных элементах, позволяющих наиболее полно реализовать возможности данного типа устройств.

Степень разработанности темы. «Традиционная» система проектирования СВЧ устройств состоит из трёх этапов: построения

электродинамических моделей, с достаточной степенью точности отражающих физические процессы в базовых структурах как элементах задач декомпозиции функциональных узлов, решения задач дифракции, к которым приводит объединение этих структур и создания алгоритмов и программ, используемых при решении задач анализа и синтеза функциональных СВЧ узлов. Широко распространённые универсальные программы расчёта СВЧ компонентов, использующие приближённые численные методы, весьма эффективны при решении стандартных вопросов проектирования. Однако, для проектирования ФРУ на сосредоточенных элементах применение таких программ является неоптимальным из-за необходимости расчёта параметров сосредоточенных элементов, что требует значительного времени. При проектировании ФРУ на сосредоточенных элементах удобней использовать методы теории цепей. При этом в настоящее время фактически отсутствуют работы, в которых бы присутствовали законченные методики проектирования этого типа устройств. В связи с этим не потеряло своей значимости развитие численно-аналитических методов, на основе которых в данной работе разрабатываются методики проектирования ФРУ на сосредоточенных элементах.

Целью работы является создание научно обоснованных методик проектирования ФРУ на сосредоточенных элементах, в том числе многофункциональных, и разработка их конструкций.

В соответствии с поставленными целями автором решались следующие задачи диссертационной работы:

1. Разработка на основе методов теории цепей математической модели У-циркуляторов на сосредоточенных элементах, которая позволяет проанализировать условия циркуляции в них, оценить влияние отклонений от идеальных условий циркуляции на характеристики циркуляторов, построить эквивалентные схемы данных устройств;

2. Разработка методик проектирования широкополосных и сверхширокополосных ФРУ на сосредоточенных элементах на основе

математической модели с различными режимами их работы по постоянному магнитному полю;

3. Разработка конструкций малогабаритных ФРУ на сосредоточенных элементах, позволяющих использовать данные устройства в бортовых РТС, в том числе при высоких уровнях мощности СВЧ сигналов;

4. Проведение экспериментального исследования технических характеристик опытных образцов ФРУ, созданных на основе предложенных методик проектирования.

5. Выполнение математического моделирования ФРУ с расширенными функциональными возможностями. Разработка и исследование образцов МФРУ. Проведение экспериментальной проверки предложенных методик проектирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. На основе методов теории цепей проведён анализ условий циркуляции, разработана математическая модель, позволяющая оценить влияние отклонений условий циркуляции от идеальных на характеристики циркуляторов и получены условия, позволяющие достичь максимально возможных электрических параметров циркуляторов при наличии отклонений от идеальных условий циркуляции;

2. Проведён анализ режимов работы ФРУ по постоянному магнитному полю. Предложены оптимизированный и промежуточные режимы работы широкополосных ФРУ, которые характеризуются высокими значениями внешнего магнитного поля и обеспечивают улучшение электрических характеристик устройств;

3. Созданы новые методики проектирования ФРУ на сосредоточенных элементах, в том числе многофункциональных;

4. Теоретически обоснована и подтверждена экспериментально возможность реализации изменения направления циркуляции без изменения направления внешнего магнитного поля.

5. Разработаны широкополосные ФРУ с оптимизированным и промежуточным режимами работы, а также, многофункциональные.

Теоретическая значимость работы заключается в построении на базе теории цепей математической модели ФРУ, которая объединяет параметры согласующих цепей с исходными данными, характеризующими электрофизические параметры феррита и постоянное поле подмагничивания. Предложенная математическая модель позволяет исследовать различные режимы работы ФРУ, в том числе с изменением направления циркуляции без изменения направления внешнего магнитного поля.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Созданы методики проектирования узкополосных, широкополосных и сверхширокополосных ФРУ на сосредоточенных элементах;

2. Разработаны и внедрены в производство конструкции ФРУ на сосредоточенных элементах для бортовых РТС;

3. Проведены экспериментальные исследования МФРУ, в том числе с изменением направления циркуляции без изменения направления магнитного поля.

4. Поданы 4 заявки на изобретения, которые в настоящее время рассматриваются в установленном порядке.

Методология и методы исследования. Представленные в диссертационной работе результаты были получены с использованием методов теории цепей, матричной алгебры и математического моделирования с применением ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

1. На основе методов теории цепей проведён анализ условий циркуляции для различных ФРУ, отличающийся физической наглядностью, и разработаны эквивалентные схемы, соответствующие различным условиям циркуляции, получены аналитические соотношения для инженерного расчёта элементов эквивалентных схем;

2. Представленная математическая модель ФРУ на сосредоточенных элементах, связывающая параметры согласующих цепей с исходными данными, характеризующими электрофизические параметры феррита, а также поле подмагничивания, позволяет определить вид оптимальных полоснорасщиряющих цепей и режимы работы устройств, рассчитать параметры согласующих цепей;

3. Созданные на основе математической модели методики проектирования ФРУ на сосредоточенных элементах, в том числе многофункциональных, позволяют с достаточной для их реализации степенью точности в режиме реального времени проводить расчёт частотных характеристик развязывающих устройств;

4. Основные результаты диссертации позволяют разрабатывать и выпускать малогабаритные ФРУ на сосредоточенных элементах с улучшенными электрическими характеристиками для высокочастотных блоков современных РТС.

