Перейти к основному содержимому

Пример расчета ферритового Y-циркулятора

Общая информация​

Волноводный Y-циркулятор представляет собой сочленение трех волноводов, соединенных между собой в H-плоскости под углом 120O. В центре тройника располагается феррит, а поле подмагничивания создается внешними магнитами.

Принцип действия​

Основная волна прямоугольного волновода (E1 = Emcos(ωt + φ0)), поступающая на вход 1 Y-циркулятора, разветвляется на две волны, огибающие феррит с двух сторон: в направлении точки В и в направлении точки С.

Рисунок «Объект цилиндр»

При этом справа магнитное поле будет иметь правую, а слева (в направлении точки В) – левую круговую поляризацию. Намагниченный феррит для волн с правой и левой круговой поляризацией обладает различной магнитной проницаемостью, а, значит, и различными коэффициентами фазы:

β+ = ω√("εaμa+" ) < β- = ω√("εaμ" 𝑎̶).

В точке B результирующее электромагнитное поле (ЭМП) E2 будет определяться суперпозицией двух электромагнитных волн (ЭМВ):

EAB = "Em" /"2" cos(ωt + φ0 ̶ β- lAB)

EACB= "Em" /"2" cos(ωt + φ0 ̶ β+ lACB)

где lACB и lAB - расстояния, проходимые ЭМВ справа и слева соответственно.

При этом разность фаз будет определятся как:

Δφ = |φ0 ̶ β- lAB ̶ φ0 + β+ lACB| = "2" /"3" πr |2β+ ̶ β-| = "2" /"3" πrω √("ε" 𝑎) |2√("μa+" ) ̶ √("μ" 𝑎̶) |

Из выражения следует, что разность фаз в точке B зависит от: частоты ЭМВ, радиуса ферритового цилиндра, диэлектрической проницаемости среды, в которой распространяется ЭМВ и напряженности подмагничивающего поля H0.

Изменяя напряженность подмагничивающего поля H_0, добиваются синфазности волн EAB и EACB: Δφ = "2" /"3" πrω √("ε" 𝑎) |2√("μa+" ) ̶ √("μ" 𝑎̶) | = 2 πn, где n = 0,1,…

Аналогичным образом рассматривая поле в точке C (при условии синфазности в точке B), получают результирующее ЭМП равное 0 (сигналы приходят в точку С в противофазе). Таким образом, ЭМВ из плеча 1 поступает в плечо 2 и не поступает в плечо 3. Аналогично устройство будет работать при подаче мощности на 2 либо 3 плечо ввиду симметричности.

Пример расчета ферритового Y-циркулятора​

Для расчета выполните указанные ниже шаги.

Создание модели циркулятора​

  1. Включите ось XZ и создайте объект в форме цилиндра:
  • На вкладке Моделирование нажмите кнопку Кубоид и выберите Цилиндр.
  • Создайте цилиндр.
  • Кликните дважды по цилиндру, чтобы отобразить Редактор операций.
  • Задайте следующие параметры:
    • Первый радиус - 14.68;
    • Второй радиус - 14.68;
    • Высота - 10.

Рисунок «Параметры цилиндра»

  1. Создайте первое плечо циркулятора:
  • Включите ось XY.
  • На вкладке Моделирование нажмите кнопку Прямоугольник и выберите Полигон.
  • Создайте прямоугольник.
  • Кликните дважды по прямоугольнику и в окне редактора операций задайте следующие координаты расположения:
    • X - "0";
    • Y - "5";
    • Z - "20";
    • Ширина - "23";
    • Высота - "10";
    • Толщина - "-18".

Рисунок «Параметры прямоугольника»

Рисунок «Параметры прямоугольника»

Результат:

Рисунок «Плечи циркулятора». Плечо 1

  1. Создайте второе плечо циркулятора. Поверните его на 120 градусов по оси OY.
  • Создайте прямоугольник и повторите действия, как описано выше для плеча 1.
  • На вкладке Моделирование нажмите кнопку Переместить и выберите Повернуть.
к сведению

Чтобы выполнить поворот, также в дереве проекта можно выделить объект и в открывшемся меню выбрать Трансформирование - Повернуть.

  • Задайте следующие параметры поворота:
    • X - "0";
    • Y - "5";
    • Z - "0";
    • Ось - "0Y";
    • Угол - "120".

Рисунок «Параметры поворота прямоугольника»

Рисунок «Редактор операций»

Результат:

Рисунок «Плечи циркулятора». Плечо 2

  1. Создайте третье плечо циркулятора. Поверните его на 240 градусов по оси OY.
  • Создайте прямоугольник и повторите действия, как описано выше для плеча 1.
  • На вкладке Моделирование нажмите кнопку Переместить и выберите Повернуть.
  • Задайте следующие параметры поворота:
    • X - "0";
    • Y - "5";
    • Z - "0";
    • Ось - "0Y";
    • Угол - "240".

Рисунок «Параметры поворота прямоугольника»

Результат:

Рисунок «Компоненты циркулятора»

  1. Объедините созданные цилиндр и прямоугольники в один объект:
  • В дереве проекта выберите все 4 объекта.

Рисунок «Выбор объектов»

  • На вкладке Моделирование нажмите Объединить. Убедитесь, что в окне Объединить заданы следующие параметры:
    • Исходные объекты - цилиндр;
    • Рабочие объекты - прямоугольники.

Рисунок «Объединение объектов»

  1. В дереве проекта переименуйте объект в Циркулятор. В свойствах объекта установите прозрачность 80.

