jBpsL7DQ1N

Подбором размеров и формы диэлектрического вкладыша при заданных ε и f удается получить область круговой поляризации высокочастотного магнитного поля в феррите и тем самым снизить потери прямой волны и получить наибольшее вентильное отношение.

В конструкции коаксиального ферритового вентиля (рис. 1.7, б) вместо ферритовой пластины использованы два ферритовых стержня.

Для коаксиальных ферритовых вентилей пр составляет от 1 до 1,5 дБ, а

обр– от 15 до 20 дБ.

Ферритовый вентиль на эффекте Фарадея. На рис. 1.8 схематически изображен вентиль, использующий эффект Фарадея: поворот плоскости поляризации линейно поляризованной волны в круглом волноводе. На входе вентиля расположена ножевидная поглощающая пластина, подобная поглотителям в ослабителях низкого уровня мощности.

Рис. 1.8. Конструкция вентиля на эффекте Фарадея

Тогда, если в волноводе возбуждена мода Н11 с поляризацией, показанной на рис. 1.9, а, поглощающая пластина не создает потерь для волны, поступающей со стороны входа. В результате эффекта Фарадея плоскость поляризации этой волны на выходе ферритового стержня поворачивается на угол θ. Длина ферритового стержня подбирается такой, чтобы угол θ состав-

лял π/4 (рис. 1.9, б).

11

Аналогично, плоскость поляризации волны, отраженной от нагрузки, поворачивается в ту же сторону еще на π/4. В результате двух поворотов плоскости поляризации вектор электрического поля отраженной волны оказывается в плоскости поглощающей пластины (рис. 1.9, в). Отраженная волна практически полностью поглощается в пластине и не проходит на вход вентиля.

Для удобства подключения в обычные волноводные тракты на обоих концах описанного вентиля обычно располагают переходы с прямоугольного волновода на круглый волновод. На одном из концов тракта включают секцию волновода прямоугольного сечения с поворотом на 90°.

Ферритовый вентиль на эффекте смещения поля. На рис. 1.10 пока-

зан эскиз вентиля, основанного на смещении поля. На этом же рисунке изображено распределение амплитуды напряженности электрического поля прямой и обратной волн вдоль широкой стенки волновода.

Напряженность внешнего магнитного поля Н0 выбирается так, чтобы выполнялось неравенство μ+ < 0. Как видно из рисунка, на одну грань

гии этой волны в вентиле незначительно. В то же время энергия волны с поляриза-

цией H концентрируется в феррите как в диэлектрике с высокой диэлектрической проницаемостью.

Напряженность электрического поля этой волны у поверхности феррита велика, в поглощающем слое наводится ток проводимости и волна с поляризацией

H интенсивно поглощается в слое графита.

Масса и габариты вентиля определяются в значительной степени массой и габаритами постоянного магнита, который создает намагничивающее поле.

12

Поскольку намагничивающее поле в вентиле, основанном на эффекте смещения поля, меньше резонансного, то такой вентиль меньше по массе и более компактен, чем аналогичный резонансный вентиль. Однако такой вентиль способен работать только с небольшими мощностями обратной волны из-за плохих условий теплоотвода.

1.2.2. Ферритовые циркуляторы

Циркулятором называется многополюсник, в котором движение потока энергии между соседними плечами происходит в строго определенном направлении, зависящем от ориентации внешнего магнитного поля, намагничивающего феррит.

Ферритовые циркуляторы широко используются в современной СВЧ-аппаратуре как универсальная развязка. Они являются важнейшими узлами регенеративных СВЧ-устройств, таких, как квантовые парамагнитные усилители, параметрические усилители, усилители на лавинно-пролетных диодах и т. п. Циркуляторы часто применяются при высоком уровне мощности в качестве развязывающих устройств между генератором и нагрузкой. Например в радиолокационной технике, они применяются для развязки передатчика и приемника, работающих на одну антенну, а в ускорительной технике – для защиты мощных СВЧ-источников питания от волн, отраженных от резонансных нагрузок. Эти приборы выполняют на основе восьмиполюсных и шестиполюсных высокочастотных узлов.

