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

тота колебаний магнитодинамического резонанса (МДР) отличается от частот сод и соф, причем это отличие тем боль­ ше, чем ближе частоты сод и соф друг к другу.

Расчет резонансных частот магнитодинамических коле­ баний может быть выполнен на основании теории связанных колебаний [48]. Как и ранее, для упрощения расчета примем следующее: учитываем только однородную прецессию на­ магниченности; диэлектри­ ческая проницаемость фер­ рита е)>>1. При анализе ФДР учитывался только низший вид колебаний ди­ электрического резонатора.

В данном случае ситуация несколько усложняется, так как низший вид колебаний сферического ОДР являет­ ся трехкратно вырожден­ ным, поэтому следует рас­ сматривать связьпеременной составляющей намагничен­ ности со всеми тремя видами собственных колебаний. Частоты этих колебаний,

которые обозначаются ТЕ\т\ (т = 0,1,1), равны и описывают­ ся формулой (20). Распределение силовых линий колебания ТЕ101 показано на рис. 31. Колебания ТЕП1 и ТЕ,у, имеют

тим, что не все три вида собственных колебаний одинаково взаимодействуют с переменной намагниченностью. Если

•постоянное магнитное поле Нр направлено вдоль оси г, то колебание ТЕШ взаимодействует с намагниченностью значительно слабее, чем колебания ТЕ1П и Т Е ^, так как

большая часть магнитных силовых линий колебания ТЕШ

71

направлена вдоль Яр, а у ТЕ1п и TEfn — перпендикуляр­

но Яр. На этом основании при рассмотрении магнитодина­ мических колебаний сферического ОФР можно ограничить­ ся учетом взаимодействия переменной намагниченности только с двумя низшими видами колебаний диэлектриче­ ского резонатора ТЕП1 и ТЕ1-п.

По аналогии с ФДР можно получить для сферического ОФР, находящегося на оси прямоугольного волновода с типом волны ТЕ10, следующую систему уравнений:

4лтх (соф — со2 — /(Оф/фф) — ЯуЮфЗХ/л2 +

+ /Я^МфЗХс/л2 = Хо<4^;

4лmy (to* — со2 — /(Оф/Сф) — Яго)фЗХ0 л2 —

— /ЯтохОфЗХ0/л2 = /ХдОХОф/г^;

где Яг, Яу — амплитуды колебаний ОФР соответственно вида ТЕП1 и ТДуу,; они численно равны амплитуде перемен­

ного поля в центре сферы; hx — амплитуда переменного магнитного поля волновода в месте расположения феррита.

Первое и второе уравнения системы (30) описывают ко­ лебания магнитного момента феррита под действием двух переменных магнитных полей резонатора и поля волновода. Третье и четвертое уравнения являются следствием реше­ ния задачи о возбуждении колебаний видов ТЕ1П и ТЕХу,

ОДР переменной намагниченностью и возбуждающим пе­ ременным магнитным полем волновода.

Частоты связанных колебаний находятся из равенства нулю детерминанта системы (30). С учетом формулы (20)

72

получим для резонансного поля подмагничивания

величиной «расталкивания» собственных частот. Отметим, что выражение (31) является обобщенной формулой фер­ ромагнитного резонанса при произвольных размерах фер­ ритовой сферы. В частном случае при R -> 0 выражение (31) переходит в известную формулу для сдвига частоты ферромагнитного резонанса из-за эффектов распростране­ ния 111].

Максимальная рабочая мощность устройств на МДР, подобно рассмотренному ранее ФДР, зависит от положе­ ния рабочей частоты относительно спектра спиновых волн. Здесь также можно выделить три области частот (см. рис. 30), существенно отличающихся порогом спин-волно- вой нестабильности.

Исследования МДР в частотной области III, проведен­ ные на сферах )1\ИГ в трехсантиметровом диапазоне длин волн, показывают отсутствие параметрических процессов возбуждения спиновых волн при мощности в несколь­ ко десятков киловатт (в импульсе) [25]. Максимальная мощность устройств на МДР, работающих в частотной об­ ласти II, coj < со < соа определяется параметрическими

73

процессами второго порядка. Согласно системе уравне­ ний (30) амплитуда переменной намагниченности

пороговая амплитуда намагниченности

Приравняв формулы (32) и (33), можно в каждом кон­ кретном случае определить величину поля в волноводе, выше которой возникает параметрическое возбуждение спи­ новых волн. Следует обратить внимание, что hx являет­ ся функцией местоположения резонатора, его нагруженной добротности и может быть рассчитана аналогично рассмот­ ренному выше случаю для ОДР. Величина рабочей мощнос­ ти устройств на МДР в частотной области II для сфериче­ ских ЖИГ резонаторов в трехсантиметровом диапазоне волн составляет несколько единиц ватт.

