книги из ГПНТБ / Ильченко, М. Е. Твердотельные СВЧ фильтры

Особо следует отметить минимальные фазовые искаже­ ния, вносимые ферритовым ограничителем при мощности, выше пороговой. Эти искажения обусловлены малой ве­ личиной действительной части тензора магнитной воспри­ имчивости ферритов. Изменение фазы коэффициента пере­ дачи при падающей мощности, превышающей пороговую на 20 дБ, составляет всего ±5°. Еще одним полезным свой-

ством ферритовых ограни­ Рдых.шВт —”7 чителей является их ча­

стотная избирательность;

fi,

/

при этом ограничителем подавляется только сильный сигнал, слабый же сигнал, отличающийся от сильного частотой, проходит через ограничитель без изменения по амплитуде [56].

Как уже отмечалось, режим совпадения основного ре­ зонанса с дополнительным возможен только при определен­ ных значениях частот (см. рис. 9). Для высокодобротных ферритов верхняя граница частот, при которых в сфериче­ ском ФР возможен режим совпадения, составляет величину порядка 7 ГГц (для литиевого феррита). На более высоких частотах в режиме насыщения основного резонанса уровень ограничения увеличивается почти на 30 дБ и достигает нескольких десятых долей ватта. Существует несколько

способов понижения пороговой мощности ферритовых огра­ ничителей, работающих на частотах, выше которых выпол­ няется условие совпадения резонансов. Простейший спо­ соб — замена ферритового резонатора составным феррито­ диэлектрическим. При этом конструкция ограничителя аналогична конструкциям фильтров на составных ФДР. Порог ограничения с использованием ЖИГ резонатора, помещенного в открытый диэлектрический резонатор из

рутила (с е = 100, tg А = 10-4), в трехсантиметровом диапазоне длин волн составляет величину порядка 100 мкВт, т. е. сравнимую с той, которая имеет место в ре­ жиме совпадения основного и дополнительного резонансов.

Существенным недостатком ограничителя на феррито­ диэлектрическом резонаторе по сравнению с чисто феррито­ вым является малая область перестройки. Как отмечалось выше, эту область можно расширить, увеличивая отношение объема феррита к объему диэлектрического резонатора. Диапазон перестройки максимален при использовании магнитодинамических резонансов ферритовых образцов. Устройство ферритового ограничителя, использующего маг­ нитодинамические резонансы ферритовой сферы [53], изо­ бражено на рис. 42. Ориентацией постоянного магнитного поля вдоль широкой стенки волновода или перпендикуляр­ но к ней можно выбирать режим или параллельной, или перпендикулярной накачки спин-волновой нестабильности. Для сферического ЖИГ резонатора в трехсантиметровом диапазоне длин волн уровень ограничения составляет несколько единиц милливатт. Фильтр-ограничитель со сферой ЖИГ диаметром 7,1 мм на частоте 11,8 ГГц имеет уровень ограничения 5 мВт при ширине полосы пропуска­ ния 30 МГц и потерях 1 дБ.

Первым параметрическим усилителем СВЧ был ферри­ товый усилитель, предложенный Сулом в 1957 г. [38]. При реализации такого усилителя встретились значительные трудности, полностью еще не преодоленные и до настояще­ го времени. Большая часть этих трудностей может быть

92

устранена при использовании феррито-диэлектрических ре­ зонаторов. Можно выделить три режима работы ферритово­ го усилителя.

1. Электромагнитный режим. Параметрическая связь осуществляется между двумя колебаниями объемного ре­ зонатора. Как обычно, при параметрическом усилении сум­ ма частот колебаний резонатора и со2 равна частоте накачки сор. Основной недостаток такого режима работы уси­ лителя — высокая рабочая мощность накачки, достигаю­ щая десятков киловатт, что, в частности, обусловлено ма­ лым коэффициентом заполнения ферритом полого объем­ ного резонатора.

2. Магнитостатический режим. На частотах и со2

возбуждаются два магнитостатических колебания. Недоста­ ток такого режима работы усилителя — высокий уровень собственных шумов, связанный с параметрическим возбуж­ дением спиновых волн на частотах, близких к частоте сиг­ нала. Коэффициент заполнения близок к 1,что снижает ра­ бочие мощности накачки до одного ватта.

3. Полустатический режим — промежуточный между двумя рассмотренными выше. Параметрически связаны

рабочих мощностей накачки из-за увеличения коэффициен­ та заполнения несколько понижается и достигает несколь­ ких десятков ватт, что однако неприемлемо для практиче­ ского использования.

Применение диэлектрических резонаторов улучшает ха­ рактеристики всех трех режимов работы ферритовых усили­ телей. Для магнитостатического режима, где коэффициент заполнения достаточно высок, ДР целесообразно исполь­ зовать в цепи накачки. Так, применением рутилового ре­ зонатора, настроенного на частоту накачки, лежащую в трехсантиметровом диапазоне волн, удалось получить уро­ вень рабочей мощности ферритового магнитостатического усилителя меньше 10 мВт [29].

93

При работе в электромагнитном режиме основное вн?1- мание уделяется повышению коэффициента заполнения, для этого ДР включают в цепь сигнальной и холостой час­ тот о»! и со2Рассмотрим этот случай более подробно. Уро­ вень рабочей мощности накачки для электромагнитного режима

учетом связи ФР с линией передачи; Яр — напряженность постоянного поля подмагничивания; Уф — объем феррита; QH— нагруженная добротность ДР; ц — коэффициент за­ полнения; для открытого диэлектрического резонатора г| <; 0,5, что приводит к величине Р0 в трехсантиметровом диапазоне волн меньше одного ватта. Это значение Р0 является вполне приемлемым для практического исполь­ зования усилителя.

