Курсовая работа: Исследование волноводного ферритового фазовращателя типа «Реджиа-Спенсера» Х-диапазона волн

Техническое задание:
Рассчитать и спроектировать взаимный волноводный ферритовый фазовращатель типа Реджиа-Спенсера в Х-диапазоне длин волн. Выполнить обзор по фазовращателям и патентный поиск.
В данной работе проведен анализ и расчеты ферритового фазовращателя, работающего по принципу Реджиа-Спенсера на частоте 9,375 ГГц с прямоугольным ферритовым стержнем.
Цель работы: - выполнить патентный поиск, - исследовать, рассчитать и спроектировать ферритовый фазовращатель. В данной работе: Рассчитан ферритовый фазовращатель со следующими параметрами: - диапазон рабочих частот 8,15…12,05 ГГц - поляризация линейная
При разработке конструкции фазовращателя и документации к нему были использованы следующие пакеты прикладных программ: - MathCAD 15, - SolidWorks 2020, - HFSS 2020, - КОМПАС-3D 2018, - Microsoft Office 2020.
Введение
Фазовращатель – устройство, изменяющее электрическую длину отрезка линии передачи. Их наиболее широко применяют в ФАР РЛС. На сегодняшний день в радиолокационных системах различного назначения широко используются антенные системы с электрическим сканированием луча. В большинстве случаев в качестве фазосдвигающих структур в таких антенных системах используются волноводные ферритовые фазовращатели. Сейчас наблюдается необходимость в разработке волноводных ферритовых фазовращателей, обладающих малыми вносимыми потерями, высоким быстродействием и малой энергией управления. В настоящее время наибольшее практическое применение в радиотехнических системах находят быстродействующие фазовращатели трех типов: 1. Фазовращатель на основе прямоугольного волновода с поперечно намагничиваемым ферритовым тороидом. Данный тип фазовращателей характеризуется предельно высоким быстродействием и малой энергией управления, однако его существенным недостатком является требование большой амплитуды импульсов тока, кроме того, данный ВФФВ является невзаимным устройством. 2. Взаимный фазовращатель типа Реджиа-Спенсера. Его конструкция основана на прямоугольном волноводе и включает в себя продольно намагничиваемый ферритовый стержень. Для этого типа фазовращателей характерна работа на волнах с линейной поляризацией электромагнитного поля, высокая активность, однако он относительно узкополосен и имеет невысокое быстродействие по сравнению с тороидальным фазовращателем. 3. Фазовращатель фарадеевского типа на основе волновода с квадратной, либо круглой формой поперечного сечения, содержащего продольно намагничиваемый ферритовый стержень. Фазовращатель работает на волнах с круговой поляризацией, по сравнению с тороидальным характеризуется меньшим быстродействием и более высокой энергией перемагничивания, однако этот тип фазовращателя используется наиболее широко.
1. Обзор по фазовращателям типа Реджиа-Спенсера
Сверхвысокочастотный фазовращатель Реджиа-Спенсера был впервые описан в 1957 г. американскими инженерами Фрэнком Реджиа и Эдвардом Спенсером. Этот тип фазовращателей является взаимным, то есть вносимый им фазовый сдвиг не зависит от направления распространения волны через него. Конструкция фазовращателя, предложенная авторами в их патенте, а также описанная ими в статье, содержащей исследование этого типа СВЧ устройства, содержит ферритовый стержень находящийся внутри несимметричного прямоугольного волновода, причём к ферритовому стрежню приложено продольное магнитное поле, с помощью изменения величины которого и осуществляется управление фазовым сдвигом. На тот момент уже был известен и использовался в том числе в фазовращателях эффект Фарадея в продольно намагниченном феррите, который заключается в следующем: если к ферритовому стержню внутри осесимметричной волноводной системы с возбуждённой волной линейной поляризации прикладывается продольное магнитное поле, происходит вращение плоскости поляризации сверхвысокочастотной волны, распространяющейся вдоль него. Такая система является невзаимной, из-за того, что направление вращения плоскости поляризации зависит от того, являются волновой вектор и вектор подмагничивающего феррит постоянного магнитного поля сонаправленными или противонаправленными. Этот эффект может быть объяснён следующим рассуждением: волна линейной поляризации может быть представлена в виде суперпозиции двух волн с круговой поляризацией с противоположными направлениями вращения, равными амплитудами и частотами. Рассмотрение распространения плоских волн в продольно намагниченном феррите приводит к выводу о том, что в такой среде могут распространяться волны круговой поляризации, но с разной величиной волнового вектора. Это будет приводить к задержке одной волны относительно другой, что с другой стороны означает поворот плоскости линейной поляризации волны представленной суммой этих волн. Этот результат на практике оказывается применим и для волн в круглом волноводе.