Степень достоверности результатов диссертации определяется:

- использованием теоретически обоснованных методов исследований;

- результатами многочисленных экспериментальных проверок параметров макетов и образцов разработанных ФРУ, спроектированных с использованием предложенных методик;

- проверкой работоспособности разработанных ФРУ на практике в различных типах ППМ бортовых РТС в рамках перечисленных в заключении диссертации НИР и ОКР, выполненных и выполняемых ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова» по Гособоронзаказу.

Апробация результатов диссертации. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных научно-технических конференциях:

- XV Международная научно-техническая конференции «Информационные системы и технологии», ИСТ-2009, Нижний Новгород, НГТУ, 2009 г.;

VIII Международная научно-техническая конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Санкт-Петербург, 2009 г.;

- XVI Международная научно-техническая конференции «Информационные системы и технологии», ИСТ-2010, Нижний Новгород, НГТУ, 2010 г.;

IX Международная научно-техническая конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Челябинск, 2010 г.;

- XVII Международная научно-техническая конференции «Информационные системы и технологии», ИСТ-2011, Нижний Новгород, НГТУ, 2011 г.;

- X Международная научно-техническая конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Самара, 2011 г.;

- XVIII Международная научно-техническая конференции «Информационные системы и технологии», ИСТ-2012, Нижний Новгород, НГТУ, 2012 г.;

- XI Международная научно-техническая конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Екатеринбург, 2012 г.;

- XIX Международная научно-техническая конференции «Информационные системы и технологии», ИСТ-2013, Нижний Новгород, НГТУ, 2013 г.;

- XX Международная научно-техническая конференции «Информационные системы и технологии», ИСТ-2014, Нижний Новгород, НГТУ, 2014 г;

- XII Международная научно-техническая конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Нижний Новгород, 2014 г.

Публикации. Основные результаты работы изложены в 25 открытых публикациях (в том числе в 3 статьях в журналах, включенных в перечень изданий, рекомендуемых ВАК для опубликования результатов диссертационных работ).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 85 наименований и приложений. Объем диссертации составляет 293 страницы текста, в том числе 119 рисунков и 12 таблиц.

Основное содержание работы.

В первой главе на базе теории цепей строится математическая модель У-циркуляторов на сосредоточенных элементах, на основе которой анализируются условия циркуляции в них. Исследуется влияние отклонений условий циркуляции от идеальных на параметры ФРУ. Строятся различные эквивалентные схемы узкополосных ФРУ. Описываются возможные варианты конструкций ФРУ на сосредоточенных элементах, технология их изготовления, анализируются пути повышения технологичности ФРУ. Рассматриваются особенности конструкций магнитных систем замкнутого типа, обеспечивающих зарезонансный режим работы ФРУ. Приводятся экспериментальные данные испытаний узкополосных ФРУ в различных климатических условиях. Представленные материалы составляют теоретическую базу для разработки методик расчета элементов эквивалентных схем и характеристик широкополосных ФРУ на сосредоточенных элементах.

Во второй главе диссертации разрабатываются методики проектирования широкополосных ФРУ на сосредоточенных элементах. Рассматриваются и анализируются эквивалентные схемы широкополосных ФРУ, и определяется вид оптимальных полоснорасширяющих цепей. Исследуются ФРУ с различными режимами работы по постоянному магнитному полю. Проводится оценка различных конструкций широкополосных ФРУ на сосредоточенных элементах и предлагаются конструкции пололоснорасширяющих цепей, позволяющие повысить технологичность ФРУ. Приводятся экспериментальные данные испытаний широкополосных ФРУ в различных климатических условиях. Представленные материалы составляют теоретическую базу для разработки методик расчета элементов эквивалентных схем и характеристик сверхширокополосных ФРУ на сосредоточенных элементах.

В третьей главе диссертации исследуются различные способы получения сверхширокой полосы рабочих частот в У-циркуляторах на сосредоточенных элементах. Проводится разработка и анализ эквивалентных

схем и режимов работы сверхширокополосных ФРУ на сосредоточенных элементах, в том числе с двойным У-сочленением. Разрабатываются методики проектирования сверхпшрокополосных У-циркуляторов на сосредоточенных элементах с различными режимами их работы. Проводится математическое моделирование сверхпшрокополосных У-циркуляторов на сосредоточенных с различными режимами их работы и сравнение возможностей обеспечения близких к идеальным условий циркуляции в сверхширокой полосе рабочих частот. Приводятся результаты экспериментальных испытаний сверхширокополосных ФРУ с различными конструкциями.

В четвертой главе диссертации проводится исследование многофункциональных ФРУ на сосредоточенных элементах. Разрабатывается методика проектирования широкополосного циркулятора-фильтра на сосредоточенных элементах. Проводится экспериментальная проверка предложенной методики.