По принципу действия циркуляторы делятся на циркуляторы, использующие мостовые устройства и невзаимные фазовращатели, и на циркуляторы, действие которых основано на использовании поворота фронта волны в феррите.

Циркулятор на базе прямоугольного волновода с намагниченным ферритом. Циркулятор включает в себя следующие основные элементы

(рис. 1.11):

–сдвоенную секцию (СС);

–щелевые мосты М1, М2;

–ферритовые элементы (ФЭ);

–постоянный магнит (ПМ);

–фазосдвигающую секцию (ФС);

–согласованную нагрузку (СН).

13

Принцип работы такого циркулятора заключается в следующем. Энергия генератора, подводимая к плечу 1 первого щелевого моста (рис. 1.12), разветвляется в каналы 3 и 4. При этом волна в плече 3 опережает по фазе волну в плече 4 на π/2.

Рис. 1.11. Конструкция ферритового циркулятора на базе прямоугольного волновода с намагниченным ферритом

Рис. 1.12. К прохождению прямой волны через циркулятор

Полярность постоянного магнита и значение поля выбраны таким образом, что для волны, вышедшей из плеча 3 и распространяющейся далее в том же направлении, феррит вносит дополнительное запаздывание по фазе на π/2, а для волны, вышедшей из плеча 4, это запаздывание отсутствует, поэтому на

14

выходе участков волноводов, заполненных ферритами, фазы волн в обоих волноводах становятся одинаковыми.

После прохождения изогнутых участков волноводов (фазосдвигающая секция) фаза волны на входе в плечо 2′ второго моста опережает на π/2 фазу волны на входе в плечо 1′. Далее после моста фазы обеих волн совпадают, энергия волн суммируется в плече 3′ и передается в нагрузку, например в антенну.

Отраженная от нагрузки (антенна, ускоряющий резонатор) волна, попадая в плечо 3′ второго моста (рис. 1.13), разветвляется в каналы 1′ и 2′.

Рис. 1.13. К прохождению отраженной волны через циркулятор

Фаза волны на выходе плеча 1′ опережает волну на выходе плеча 2′ на π/2. Далее после прохождения изогнутых волноводов фазы обеих волн совпадают. В ферритовых секциях при данном направлении распространения волн фаза в канале 2′–4 получает дополнительный сдвиг в π/2, в то время как в канале 1′–3 этот сдвиг отсутствует. И, наконец, после прохождения первого моста волны складываются в плече 2 и поглощаются в нагрузке, например в приемнике или в согласованной нагрузке.

Y-циркулятор. Волноводный Y-циркулятор выполняют на основе H-плоскостного Y-тройника, в центре которого помещают поперечно намагниченный ферритовый цилиндр, окруженный диэлектрической втулкой (рис. 1.14, а). Диэлектрические штыри обеспечивают широкополосное согласование входов.

15

Наряду с волноводными широко применяются Y-циркуляторы на полосковых линиях передачи (рис. 1.14, б). Принципы действия полосковых и волноводных Y-циркуляторов аналогичны.

Поле подмагничивания создается внешними дисковыми магнитами. Принцип действия Y-циркулятора состоит в следующем. Волна, поступающая на вход I циркулятора, разветвляется на две волны, огибающие феррит с разных сторон. Области существования вращающегося вектора H для этих волн попадают в ферритовый образец, причём направления вращения вектора H относительно направления поля подмагничивания оказываются противоположными.

Из-за различия магнитных проницаемостей феррита при л волны, огибающие ферритовый образец, имеют различные фазовые скорости vпр и vл справа и слева от центра феррита. Это определяется встречными враще-

ниями магнитного вектора волны H10 справа и слева от оси передачи. Различные участки фронта волны начинают двигаться с разными фазовыми скоростями (рис. 1.15): vпр> vл.

1 – ферритовый диск; 2 – диэлектрическая втулка; 3 – согласующий диэлектрический штырь; 4 – постоянный дисковый магнит

За счет этого фронт волны при соответствующем выборе параметров устройства поворачивается на π/3. Размеры и параметры ферритовой вставки выбирают таким образом, чтобы эти волны проходили на вход II с одинаковыми фазами, а к входу III – в противофазе. Таким образом, передача

16

колебаний с входа I происходит только на вход II. Так как Y-циркулятор обладает поворотной симметрией, можно утверждать, что передача с входа II будет происходить на вход III и с входа III – на вход I.

