Изолятор (микроволновая печь)

Изолятор резонансного поглощения, состоящий из волновода WG16, содержащего две полоски феррита (черный прямоугольник возле правого края каждой широкой стенки), которые смещаются подковообразным постоянным магнитом, внешним по отношению к проводнику. Направление передачи указано стрелкой на этикетке справа.

Изолятор двухпортовое — это устройство , которое передает микроволновую или радиочастотную энергию только в одном направлении. Невзаимность, наблюдаемая в этих устройствах, обычно возникает из-за взаимодействия распространяющейся волны с материалом, которое может быть различным в зависимости от направления распространения.

Он используется для защиты оборудования на входной стороне от воздействия условий на выходной стороне; например, чтобы предотвратить расстройку микроволнового источника из-за несогласованной нагрузки.

Невзаимность

Изолятор представляет собой невзаимное устройство с несимметричной матрицей рассеяния . Идеальный изолятор передает всю мощность, поступающую через порт 1, в порт 2, поглощая при этом всю мощность, поступающую в порт 2, так что с точностью до фазового коэффициента его S-матрица равна

S={\begin{pmatrix}0&0\\1&0\end{pmatrix}}

Чтобы добиться невзаимности, изолятор обязательно должен включать в себя невзаимный материал. На микроволновых частотах этот материал обычно представляет собой феррит , который смещается статическим магнитным полем. ^[1] но может быть самопредвзятым материалом. ^[2] Феррит расположен внутри изолятора так, что микроволновый сигнал представляет на него вращающееся магнитное поле, причем ось вращения совпадает с направлением статического поля смещения. Поведение феррита зависит от направления вращения относительно поля смещения и, следовательно, различно для микроволновых сигналов, распространяющихся в противоположных направлениях. В зависимости от конкретных условий эксплуатации сигнал, распространяющийся в одном направлении, может быть сдвинут по фазе, вытеснен из феррита или поглощен.

Типы

Наиболее распространенные типы изоляторов на основе феррита подразделяются на четыре категории: оконечные циркуляторы, изоляторы вращения Фарадея, изоляторы смещения поля и резонансные изоляторы. Во всех этих типах устройств наблюдаемая невзаимность возникает из-за взаимодействия волны с материалом, которое зависит от направления распространения.

Резонансное поглощение

В этом типе феррит поглощает энергию микроволнового сигнала, распространяющегося в одном направлении. Подходящее вращающееся магнитное поле находится в доминирующей моде TE ₁₀ прямоугольного волновода . Вращающееся поле существует вдали от центральной линии широкой стенки, по всей высоте направляющей. Однако, чтобы обеспечить отвод тепла от поглощенной энергии, феррит обычно не простирается от одной широкой стенки к другой, а ограничивается неглубокой полоской на каждой стороне. Для данного поля смещения резонансное поглощение происходит в довольно узком диапазоне частот, но поскольку на практике поле смещения не является совершенно однородным по всему ферриту, изолятор работает в несколько более широкой полосе частот.

Смещение поля

Этот тип внешне очень похож на изолятор резонансного поглощения, но магнитное смещение отличается, и энергия обратного движущегося сигнала поглощается резистивной пленкой или картой на одной стороне ферритового блока, а не внутри самого феррита.

Поле смещения слабее, чем необходимо, чтобы вызвать резонанс на рабочей частоте, но вместо этого оно предназначено для придания ферриту почти нулевой проницаемости для одного направления вращения поля микроволнового сигнала. Полярность смещения такова, что это особое условие возникает для прямого сигнала; обратный сигнал рассматривает феррит как обычный диэлектрический материал (с небольшой проницаемостью, поскольку феррит уже насыщен полем смещения). Следовательно, для электромагнитного поля прямого сигнала феррит имеет очень низкий характеристический волновой импеданс , и это поле имеет тенденцию быть исключено из феррита. Это приводит к исчезновению электрического поля прямого сигнала на поверхности феррита, где расположена резистивная пленка. И наоборот, для обратного сигнала электрическое поле над этой поверхностью сильное, поэтому его энергия рассеивается при прохождении тока через пленку.