Проводится анализ реализации условий циркуляции при различных режимах работы У-циркуляторов и выводятся условия циркуляции, позволяющие реализовать изменение направления циркуляции без изменения направления внешнего магнитного поля. Даются выражения для расчета У— циркуляторов с изменением направления циркуляции на одной и двух частотах. Проводится экспериментальная проверка возможности реализации изменения направления циркуляции без изменения направления внешнего магнитного поля.

Приводятся результаты экспериментального исследования и подтверждается возможность использования многофункционального ФРУ в качестве циркулятора-трансформатора активных сопротивлений и в качестве невзаимного синфазного делителя-сумматора мощности СВЧ.

В заключении приводятся основные выводы, сформулированные в процессе выполнения диссертации.

Глава 1

ПРОЕКТИРОВАНИЕ УЗКОПОЛОСНЫХ ФЕРРИТОВЫХ РАЗВЯЗЫВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

1.1. Введение

ФРУ более пятидесяти лет широко применяются в РЭА. В настоящее время в связи с быстрым развитием полупроводниковых компонентов СВЧ, особенно монолитных интегральных схем СВЧ, сфера применения ФРУ существенно сужается. Однако на данном этапе развития техники СВЧ совсем отказаться от их применения не представляется возможным. Применение ФРУ остаётся актуальным в сложных РТС. При этом технические требования к ним всё более ужесточаются: необходимы функциональные узлы с всё меньшими габаритами и массой, малыми вносимыми потерями и большими обратными потерями, с большей полосой рабочих частот.

Системный подход к проектированию ФРУ [15] позволил оценить и использовать потенциальные возможности различных видов ФРУ с целью наиболее полного удовлетворения технических требований к ним. Повышение требований к ФРУ, особенно по массогабаритным параметрам, обуславливает интерес к ФРУ с У—сочленением в виде системы переплетённых проводников. Они могут обеспечить малые габариты и массу по сравнению с другими типами ФРУ и обладают широкими возможностями по управлению условиями циркуляции с помощью внешних согласующих цепей. Кроме того, конструкция данного типа ФРУ остаётся практически неизменной в широком диапазоне длин волн: от метрового до нижней части сантиметрового.

При проектировании ФРУ очень важным фактором является обеспечение их высокой технологичности. Повышение технологичности вновь

разрабатываемых ФРУ является одной из основных задач при их проектировании, поскольку позволяет решить ряд важных проблем, связанных как с изготовлением, так и улучшением технических характеристик устройств. Возможность использования современных технологий при изготовлении позволяет существенно упростить конструкцию, снизив трудоёмкость изготовления, и одновременно повысить надёжность ФРУ.

Расчет электрических характеристик ФРУ может быть выполнен двумя способами: как на основе «электродинамического» подхода, которому посвящено достаточно много работ [16-22], так и на основе методов теории цепей [23-25]. Использование того или иного подхода определяется в основном выбранным типом волноведущей структуры ФРУ. Для расчёта ФРУ на сосредоточенных элементах, предпочтительным является подход с использованием методов теории цепей [26].

В настоящей главе диссертации приводится математическая модель узкополосных ФРУ на сосредоточенных элементах, построенная автором на основе методов теории цепей. Исследуются различные эквивалентные схемы узкополосных ФРУ. Описываются различные варианты конструкций ФРУ на сосредоточенных элементах, работающих в зарезонансном режиме, технология их изготовления, анализируются пути повышения технологичности ФРУ. Рассматриваются особенности конструкций магнитных систем замкнутого типа, обеспечивающих зарезонансный режим работы ФРУ. Приводятся экспериментальные данные испытаний узкополосных ФРУ в различных климатических условиях. Качественная математическая модель узкополосных ФРУ используется в теоретических исследованиях последующих глав при анализе возможностей построения широкополосных, сверхширокополосных и многофункциональных ФРУ.

1.2. Математическая модель У-циркулятора на сосредоточенных элементах

Модель У-циркулятора на сосредоточенных элементах целесообразно строить на основе методов теории цепей, что обусловлено тем, что рабочими диапазонами длин волн (ДДВ) для циркуляторов этого типа являются метровый и дециметровый диапазоны, в связи, с чем конструктивное исполнение У-сочленения циркулятора предполагается в виде системы переплетённых проводников, размещённых между двумя ферритовыми элементами (ФЭ). В этом случае математическая модель У-циркулятора отличается физической наглядностью и достаточной простотой.

При построении модели для её упрощения целесообразно сделать ряд допущений. Ограничимся рассмотрением зарезонансного режима работы циркулятора. Это обстоятельство обусловлено тем, что при дорезонасном режиме работы в ненасыщенном феррите в метровом и дециметровом ДДВ имеют место магнитные потери в «слабых полях» [27], обусловленные колебаниями границ доменов в феррите. Вторым фактором, делающим предпочтительным зарезонансный режим работы циркулятора, является применение в настоящее время ФРУ, в основном, в устройствах с высоким уровнем СВЧ рабочей мощности, при котором в дорезонансном режиме возможно возникновение дополнительных потерь, обусловленных возбуждением спиновых волн в феррите [17].