Введение в конструкцию Y-циркулятора диэлектрической втулки, окружающей ферритовый образец, способствует повышению температурной стабильности и устойчивости характеристик Y-циркулятора к изменению подмагничивающего поля.

Подбором диаметра ферритового цилиндра и значения намагничивающего поля Н0 при суперпозиции поверхностных волн можно обеспечить расположение пучности напряженности электрического поля в центре

плеча II, а узел напряженности – в

центре плеча III. При этом волна из

плеча I передается в плечо II и не

поступает в плечо III. Изменение направления силовых линий постоянного намагничивающего поля приведет к взаимному перемещению максимума и узла поля, вследствие чего волна из плеча I

пойдет в плечо III. Рис. 1.15. Волноводный циркулятор

Циркуляторы легко преобразуются в переключатели каналов, если использовать для подмагничивания феррита электромагнит. Изменение направления подмагничивающего поля изменит на обратную и циркуляцию.

Y-циркуляторы весьма широкополосны. Рабочая полоса частот волноводных Y-циркуляторов достигает 30 %, а полосковых – октавы (67 %).

Типичные параметры циркуляторов: потери в прямом направлении не более 0,5 дБ; развязка не менее 20 дБ.

1.2.3. Ферритовый резонатор

Для работы ферритового резонатора необходимо внешнее намагничивающее поле, напряженность которого определяет его резонансную частоту, перестраивающуюся изменением поля в широком диапазоне частот (от октавы и более). В отличие от полых и диэлектрических СВЧ-резонаторов или резонаторов из отрезков линий передачи у ферритового резонатора резонансная частота не связана с его размерами. Резонаторы могут использоваться во

17

всем диапазоне СВЧ (0,1…300 ГГц), но основная область применений относится к диапазону сантиметровых волн.

Резонатор выполняется из феррита с малыми магнитными и диэлектрическими потерями, чаще всего из монокристаллов железоиттриевого граната. Типичный резонатор представляет собой полированный шарик или диск с размерами, много меньшими длины волны (диаметр 0,3…1,5 мм в диапазоне сантиметровых волн). Высокая добротность резонатора сохраняется в широком диапазоне перестройки.

Собственная добротность резонатора зависит от материала, формы, размеров резонатора и от чистоты обработки поверхности. Для повышения добротности необходима однородность подмагничивающего поля Н0 в объеме материала резонатора. Наилучшая однородность подмагничивающего поля достигается в резонаторах сферической или эллипсоидальной формы. С уменьшением размеров резонатора его добротность возрастает. Нагруженная добротность резонаторов достигает нескольких тысяч в сантиметровом диапазоне волн.

Диапазон перестройки резонатора ограничен снизу условием магнитного насыщения ферритового образца, а сверху – или частотой объемного резонанса в образце, определяемой диэлектрической проницаемостью феррита и размерами резонатора, или практически достижимой напряженностью поля магнитной системы. В диапазоне миллиметровых волн для снижения массы и габаритных размеров магнитной системы в качестве материала резонатора используют высокоанизотропные гексаферриты.

Благодаря малым размерам ферритовых резонаторов для связи с ними могут использоваться СВЧ-цепи как с распределенными (волноводы, полые резонаторы), так и со сосредоточенными параметрами.

Системы с бегущей волной, содержащие резонаторы, в случае круговой или эллиптической поляризации СВЧ-магнитного поля невзаимны: коэффициенты передачи волн для противоположных направлений в них различны. Резонаторы применяют в приборах низкого уровня мощности (менее 100 мВт), поскольку зависимость свойств феррита от температуры и малый объем резонатора не позволяют рассеять в нем значительную мощность.

Недостатком резонаторов является сравнительно высокое значение минимальной резонансной частоты из-за наличия в резонаторе внутреннего размагничивающего поля. Для резонатора на основе кристалла железоиттриевого граната сферической формы минимальная частота равна 1,6 ГГц.

18

Уменьшить резонансную частоту до значения 700 МГц удается с помощью замещения в структуре граната части атомов иттрия атомами галлия.