  2. Включите ось XZ и создайте объект в форме цилиндра:

  • На вкладке Моделирование нажмите кнопку Кубоид и выберите Цилиндр.
  • Создайте цилиндр.
  • Кликните дважды по цилиндру, чтобы отобразить Редактор операций.
  • Задайте следующие параметры:
    • X - "0";
    • Y - "0";
    • Z - "0";
    • Первый радиус - "9";
    • Второй радиус - "9";
    • Высота - "5".

Рисунок «Создание цилиндра»

  1. Вычтите один цилиндр из другого:
  • В дереве проекта выделите объекты «Цилиндр» и «Цилиндр (1)».
  • На вкладке Моделирование нажмите Объединить и выберите Вычесть.
  • Задайте следующие параметры вычета:
    • Исходные объекты - циркулятор;
    • Рабочие объекты - цилиндр.

Будет создано тело ферритового циркулятора.

Рисунок «Тело ферритового циркулятора»

  1. Создайте ферритовый сердечник.
  • Включите ось XZ.
  • На вкладке Моделирование нажмите кнопку Кубоид и выберите Цилиндр.
  • Создайте цилиндр.
  • Кликните дважды по цилиндру и в редакторе операций задайте следующие параметры:
    • X - "0";
    • Y - "5";
    • Z - "0";
    • Первый радиус - "2.75";
    • Второй радиус - "2.75";
    • Высота - "4.6".

Рисунок «Параметры цилиндра»

  1. В дереве проекта переименуйте объект в Феррит и в свойствах объекта измените цвет на темно-красный.

Рисунок «Цилиндр в оси XZ»

Назначение материалов​

  1. Назначьте циркулятору материал вакуум:
  • В дереве проекта нажмите правой кнопкой мыши по объекту Циркулятор и затем в контекстном меню выберите Назначить материал – Библиотека материалов.
  • В диалоговом окне Библиотека материалов в поле фильтр введите "vacuum", выберите материал и нажмите кнопку ОК.
  1. Назначьте ферриту материал вакуум:
  • В дереве проекта нажмите правой кнопкой мыши по объекту Феррит и затем в контекстном меню выберите Назначить материал – Библиотека материалов.
  • В диалоговом окне Библиотека материалов нажмите кнопку Новый и задайте свойства материала, как указано на рисунке ниже.

Рисунок «Свойства материала феррит»

  1. В диалоговом окне Библиотека материалов выберите материал Феррит и нажмите кнопку Назначить.

Назначение условий​

Назначение портов возбуждения на порты

  1. Включите ось XY и создайте объект в форме прямоугольника.
  • На вкладке Моделирование нажмите кнопку Прямоугольник и выберите Полигон.
  • Создайте прямоугольник.
  • Кликните дважды по прямоугольнику и в окне Редактор операций задайте следующие координаты расположения:
    • X - "0";
    • Y - "5";
    • Z - "27";
    • Ширина - "23";
    • Высота - "10".

Рисунок «Создание прямоугольника»

  1. В дереве проекта нажмите правой кнопкой мыши по объекту Прямоугольник и затем в контекстном меню выберите Назначить условие – Возбуждение.

  2. В параметрах возбуждения выберите Прямоугольный волновой порт и Первое направление.

Рисунок «Назначение портов возбуждения»

  1. Создайте ещё два прямоугольника. Один поверните на 120 градусов, а другой - на 240.

Рисунок «Параметры прямоугольника»

  1. По описанному выше алгоритму последовательно назначьте на прямоугольники сосредоточенные порты.

Назначение портов возбуждения на сердечник

  1. В дереве проекта выберите Условия - Подмагничивание - Новое подмагничивание.

  2. В диалоговом окне Назначить подмагничивание задайте следующие параметры:

    • H - "66500";
    • X - "0";
    • Y - "1";
    • Z - "0".

Настройка решения​

  1. В дереве проекта выберите Проект -> Анализ МКЭ -> Решение -> Настройки решателя и в настройках решения задайте параметры, как показано на рисунке ниже:

Рисунок «Настройки решения»

  1. Сохраните изменения: Файл-> Сохранить.

Запуск расчета​

На вкладке Решение нажмите кнопку Запустить МКЭ.

Программа выполнит расчет на каждой частоте с шагом 0.05.

Анализ результатов​

  1. После завершения расчёта в дереве проекта в папке Результаты перейдите в раздел Сечения и в контекстном меню выберите ПКМ -> Сечение.

  2. В открывшемся диалоговом окне нажмите кнопку Определить сечение и выберите ось ZX в качестве определяющей плоскость сечения.

Рисунок «Определение сечения»

  1. Перейдите в раздел Поля и в контекстном меню выберите Поле на сечении.

  2. Перенесите сечение 1 из раздела Доступные сечения в Выбранные сечения. Частоту укажите равной 9,5 ГГц, порт - Прямоугольный волновой порт 1.

Рисунок «Перенос сечения»

  1. В рабочем поле кликните правой кнопкой мыши и в контекстном меню выберите Функция поля E -> Емаг.

  2. Выберите Настройки масштаба -> Поле Е. В открывшемся диалоговом окне выберите диапазон Индивидуальный и для параметра Макс задайте значение 5000.

  3. Кликните правой кнопкой мыши и выберите Анимация.

Рисунок «Управление анимацией»

  1. Повторите указанные выше действия для оставшихся двух портов.