Будем пренебрегать магнитными потерями в феррите, так как вне зоны ферромагнитного резонанса они малы [18]. Режим работы феррита по постоянному магнитному полю в зарезонансном режиме описывается с помощью относительного внутреннего поля подмагничивания

<т>1(<т = ;к////, где у = 2,8 МГц/Э - спиновое гиромагнитное отношение для электрона, Н — величина напряженности поля подмагничивания [Гс], / — частота [МГц]) и относительной намагниченности

насыщенияр (р = У4л"Л/5//, где 4/гМ5 — намагниченность насыщения феррита [Гс]). В зарезонансном режиме работы для минимизации резонансных потерь необходимо чтобы величина относительного внутреннего поля подмагничивания сг имела значение <т>1,3-И,6 и выполнялось условие сг > р [28]. Диэлектрические потери в феррите существенно меньше магнитных, поэтому они также не будут учитываться. Учёт потерь в согласующих элементах также нецелесообразен, так как они отличаются, как правило, высокой добротностью.

Матрица рассеяния идеального циркулятора может быть записана в виде [29,30]

0 1

(1.1)

0 1 о

где (р-фаза коэффициента прохождения сигнала со входа на выход.

Условия циркуляции можно записать через собственные значения матрицы рассеяния. Собственные значения £0+/_ матрицы рассеяния

идеального циркулятора (1.1) определяются выражениями [24]

= (1.2)

8^е-а<р-2я1ъ)9 (13)

8_=е-а<Р+2я1ъ)9 (14)

где ^ - соответствует синфазному типу возбуждения собственным вектором 1/0, соответствуют типам возбуждения с правым и левым

направлениями вращения электромагнитного поля в центре У-сочленения собственными векторами 11+/-.

Собственные векторы IIо>+/- идеального циркулятора с учётом его симметрии имеют вид [24]

(1.5)

и =

7з

1

,-/2 яг/3 ^Ил/Ъ

1

—/2 я/3

(1.6)

(1.7)

Таким образом, из (1.2)—(1.4) следует, что собственные значения 50>+/_

матрицы рассеяния идеального циркулятора на комплексной плоскости расположены на равном расстоянии друг от друга на окружности единичного радиуса.

Соответственно, связь между элементами матрицы рассеяния и собственными значениями описывается следующими соотношениями [24]

5и=Д(50+5++5_),

$2 = + ¿V • е117г1Ъ + 5 - е~127г/3}._

(1-8) (1.9) (1.Ю)

Условия циркуляции можно записать также через собственные значения матрицы импеданса. Собственные значения матрицы импеданса для

произвольного идеального У-циркулятора связаны с собственными значениями его матрицы рассеяния ^ соотношением [24]

7 1 + 5 . ((р 2 пк

0,+/-

и

(1.11)

где р0 — волновое сопротивление подводящих линий передачи, & = 0,+/— 1. Отметим, что, с учётом ранее сделанных допущений, а также все

импедансы, о которых говорится далее чисто мнимые. Учитывая, что чисто мнимые, из (1.11) получаем выражение для

0,+/— т 1 0,+/- т 1 где г0 +/_ - г0л/_/р0.

Тогда фазы собственных значений 50 могут быть представлены в виде

2ъ

<Ро,+1- = 1 _ °2+/- . (1.13).

Для удобства построения модели произвольного идеального У— циркулятора воспользуемся его представлением в терминах собственных значений матрицы импеданса.

Собственные значения матрицы импеданса У-сочленения

описываются выражениями [31]

= 0)1^(1-Ксв), (1.14)

Ксв^

(М + Чк), (1.15)

где со = 2/г/ - циклическая частота, Ь0 - собственная индуктивность полосковых линий У-сочленения, /лик— компоненты тензора магнитной проницаемости ферритовой среды, Ксв— коэффициент связи, т]— фактор невзаимного заполнения.

В симметричном У-циркуляторе на сосредоточенных элементах в зависимости от типа и параметров индуктивностей, расположенных между ФЭ, возможно большое разнообразие конструкций У-сочленений. Различные конструкции У-сочленения отличаются эффективностью невзаимного взаимодействия с намагниченным ферритом, которая характеризуется невзаимным фактором заполнения г) [32], определяющим в какой степени при

возбуждении У-сочленения собственными векторами £/+/-,

соответствующими типам возбуждения с правым и левым направлением вращения электромагнитного поля в центре У-сочленения, магнитная энергия будет сосредоточена в электромагнитном поле круговой поляризации выбранного направления вращения. Наибольшим фактором заполнения ( т]«1) обладает У—сочленение из системы шести переплетенных полосковых проводников (рисунок 1.1), изолированных друг от друга, каждый из которых проходит под двумя и над двумя проводниками (так называемая, «рамочная» конструкция [33]). При достаточно малой длине полосковых проводников У— сочленения в ФЭ сосредоточена в основном энергия магнитного поля. Ещё одним параметром У-сочленения является коэффициент связи индуктивностей по магнитному потоку Ксв [24]. Для «рамочной» системы переплетённых проводников Ксв «1.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сорокин, Александр Владимирович, 2014 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ

1. Техническая электродинамика/ В.И, Вольман, А.Д. Муравцов, В.Ю. Пименов. - М.: Радио и связь, 2000. -536 с.

