jBpsL7DQ1N

ВВЕДЕНИЕ

В настоящем учебном пособии рассматриваются основы теории ферритовых приборов и устройств; приводятся конкретные конструкции ферритовых вентилей, циркуляторов и резонаторов; дается представление о сегнетоэлектрических приборах СВЧ, гибридных интегральных СВЧ-схемах на диэлектрических подложках (ГИС) и монолитных интегральных СВЧ-схемах на полупроводниковых подложках (МИС).

Большая часть конструкций ГИС и МИС СВЧ приведена в виде разработок ЗАО «Светлана-Электронприбор»: малошумящих усилителей, переключателей, фазовращателей, модуляторов, смесителей, ограничителей мощности, коммутаторов. Даны основы технологии и проектирования ГИС и МИС СВЧ.

Приведены исторические справки об основных этапах разработки ферритовых, сегнетоэлектрических СВЧ-приборов и устройств, ГИС и МИС СВЧ.

1. ФЕРРИТОВЫЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

1.1. Электрические и магнитные свойства ферритов. Ферромагнитный резонанс

Ферриты представляют собой группу анизотропных ферромагнитных веществ, обладающих одновременно магнитными и электрическими свойствами и поэтому называемых магнитодиэлектриками. Электромагнитные волны распространяются в ферритовой среде с поглощением; их взаимодействие со средой приводит к ряду своеобразных явлений.

В состав ферритов входят оксиды железа и других металлов. На СВЧ в основном применяются три типа ферритов, отличающихся химическим составом и структурой кристаллов:

–ферриты с кубической кристаллической структурой типа шпинели, содержащие кроме оксидов железа оксиды таких металлов, как марганец, кадмий, магний, кобальт, никель, алюминий, хром (в той или иной комбинации);

–ферриты с гексагональной кристаллической структурой типа магнетоплюмбита, содержащие оксид бария (или кальция, стронция, свинца) совместно с теми или иными из ранее перечисленных оксидов;

3

– ферриты со структурой типа граната, содержащие оксиды железа совместно с оксидами иттрия или редкоземельных металлов; эти ферриты имеют малую намагниченность насыщения и самые низкие магнитные потери.

В зависимости от метода изготовления ферритовый элемент в целом приобретает поликристаллическую либо монокристаллическую структуру. Для изготовления поликристаллического феррита оксиды соответствующих металлов тщательно измельчают, перемешивают с пластификаторами, прессуют в полуфабрикаты нужной формы и затем обжигают в высокотемпературных печах (от 900 до 1500 ºС). Получившиеся изделия по механическим свойствам подобны керамике. Поликристалл представляет собой совокупность небольших областей (доменов) размерами порядка 1 мкм. Каждый домен обладает магнитным моментом. Однако в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотически, и в целом материал размагничен.

Монокристаллические ферриты выращивают из расплавов нужных оксидов. Они обладают естественной анизотропией, которая увеличивается во внешнем магнитном поле, что облегчает их намагничение.

Тепловое движение дезориентирует магнитные моменты, поэтому с ростом температуры намагниченность доменов уменьшается. При температуре Кюри (tC) ориентация магнитных моментов в домене полностью нарушается, ферромагнитные свойства материала исчезают. Для большинства применяемых на СВЧ ферритов tC = 100…600 ºС.

Диэлектрическая проницаемость ферритов ε = 5…20, электрическая

проводимость σ = 1…10 8 См/м зависит от условий их изготовления и имеющихся примесей (она на много порядков ниже, чем таковая у железа:

σ =107 См/м). Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ = 10 2 … 10 4 . Поведение ферритов на СВЧ в присутствии внешнего постоянного маг-

нитного поля может быть рассмотрено с учетом собственных механического и магнитного моментов электрона.

Если электрон рассматривать как вращающуюся электрически заряженную массу, то во многих отношениях он напоминает механический гироскоп, обладающий собственным механическим моментом количества движения S и магнитным спиновым моментом M, возникающими благодаря вращению электрона и направленными в противоположные стороны.

4

При наложении внешнего постоянного магнитного поля напряженностью H0, которое не совпадает с направлением М (рис. 1.1), на электрон начинает действовать пара сил, т. е. момент вращения. Под действием этого момента вращения спины электронов стремятся ориентироваться по направлению приложенного поля, прецессируя подобно гироскопу вокруг своей оси, совпадающей по направлению с H0, образуя с полем правовинтовую систему.