В прямоугольных волноводах ферритовый блок обычно занимает всю высоту от одной широкой стенки до другой, при этом резистивная пленка находится на стороне, обращенной к центральной линии волновода.

Прекращенный циркулятор

Циркулятор . — это невзаимное трех- или четырехпортовое устройство, в котором мощность, поступающая в любой порт, передается на следующий порт по очереди (только) Таким образом, с точностью до фазового фактора матрица рассеяния для трехходового циркулятора равна

S={\begin{pmatrix}0&0&1\\1&0&0\\0&1&0\end{pmatrix}}

Двухпортовый изолятор получается простым подключением к одному из трех портов согласованной нагрузки , которая поглощает всю поступающую на него мощность. Смещенный феррит является частью циркулятора и вызывает дифференциальный сдвиг фаз для сигналов, распространяющихся в разных направлениях. Поле смещения ниже, чем необходимое для резонансного поглощения, поэтому для этого типа изолятора не требуется такой тяжелый постоянный магнит. Поскольку мощность поглощается внешней нагрузкой, охлаждение представляет собой меньшую проблему, чем при использовании изолятора резонансного поглощения.

Изолятор вращения Фарадея

Последний физический принцип, полезный для проектирования изоляторов, — это вращение Фарадея . Когда линейно поляризованная волна распространяется через феррит, намагниченность которого совпадает с направлением распространения волны, плоскость поляризации будет вращаться вдоль оси распространения. Такое вращение может быть использовано для создания СВЧ-устройств в качестве изоляторов, циркуляторов, гираторов и т.п. В прямоугольной топологии волновода оно также требует реализации круглых участков волновода, выходящих из плоскости устройства.

Изолятор X-диапазона , состоящий из волноводного циркулятора с внешней согласованной нагрузкой на один порт.

Два изолятора, каждый из которых состоит из коаксиального циркулятора и согласованной нагрузки.

См. также

Ссылки

^ Позар, Дэвид М. (2012). Микроволновая техника . ISBN 978-81-265-4190-4 . OCLC 884711361 .
^ Саиб, А.; Дарк, М.; Пиро, Л.; Ванхонакер-Жанвье, Д.; Хуйнен, И. (июнь 2005 г.). «Несмещенный интегрированный микрополосковый циркулятор на основе магнитной нанопроводной подложки» . Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения . 53 (6): 2043–2049. дои : 10.1109/TMTT.2005.848818 . ISSN 0018-9480 . S2CID 14638902 .

Фокс, АГ; Миллер, SE; Вайс, штат Монтана (январь 1955 г.). «Поведение и применение ферритов в микроволновой области» (PDF) . Технический журнал Bell System . 34 (1). Лаборатории Белла: 5–103. дои : 10.1002/j.1538-7305.1955.tb03763.x .

Баден Фуллер, AJ (1969). Микроволновые печи (1-е изд.). Пергамон Пресс. ISBN 0-08-006616-Х .

Баден Фуллер, AJ (1987). Ферриты на микроволновых частотах . Серия электромагнитных волн IEE. Питер Перегринус. ISBN 0-86341-064-2 .

Внешние ссылки

Циркуляторы и изоляторы [1]

[1] Позар, Дэвид М. (2012). Микроволновая техника . ISBN 978-81-265-4190-4 . OCLC 884711361 .

[2] Саиб, А.; Дарк, М.; Пиро, Л.; Ванхонакер-Жанвье, Д.; Хуйнен, И. (июнь 2005 г.). «Несмещенный интегрированный микрополосковый циркулятор на основе магнитной нанопроводной подложки» . Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения . 53 (6): 2043–2049. дои : 10.1109/TMTT.2005.848818 . ISSN 0018-9480 . S2CID 14638902 .

[1]

[2]