Применение приборов с ферритовым резонатором дало возможность создать широкодиапазонную автоматизированную СВЧ-аппаратуру, такую, как многооктавные свип-генераторы, широкополосные панорамные приемники, спектр-анализаторы, перестраиваемые в широком диапазоне частот фильтры, усилители и генераторы СВЧ. Внедрение приборов на основе ферритовых резонаторов способствует снижению габаритных размеров и массы радиоэлектронной аппаратуры, повышению ее быстродействия, увеличению коэффициента перекрытия частотного диапазона.

1.2.4. Использование ферритовых пленок для создания функциональных устройств СВЧ

Последнее десятилетие в развитии ферритовой техники ознаменовано разработкой и созданием технологии монокристаллических ферритов – как объемных кристаллов, так и эпитаксиальных пленок.

Периодические кристаллические решетки представляют интересный объект для изучения с точки зрения возможностей использования колебательных и волновых СВЧ-процессов в этих структурах.

Втвердом теле в зависимости от его характеристик, внешних условий и частоты возбуждения могут распространяться волны различных классов и типов – электромагнитные (быстрые), акустические (медленные) и спиновые (очень медленные). Первые представляют собой обычные электромагнитные волны в среде, вторые – упругие волны смещений атомов в решетке кристалла, третьи – распространение возмущений прецессии магнитных моментов атомов в узлах кристаллической решетки в магнитоупорядоченных структурах.

Эти волны могут связываться между собой и с волнами в потоках носителей заряда, что обеспечивает их взаимное преобразование и открывает возможности для создания устройств, управляющих амплитудой, фазой, полосой, временем задержки высокочастотного сигнала, т. е. устройств, используемых для обработки СВЧ-сигнала.

Всовременных устройствах обработки СВЧ-сигналов важнейшая роль отводится приборам на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Однако верхняя граница рабочих частот ПАВ-приборов невелика (2 ГГц). Поиски устройств, аналогичных ПАВ-приборам, привели к возникновению и

19

развитию нового направления в СВЧ-технике – приборов на магнитостатических волнах (МСВ), способных работать на частотах от 1 до 60 ГГц. Скорость распространения МСВ составляет ≈ 105 м/с, что, приблизительно, на два порядка выше скорости ПАВ.

Магнитостатические волны обладают целым рядом преимуществ перед акустическими: существуют в более высокочастотном диапазоне, легко возбуждаются и принимаются (потери передачи малы), управляются внешним магнитным полем; характеристики МСВ зависят от внешних условий (металлические экраны, периодические границы); МСВ пригодны для создания СВЧ-устройств с обратной динамической нелинейностью и др.

Размеры преобразователей МСВ или ПАВ определяются их длиной волны. Потому в случае МСВ изготовление преобразователей оказывается проще, так как они имеют более крупную геометрическую структуру по сравнению со структурой преобразователей ПАВ и благодаря этому обеспечивают возможность работы на более высоких частотах. Кроме того, СВЧ-уст- ройства на МСВ могут быть выполнены методами обычной фотолитографии.

Разработки МСВ приборов направлены на создание устройств мгновенного распознавания СВЧ-сигналов для радиоэлектронной аппаратуры.

Простейшими из этих устройств являются линии задержки – управляемые постоянным магнитным полем или дисперсионные (с задержкой, зависящей от частоты). Они необходимы для обработки сигналов в современных системах радиолокации и связи. Интерес к таким линиям задержки обусловлен тем, что скорость распространения спиновых волн значительно (на несколько порядков) меньше скорости распространения обычных электромагнитных волн в волноводах, поэтому те же задержки могут быть достигнуты при значительно меньших размерах линии. При допустимых потерях такие линии позволяют получить время задержки в пределах от 0,01 до 1 мкс.

В результате исследований разработаны многие другие СВЧ-устройства на основе магнитостатических волн в ферритовых пленках, прежде всего перестраиваемые фильтры и генераторы, а также нелинейные устройства (подавители слабых сигналов или шумоподавители, ограничители мощности и др.).

Кроме того, использование ферритовых пленок в качестве подложек интегральных СВЧ-схем позволяет создавать на них одновременно активные и пассивные, взаимные и невзаимные устройства.

20