Усилитель, использующий сферу ЖИГ диаметром 1 мм, находящуюся внутри ОДР из титаната стронция, имеет рабочую мощность накачки 0,1 Вт, частоту накачки 9370 МГц, температуру усилителя 77 К.

Для уменьшения шумов ферритового усилителя его ра­ бочая мощность Р0 должна быть меньше пороговой мощнос­ ти возбуждения спин-волновой нестабильности. Для элек­

и усилении 20 дБ, что соответствует полосе пропускания око­ ло одного мегагерца.

94

С точки зрения шумов рассмотренный усилитель обла­ дает всеми положительными свойствами параметрических усилителей СВЧ. Более того, в нем отсутствуют шумы, связанные с токами проводимости в активном элементе, свойственные, например, параметрическому усилителю на полупроводниковых диодах. Даже по сравнению с мазе­ рами ферритовый усилитель электромагнитного типа обла­ дает тем преимуществом, что в нем отсутствуют спонтанные переходы на частоте сигнала.

Движение намагниченности под действием внешних СВЧ полей нелинейно, поэтому ферриты используются для генерации гармоник в диапазоне СВЧ. Эффективность преобразования частоты, равная отношению мощности гармоники к падающей мощности, зависит от амплитуды падающей волны. Причем эффективность удвоения частоты зависит линейно от амплитуды волны, утроения частоты — квадратично и т. д. Таким образом, для повышения эффек­ тивности преобразования частоты следует или увеличивать подводимую к устройству мощность, или при постоянной мощности обеспечить увеличение амплитуды СВЧ магнит­ ного поля, концентрируя его в малом объеме. Однако уве­ личение мощности и концентрации поля возможны лишь до определенных пределов — до наступления спин-волно- вой нестабильности, когда вследствие параметрического возбуждения спиновых волн увеличиваются потери ферри­ тового умножителя частоты.

Для устранения спин-волновой нестабильности исполь­ зуются магнитодинамические резонансы с частотами, рас­ положенными ниже спектра спиновых волн. Возбужде­ ние спиновых волн с частотой, равной частоте входного сигнала, оказывается невозможным, и это позволяет суще­ ственно увеличить рабочие мощности ферритовых генера­ торов гармоник. Практическая схема ферритового удво­ ителя трехсантиметрового диапазона длин волн с исполь­ зованием магнитодинамического резонанса в сфере из мо­ нокристалла ЖИГ исследовалась при уровнях пиковой

95

/25C=i;a2.fh=fp-g»h;xi=fh«al;x2=fhxbl;kch=cCo,fo,fh);ти=фй(К1 ,K2,

Xl,X2,KCH);"iUI"Z=i’^”i"aO"rBblir(”E"FS[Z]>FirTO”(F2<=FS[Z];Fl=FS[a

-l]jS2'S[Z] ;Si»S[Z-l];"HA”A3));A3.SC=Si+(FH-Fl>(S2-Si)/(F2-Fl);s C-iOtC-SC/10);TFH”10>‘L&(TM/CAxKi)<K2+TW,<SC))'jFB=FP+GxH;xi«=fbxal;x2

=fbxbl;kcm=c(q,fo,fb);tm=m(ki,кг ,xi,X2,кои);”дл”г=1'’Г1"до"Гвып

"C”e”fs[z]>fb”to"Cf2=fs[z];fi=fs[z-i];s2=s[z];si=s[z-i];”ha”aa));

AA.SC=Sl+(FB-Fi)x(S2-SO/(F2-FO;SC“i0t(-SC/i0);TFB=i0xL0(TK/CJt><K lxK2+nJxSC));”ВЬЮ””ТА”2,FH,TFH,FB,TFB;”E”0<P”T0”C0K1+1;”HA”A2);вы X.”BUB””TA”i ,FO,FP,TMIN,ППЗ ,ППЬ,К1ТР)”ГДЕ”УРОВЕНЬ-20;FHO=iOOO;DF=5

oo ;fbo=ioooo;fh=20oo;dh=.8;mo=600;m i- л ;dc=i ;тт=1;na=i ;гл1=5о\u

2=50;w=12,P“30;c(01,FOl,Fl)=OIx(Flt2-F01+2)/(FlxF0l);ФИ(К01,K02,X Oi,X02,KCHO)'a+K01+K02-XOix)];02-KC110x(X01+X02))t2+(K01xX02+K02xXO l+XOJ.+X02+KCKOx(l-X01xX02))t2;t>[23=2,2.2;LB[2]=0,0;DB[2]“.6,.6'jFA Ci3»i>SCi23=^5,it3,^2,^2,i»5,46,39,3^,30,30,29,27;FS[12]**500,1000,1 500,2000,2500,3000,3500,AOOO,A500,5000,8000,11000*,K[2] ;LS[2],,K0H“

В описательной части программы вводятся следующие величины:

УРОВЕНЬ — уровень затухания, относительно которого опреде­ ляется коэффициент прямоугольное™;

ние, равное единице, при выполнении элементов связи в виде витков и значение, равное двум, при выполнении элементов связи в виде полувитков;

NA — количество частот, на которых следует рассчитать амплитудно-частотную характеристику фильтра;

2Л1, ZJT2 — волновые сопротивления входной и выходной подво­ дящих линий передачи соответственно, размерность сопротивления, Ом;

98

Образец выходной печати контрольного примера программы ПАПФ-Ik