2. Устройства СВЧ и антенны/ Д.И. Воскресенский, В.Л. Гостюхин, В.М. Максимов, Л.И. Пономарёв: Под ред. Воскресенского Д.И. — М.: Радиотехника, 2006. - 367 с.

3. Антенны, СВЧ-устройства и их технологии/ Нечаев Ю.Б., Николаев В.И., Андреев Р.Н., H.H. Винокурова: Под общ. Ред. Нечаева Ю.Б., Николаева В.И.- Воронеж, ОАО Концерн «Созвездие», 2008.-629 с.

4. Коробовский С. Б., Шагеданов В. И. Ферритовые циркуляторы и вентили// С. Б. Коробовский, В. И. Шагеданов М.-М.: «Сов радио», 1979.-72 с.

5. Неганов В.А. Теория и применение устройств СВЧ// В.А. Неганов, Г.П. Яровой: Под ред. В.А. Неганова - М.: Радио и связь, 2006. - 720 с.

6. Твёрдотельные устройства СВЧ в технике связи/ Л.Г Гассанов, В.В. Марков, H.A. Могильченко. - М.:Радио и связь, 1988.-288 с.

7. Ферриты и магнитодиэлектрики: Справочник / Под ред. Н.Д. Горбунова, Г. А. Матвеева. -М.: Сов. радио, 1968. - 176 с.

8. Михайлова, М. Магнитомягкие ферриты для радиоэлектронной аппаратуры // М. Михайлова, В. Филиппов, В. Муслаков. - М.: Радио и связь, 1983.-200 с.

9. Харинская М. Микроволновые ферритовые материалы/ М. Харинская//Электроника: Наука, Техника, Бизнес - 2000. - №1. - С. 24-27.

10. Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ/ Л.Г.Малорацкий.-М.: Советское радио, 1976—216 с.

11. Лебедь Б. Магнитоэлектронные приборы. ОАО «НИИ «Феррит-Домен» не сдаёт своих позиций / Б. Лебедь, Н. Милевский, В. Петров, Ю. Яковлев//Электроника: Наука, Техника, Бизнес - 2008. - №2. - С. 42-47.

12. Многофункциональные миниатюрные ферритовые узлы/Е.С. Краснов, И.Ю. Бакаленко, М.Н. Богданов, A.A. Дмитрюк, А.В, Филиппов// Функциональная электроника-М.: НИИЭИР.-1989.-С. 49-54.

13. Бакаленко И.Ю. Миниатюрные ферритовые узлы на основе связанных линий передачи/ И.Ю. Бакаленко, A.A. Дмитрюк, Е.С. Краснов// Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТПО.-1988.-№1.-С. 24-28.

14. Ищенко А.Н. Интегральные ферритовые устройства СВЧ/ А.Н. Ищенко, Н.Д. Урсуляк// Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ—1997—№11.-С. 53-73.

15. Бородин В.Н. Системный подход к разработке ферритовых развязывающих устройств СВЧ диапазона / Бородин В.Н., Козлов, В.А. // Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления: Тр. международной специализированной выставки-конференции военных и двойных технологий, т. 4. - М.: ОАО ЦНИИ «Электроника», 2002, с. 46-48.

16. Микаэлян, А.Л. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах / А.Л. Микаэлян. - М.: Госэнергоиздат, 1963. - 662 с.

17. Лаке, Б. Сверхвысокочастотные ферриты и ферримагнетики / Б. Лаке, К. Батон; перевод с англ. под ред. А.Г. Гуревича. - М.: МИР, 1965. -675 с.

18. Гуревич А.Г. Ферриты на сверхвысоких частотах/ А.Г. Гуревич. — М.: Физматгиз, 1960.-408 с.

19. Hiñes M.E. Reciprocal and nonreciprocal modes of propagation in ferrite stripline and microstrip devices/ M.E. Hines // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. - 1971. -V. MTT-19, No 5. - P. 442-451.

20. Муравцов А.Д. Расчёт и экспериментальное исследование малогабаритного вентиля на полосковой линии/ А.Д. Муравцов// Радиотехника.—1973.-№10 (21)-С. 68-73.

21. Козлов, В.А. Методика приближенного расчета нелинейного преобразования СВЧ-сигналов в МПЛ с ферритовой подложкой / В.А. Козлов // Антенны. - 2004. - № 1. - С. 15-20.

22. Козлов, В. А. Расчет и технология изготовления ферритовых элементов КВЧ-переключателей с "внутренней" магнитной памятью / В.А. Козлов, Ю.А. Светлаков // Антенны. - 2005. - № 5. - С.23-27.

23. Вамберский, М.В. Конструирование ферритовых развязывающих приборов СВЧ / М.В. Вамберский, В.П. Абрамов, В.И. Казанцев: Под ред. М.В. Вамберского. - М.: Радио и связь, 1982. - 136 с.

24. Хелзайн, Дж. Пассивные и активные цепи СВЧ / Дж. Хелзайн; пер. с англ. — М.: Радио и связь. - 1981. — 200 с.

25. Шлёман Э.Ф. Циркуляторы для интегральных СВЧ-схем. / Э.Ф. Шлёман // ТИИИЭР. - 1988.-Т. 76, №2.-С. 105-116.