Частота свободной прецессии, называемая частотой ферромагнитного резонанса, может быть определена из выражения

ω0 = γH0,

где γ – гиромагнитное отношение электрона, т. е. отношение его магнитного M и механического S моментов; H0 – напряженность действующего магнитного поля.

При отсутствии потерь свободная прецессия продолжалась бы при неизменном угле между M и H0 . В реальных же ферромагнитных средах всегда имеют место потери, поэтому угол прецессии начинает быстро уменьшаться (конец вектора M движется по сверты-

вающейся спирали). Через время поряд-

ка 10 8с свободная прецессия практически полностью исчезает; векторы магнитных спиновых моментов всех электронов устанавливаются параллельно H0; феррит оказывается намагниченным до насыщения. Время, в течение которого это происходит, называется временем релаксации.

Если теперь воздействовать на такой феррит высокочастотным магнитным полем H с круговой поляризацией и с частотой ω в направлении, перпендикулярном H0 (рис. 1.2), то при сов-

падении направлений вращения М и Н в феррите наблюдается так называемая вынужденная прецессия, нарастание амплитуды которой (увеличение угла φ) ограничено магнитными потерями.

5

В результате наступает такой режим (φ = const), при котором энергия высокочастотного магнитного поля рассеивается в виде тепла в кристаллической решетке феррита.

Среду с потерями описывают комплексной магнитной проницаемостьюi . Действительная компонента определяет скорость распространения волны в ферромагнетике, мнимая – магнитные потери.

Для волны, поляризованной по правому кругу (вращение M и H направлено в одну сторону),i , по левому (вращение М и Н направлено в противоположные стороны) –

i . На рис. 1.3 при-

го поля H0 при неизменной частоте ω СВЧ-поля.

Рис.1.3. Характеристики ферромагнетиков

Для и наблюдаются резонансные явления – возрастание до максимума при совпадении частоты прецессии и СВЧ-поля и резкое изменение вблизи резонансной частоты. При ω ≠ ω0 эффект взаимодействия

уменьшается и потери в феррите снижаются. В случае противоположных направлений вращения M и H поле СВЧ и вещество феррита практически не взаимодействуют. Феррит для такого поля является диэлектриком, и погло-

6

щения энергии в феррите практически не происходит. Описанное явление невзаимного резонансного поглощения электромагнитных волн в поперечно намагниченном феррите называется явлением ферромагнитного резонанса и играет важную роль в теории и практике применения ферритов на СВЧ.

1.2. Ферритовые вентили, циркуляторы и резонаторы: принципы действия, устройства, параметры.

Использование в аппаратуре СВЧ

Использование особенностей взаимодействия высокочастотных электромагнитных волн с намагниченным ферритом позволило создать различные невзаимные элементы, широко используемые в СВЧ-технике, к числу которых в первую очередь относятся вентили, циркуляторы и резонаторы.

1.2.1. Ферритовые вентили

Простейшим и самым распространенным невзаимным СВЧ-ферритовым устройством является вентиль. Это устройство, не создающее существенного затухания для волны, движущейся по линии передачи в одном (прямом) направлении, но вносящее большое затухание для другого (обратного) направления движения энергии.

Ферритовые вентили нашли широкое практическое применение для развязки различных участков СВЧ-тракта между собой. Использование ферритовых вентилей улучшает работу генератора СВЧ-колебаний. Ферритовый вентиль включается между ним и нагрузкой таким образом, чтобы энергия падающей волны, распространяющейся от генератора к нагрузке, проходила вентиль в прямом направлении с малыми потерями, а волна, отраженная от нагрузки и распространяющаяся в обратном направлении, поглощалась в вентиле. Это уменьшает влияние тракта на генератор и способствует снижению затягивания частоты, улучшению спектра частот и т. д.

Основными характеристиками ферритового вентиля являются вносимые потери в прямом направлении пр, затухание в обратном направлении обр,

диапазон и полоса рабочих частот, коэффициент стоячей волны входа (КСВВХ ) в полосе рабочих частот. Прямые потери пр– выраженное в деци-

белах отношение мощности на входе к выходной мощности в прямом направлении:

пр=10 lg Рвх / Рвых .

7

Обратное затухание обр– выраженное в децибелах отношение мощно-

сти на входе к выходной мощности в обратном направлении:

обр=10 lg Рвх / Рвых .

Эффективность вентиля (качество развязки) можно характеризовать вентильным отношением (добротностью) – отношением ослаблений обратной и прямой волн, выраженных в децибелах:

В= обр– пр.

Вреальных конструкциях вентилей прямые потери обычно составляют от 0,1 до 1 дБ, обратное затухание – от 10 до 70 дБ. Коэффициент стоячей волны входа при этом не превышает 1,1.

Наиболее широко применяются ферритовые вентили трех типов: резонансные, на эффекте Фарадея и со смещением поля.

Резонансный ферритовый вентиль в прямоугольном волноводе.

Конструкция вентиля приведена на рис. 1.4. Для получения невзаимного эффекта при конструировании резонансного ферритового вентиля на базе прямоугольного волновода, работающего на волне H10, желательно расположить феррит в том участке волновода, где высокочастотное магнитное поле имеет круговую поляризацию.

Хотя волна H10 в целом имеет линейную поляризацию, но, как видно из рис. 1.5, существуют две продольные плоскости x = const, параллельные узкой стенке волновода, где ВЧ-магнитное поле имеет круговую поляризацию, причем направления вращения Н в этих плоскостях взаимно противоположны и зависят от направления движения волны по волноводу. Эти плоскости

расположены на расстоянии x = а/π arctg(λB/2а) (т. е., приблизительно, x = а/4) от узких стенок волновода.

Поместив в одну из этих плоскостей ферритовую пластинку и обеспечив посредством постоянного магнита такое постоянное магнитное поле Н0, чтобы выполнялось условие поперечного ферромагнитного резонанса, получим, что феррит поглотит мощность волны, создающей правополяризованное высокочастотное магнитное поле, пропуская по тому же отрезку волновода волну, распространяющуюся в противоположном направлении, практически без ослабления. Таким образом, данный волновод с ферритовой пластинкой является вентилем.

При изменении частоты электромагнитных колебаний меняется соотношение между продольными и поперечными составляющими магнитного

8

поля. Сечение с круговой поляризацией при увеличении частоты смещается в сторону узкой стенки, а при ее уменьшении – к центру волновода. Феррит оказывается в неоптимальном положении на всех частотах, кроме резонансной, что влечет за собой увеличение пр и уменьшение обр ферритового

вентиля.

Рис. 1.6. Расположение диэлектрической и ферритовой пластин в прямоугольном волноводе: 1 – диэлектрик; 2 – феррит

Чтобы ослабить зависимость структуры поля от частоты, т. е. расширить частотный диапазон ферритового вентиля, в волновод вводят пластину из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью и весьма малыми

9

потерями, а тонкую ферритовую пластинку наклеивают либо непосредственно на диэлектрик (рис. 1.6, а), либо две ферритовые пластинки – на широкую стенку волновода рядом с диэлектриком (рис. 1.6, б).

Диэлектрик концентрирует поле около феррита и позволяет получить в широкой полосе частот вентильное соотношение, близкое к максимальному, при большом обратном затухании.

Вся СВЧ-мощность обратной волны рассеивается в виде тепла в массе феррита, что ограничивает предельно допустимую среднюю мощность (единицы ватт). Для улучшения отвода тепла на стенки волновода предпочтительнее использовать вариант, приведенный на рис. 1.6, б. При этом уменьшается и опасность пробоя. Такие вентили с относительно громоздкой магнитной системой рекомендуется использовать в трактах с уровнем средней мощности до 100 Вт.

Для увеличения широкополосности ферритового вентиля можно также создавать неоднородное по длине ферритовой пластинки постоянное магнитное поле. Тогда каждой частоте рабочего диапазона будет соответствовать максимум резонансного поглощения в определенной части пластинки.

Коаксиальный ферритовый вентиль. Особенностью конструкций ко-

аксиальных ферритовых вентилей является необходимость такого искажения

аб

Рис. 1.7. Коаксиальные ферритовые вентили на эффекте поперечного резонанса:

1 – диэлектрик; 2 – феррит

поля Т-волны, чтобы в ней наряду с поперечной составляющей появилась продольная составляющая магнитного поля и результирующий вектор Н был поляризован по кругу. Для этого коаксиальную линию передачи частично заполняют диэлектриком с большим значением ε (рис. 1.7, а).

10