26. Козлов, В.А. Системный подход к проектированию СВЧ ферритовых компонентов бортовых РЛС / В.А. Козлов // Антенны. - 2005. -№5 (96).-С. 6-12.

27. Вамберский, М.В. Передающие устройства СВЧ / М.В. Вамберский, В.И. Казанцев, С.А. Шелухин: Под ред. М.В. Вамберского. - М.: Высш. Шк., 1984.-448 с.

28. Абрамов В.П. Элементы и узлы СВЧ интегральных схем/В.П. Абрамов, М.В. Вамберский, С.А. Шелухин. -М.:МВТУ, 1976. - 76 с

29. Альтман Дж.Л. Устройства сверхвысоких частот/ Дж.Л. Альтман: Под ред. И.В. Лебедева. -М.: Мир, 1968.-484 с.

30. Сазонов Д.М. Устройства СВЧ/ А.Н. Гридин, Д.М. Сазонов, Б.А. Мишустин: Под ред. Д.М. Сазонова. - М.: Высш. шк., 1981. - 295 с.

31. Бородин, В.Н. Условия циркуляции У-циркуляторов на сосредоточенных элементах/ В.Н. Бородин //Материалы IV научно-технической конференции «Опыт разработки и проблемы проектирования узлов и блоков РЭА». — М.: ЦНИИ Атоминформ — 1986.-С. 102-106.

32. Konishi, У. Lumped Element У-circulator/ У. Konishi // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. - 1965. -V. MTT-13, No 8. - P. 852-864.

33. Бородин, В.Н. Микроминиатюрный широкополосный У-циркулятор на сосредоточенных элементах/ В.Н. Бородин //Материалы V научно-технической конференции «Опыт разработки и проблемы проектирования узлов и блоков РЭА». - М.: ЦНИИ Атоминформ.-

1988.-С. 54.

34. Бородин В.Н. Выбор полоснорасширяющих цепей широкополосных У-циркуляторов на сосредоточенных элементах/ В.Н. Бородин, A.B. Сорокин// Физика и технические приложения волновых процессов: труды XI Международной научно-технической конференции.— Екатеринбург: Изд-во Урал. Ун-та, 2012.- С. 115-116.

35. Абрамов В.П. Невзаимные устройства на ферритовых резонаторах /В.П. Абрамов, В.А. Дмитриев, С.А. Шелухин. - М.:Радио и связь,

1989.-200 с.

36. Бронштейн И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов// И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. - М.: Наука. -1986.-544 с.

37. Основы теории цепей/ Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, A.B. Нетушил, C.B. Страхов.-М.: Энергия, 1975.-752 с.

38. Сорокин А.В. Анализ эквивалентных схем Y-циркуляторов на сосредоточенных элементах./ А.В. Сорокин// Физика и технические приложения волновых процессов: труды XI Международной научно-технической конференции.— Екатеринбург: Изд-во Урал. Ун-та, 2012.-С.117-118.

39. Helszajn J. The Inductance of a Lumped Constant Circulator/ J. Helszajn, M. McDermott // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. - 1970. -V. MTT-18, No l.-P. 50-52.

40. Бородин B.H. Ферритовый циркулятор дециметрового диапазона длин волн на высокий уровень мощности /В.Н. Бородин, А.В. Сорокин// Физика и технические приложения волновых процессов: труды IX Международной научно-технической конференции. Челябинск: Изд-во Политехника, 2010 - С. 90.

41. Бородин, В.Н. Малогабаритный вентиль метрового диапазона длин волн на высокий уровень мощности/ В.Н. Бородин, А. В. Сорокин // Информационные системы и технологии - ИСТ-2013: материалы XIX международной научно-технической конференции - Нижний Новгород, НГТУ-2013.- С. 77.

42. Ферриты и магнитодиэлектрики: Справочник / Под ред. Н.Д. Горбунова, Г. А. Матвеева. - М.: Сов. радио, 1968. - 176 с.

43. Сверхвысоко-частотные магнитные и диэлектрические материалы: Каталог [Электронный ресурс]// ОАО "Завод Магнетон". - 2011. — Режим доступа: www.magneton.ru/caT.html

44. Knerr R. Н. A compact broad-band thin-film lumped element L-band circulator/ Barnes С. E., R. H. Kner// IEEE Trans. Microwave Theory Tech.- 1970. -V. MTT-18. No 12.-P. 1100-1108.

45. Konishi Y. Design of a New Broad-Eland Isolator / N. Hoshino, Y. Konishi // IEEE Trans. Microwave Theory Tech.- 1971. -V. MTT-19. No 3.- P. 260-269.

46. Katoh H. Temperature-stabilized 1.7-GHz Broad-Band Lumped-Element Circulator/ H. Katoh // IEEE Trans. Microwave Theory Tech.- 1975.- V. MTT—23. No 8. -P. 685-696.

47. Николаева K.C. Синтез широкополосных циркуляторов на сосредоточенных элементах / К.С. Николаева// Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ.-1982.-№ 2.-С. 31-37.

48. Масычев С.И. Анализ, синтез и оптимизация микрополосковых Y— циркуляторов с сосредоточенными элементами / С.И. Масычев, М.М. Надеев// Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ.-1986.-№ 9-С. 9-13.

49. Ikushima I. A Temperature-Stabilized Broad-Band Lumped-Element Circulator/1. Ikushima, M. Maeda// IEEE Trans. Microwave Theory Tech.-1974.- V. MTT—22. No 12. -P. 1220-1225.

50. Knerr R. H. An Improved Equivalent Circuit for the Thin-Film Lumped-Element Circulator/ R. H. Kner// IEEE Trans. Microwave Theory Tech.— 1972. -V. MTT-20. No 7.-P. 446-^51.

51. Бородин, B.H. Двухчастотные Y-циркуляторы и вентили на сосредоточенных элементах/ В.Н. Бородин, В.А. Козлов, Сорокин А.В. // Антенны. - 2007. - №12 (127). - С. 6-8.

52. Козлов, В.А. Оптимизация режима работы широкополосного ферритового развязывающего устройства/ В.А. Козлов, А. В.Сорокин // Информационные системы и технологии - ИСТ-2010: материалы XVI международной научно-технической конференции. — Нижний Новгород: НГТУ. - 2010,- С. 67-68.

53. Бородин, В.Н. Двухчастотные СВЧ циркуляторы на сосредоточенных элементах/ В.Н. Бородин, В.А. Козлов, А. В. Сорокин // Физика и технические приложения волновых процессов: труды VIII Международной научно-технической конференции. — Санкт-Петербург: Политехника, 2009. - С. 180-181.

54. Сорокин, А. В. Малогабаритный широкополосный ферритовый СВЧ циркулятор метрового диапазона длин волн / А. В.Сорокин // Информационные системы и технологии - ИСТ-2012: материалы XVIII международной научно-технической конференции - Нижний Новгород, НГТУ - 2012.- С. 83.

55. Козлов, В.А. Широкополосное ферритовое развязывающее устройство на сосредоточенных элементах с малыми прямыми потерями /

B.А. Козлов, А. В. Сорокин // Информационные системы и технологии — ИСТ-2013: материалы XIX международной научно-технической конференции - Нижний Новгород, НГТУ - 2013. С. 78.

56. Бородин, В.Н. Методика проектирования двухчастотных СВЧ циркуляторов на сосредоточенных элементах/ В.Н. Бородин, В.А. Козлов, Сорокин А.В. // Информационные системы и технологии -ИСТ-2009: материалы XV международной научно-технической конференции.— Нижний Новгород, НГТУ — 2009. С. 60-61.

57. Козлов, В.А. Широкополосный вентиль метрового диапазона длин волн на высокий уровень мощности / В.А. Козлов, А. В.Сорокин // Физика и технические приложения волновых процессов: труды X Международной научно-технической конференции- Самара, 2011.—

C. 173-174.

58. Козлов, В.А. Широкополосный циркулятор на сосредоточенных элементах с двойной системой переплетённых рамок / В.А. Козлов, А. В.Сорокин // Физика и технические приложения волновых процессов: труды X Международной научно-технической конференции — Самара, 2011.- С. 174—175.

59. Козлов, В.А. Ширкополосный ферритовый СВЧ циркулятор на сосредоточенных элементах / В.А. Козлов, А. В.Сорокин // Информационные системы и технологии — ИСТ-2011: материалы XVII

международной научно-технической конференции. - Нижний Новгород: НГТУ. - 2011.- С. 96-97.

60. Dong Н. Maximum Bandwidth Performance for an ideal Lumped-Element Circulator/ H. Dong, J. L. Young, J. R. Smith, B. Aldecoa// Progress In Electromagnetics Research C.-2012. -V. 33.-P. 213-227.

61. Гавалов A.C. Методика проектирования СВЧ циркуляторов на сосредоточенных элементах с двойной системой переплетённых проводников/А.С. Гавалов, А. В.Сорокин // Информационные системы и технологии - ИСТ-2014: материалы XX международной научно-технической конференции - Нижний Новгород, НГТУ - 2014 — С. 6061.

62. Козлов, В.А. Методика проектирования широкополосных ферритовых Y-циркуляторов на сосредоточенных элементах/ В.А. Козлов, А.В. Сорокин// Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева/НГТУ им. Р.Е. Алексеева.- Нижний Новгород, 2012. №3(96).-С. 19-29.

63. Козлов, В.А.Проектирование широкополосных ферритовых У— циркуляторов на сосредоточенных элементах/ В.А. Козлов, А.В. Сорокин// Физика волновых процессов и радиотехнические системы — 2013.-№1 (16).-С. 88-93

64. Козлов, В.А. Проектирование сверхширокополосных СВЧ циркуляторов на сосредоточенных элементах/ В.А. Козлов, А. В.Сорокин // Информационные системы и технологии — ИСТ-2014: материалы XX международной научно-технической конференции. — Нижний Новгород: НГТУ. - 2014 - С. 53.

65. Сорокин, А. В. Проектирование СВЧ циркуляторов с полоснорасширяющими цепями в виде последовательных контуров / А. В.Сорокин // Информационные системы и технологии - ИСТ-2014:

материалы XX международной научно-технической конференции. — Нижний Новгород: НГТУ. -2014,- С. 58-59.

66. Сорокин, А. В. Ферритовый СВЧ циркулятор с расширенной полосой рабочих частот на сосредоточенных элементах / А. В.Сорокин // Информационные системы и технологии - ИСТ-2012: материалы XVIII международной научно-технической конференции - Нижний Новгород, НГТУ-2012,- С. 84.

67. Helszajn J. UHF techniques for lumped constant / J. Helszajn// Microwave Engineering Europe. - 2005. -No 1. - P. 28-34.

68. Козлов, B.A. Двухчастотный СВЧ циркулятор с расширенным интервалом между полосами рабочих частот/ В. А. Козлов, А. В.Сорокин // Информационные системы и технологии — ИСТ-2011: материалы XVII международной научно-технической конференции. — Нижний Новгород: НГТУ. - 2011- С. 95.

69. Сорокин, А. В. Широкополосный СВЧ циркулятор на сосредоточенных элементах с подавлением второй гармоники / А. В.Сорокин // Физика и технические приложения волновых процессов: материалы докладов IX Международной научно-технической конференции: Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - Челябинск: Политехника, 2010.-С. 105-106.

70. Патент US 5604470 (United States). Duplexer having transmit and receive sections mounted on a single substrate / Atokawa M.// Murata Manufacturing Co., Ltd.; приоритет от 13.04.1995. 6 с.

71. Nagao, T. Diplexer and Broadbanding Operations of Stripline Y-Junction Circulators/ T. Nagao // MTT-S International Microwave Symposium Digest [MWSYM].- 1977.-V. 77.1 -P. 516-518.

72. Экспериментальное исследование противонаправленных циркуляций в Y-циркуляторе/Р.Г. Кочарян, А. К. Баргесян, Г.З. Зазян, С.У. Хамоян,

Д.Г. Шахнозян // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ-1988.-№ 1.-С. 57-58.

73. Бородин, В.Н. Ферритовые СВЧ циркуляторы с изменяющимся направлением циркуляции/ В.Н. Бородин, В.А. Козлов, А. В. Сорокин // Информационные системы и технологии - ИСТ-2009: материалы XV международной научно-технической конференции - Нижний Новгород, НГТУ. -2009.- С. 58-59.

74. Бородин, В.Н. Двухчастотные ферритовые циркуляторы с изменяющимся направлением циркуляции/ В.Н. Бородин, В.А. Козлов, Сорокин А.В. // Антенны. - 2009. - №10 (149). - С. 38-42.

75. Бородин, В.Н. СВЧ циркуляторы на сосредоточенных элементах с изменяющимся направлением циркуляции / В.Н. Бородин, В.А. Козлов, А. В. Сорокин // Физика и технические приложения волновых процессов: труды VIII Международной научно-технической конференции. — Санкт-Петербург: Политехника, 2009. - С. 181-182.

76. Козлов, В.А. Трехчастотные ферритовые СВЧ циркуляторы с изменением направления циркуляции/ В.А. Козлов, А. В.Сорокин // Материалы докладов VIII Международной научно-технической конференции. - Санкт-Петербург: Политехника, 2009. - С. 178-179.

77. Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний/ В.В.Заенцев, В.М. Катушкина, С.Е. Лондон, З.И. Модель: Под. ред. З.И. Моделя.-М.: Советское радио — 1980. -296 с.

78. Широкополосные устройства на элементах с сосредоточенными параметрами/ В.М. Карпов, В.А. Малышев, И.В. Перевощиков: Под ред. В.А. Малышева-М.: Радио и связь.— 1984.- 104 с.

79. Микроэлектронные устройства СВЧ/ Н.Т. Бова, Ю.Г. Ефремов, В.В. Конин и др.- К.: Техника, 1984.-184 с.

80. Петров, А.С. Делители-сумматоры мощности СВЧ-диапазона/ А.С., Печурин В.А.//Успехи современной радиоэлектроники. - 2010. — №2. — С. 5-42.

81. Вамберский, М.В. Невзаимные двухканальные делители и сумматоры мощности СВЧ/ М.В. Вамберский, В.П. Усачёв, С.А. Шелухин// Известия вузов СССР. Радиоэлектроника. -1984.-Т. 27, №10. -С. 16-22.

82. Вамберский, М.В. Инженерный расчёт двухканальных невзаимных делителей-сумматоров на микрополосковых линиях/ М.В. Вамберский, В.П. Усачёв, С.А. Шелухин// Известия вузов СССР. Радиоэлектроника. -1984—Т. 27, №12. -С.22-25.

83. Патент US6882527B2 (655187/10 United States). Isolator for greatly attenuating signal transmitted in reverse direction over wide frequency band/ Shimizu Y.// Alps Electric Co., Ltd.; приоритет от 23.11.2004. 6 с.

84. Патент US 5838209 (United States). Nonreciprocal junction circuit element having different conductor intersecting angles/ Okada Т., Hasegawa N., Tokudera H. // Murata Manufacturing Co., Ltd.; приоритет от 17.11.1998. 13 с.

85. Патент US 7365616В2 (United States). Non-reciprocal element with three central conductors and communication apparatus using the same/ Takeda S., Mikami H., Ichikawa K.// Hitachi Metals, Ltd.; приоритет от 29.04.2008. 17 c.