Глава III

ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗОНАТОРОВ И ФИЛЬТРОВ СВЧ

НА ФЕРРИТАХ И ДИЭЛЕКТРИКАХ

Твердотельные ферритовые, диэлектрические, состав­ ные феррито-диэлектрические резонаторы и фильтры ши­ роко применяются в малогабаритных многофункциональ­ ных СВЧ элементах и узлах, в измерительной технике и радиотехнических системах. Это объясняется разнообра­ зием свойств, которыми обладают упомянутые резонаторы и фильтры. К таким свойствам следует прежде всего отнес­ ти возможность электронного управления параметрами ферритового и феррито-диэлектрического резонаторов, а

74

также нелинейность их характеристик. Малые размеры резонаторов и фильтров являются объективной предпосыл­ кой миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры. В диэ­ лектрических и феррито-диэлектрических резонаторах умень­ шение геометрических размеров, кроме этого, приводит к сильной концентрации СВЧ магнитного поля, что суще­ ственно облегчает наблюдение в таких резонаторах раз­ личных физических эффектов. Рассмотрим некоторые применения резонаторов и фильтров отдельно и в сочета­ нии с полупроводниковыми элементами СВЧ, а также осо­ бенности построения устройств, использующих нелиней­ ные и параметрические свойства ферритов (ограничители, усилители, умножители частоты).

1. МАЛОГАБАРИТНЫЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВЧ ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ

Техническая реализация СВЧ аппаратуры на основе твердотельных ферритовых, диэлектрических и составных феррито-диэлектрических резонаторов тесно связана с общей комплексной миниатюризацией СВЧ цепей. Одним из основных направлений миниатюризации в настоящее время является использование микрополосковой, щелевой и компланарной линий передачи в сочетании с полупровод­ никовыми, ферритовыми и диэлектрическими элементами. Однако трудно создать высокодобротные колебательные цепи непосредственно из отрезков упомянутых линий пере­ дачи. Поэтому в гибридных интегральных схемах СВЧ ис­ пользуются ферритовые и диэлектрические резонаторы.

Следует отметить, что использование твердотельных резонаторов в схемах СВЧ позволяет не только уменьшить размеры устройств, но и создать узлы, которые выполняют одновременно несколько функций: частотную селекцию, управление амплитудой, фазой, плоскостью поляризации волны, преобразование частоты и типов волн, связь со свободным пространством и т. п. Рассмотрим в общих чертах

75

основные особенности и характеристики некоторых малога­ баритных многофункциональных элементов и узлов.

Устройства, сочетающие функции фильтра и фазовра­ щателя, фильтра и вращателя плоскости поляризации, фильтра и модулятора, наряду с резонаторами на моно­ кристаллах ферритов и диэлектриках [14] целесообразно конструировать также на составных феррито-диэлектри­ ческих и ферритовых объемных резонаторах. Это повыша­ ет рабочие уровни мощности, уменьшает габаритные разме­ ры подобных устройств. Так, например, в малогабаритном фазовращателе на основе составного феррито-диэлектри­ ческого резонатора в трехсантиметровом диапазоне волн [55] потери составляют менее 0,8 дБ при изменении фазы коэффициента передачи на 360°.

Фильтры-циркуляторы можно построить с использова­ нием связи резонаторов на монокристаллах ферритов как с волноводами [20, 59], так и с витковыми элементами. Трехплечевой фильтр-циркулятор на сферическом ЖИГ резонаторе с витками связи имеет диапазон перестройки 2,05—11 ГГц. При поле подмагничивания 3200 А/см цир­ кулятор имеет развязку между плечами больше 18 дБ, полоса частот циркуляции сигнала 8 МГц, вносимые поте­ ри меньше 1 дБ в диапазоне 2,05—6,4 ГГц и меньше 1,8 дБ в диапазоне 6,4—11 ГГц [58].

Представляют интерес устройства, сочетающие функ­ ции частотного фильтра и преобразователя типов волн или частотного фильтра типов волн в многоволновых волново­ дах. Такие устройства создаются как на ферритовых, так и на диэлектрических резонаторах. Резонансный СВЧ пре­ образователь волны типа # 10 в волну # 20, например, пред­ ставляет собой [65] отрезок прямоугольного волновода о увеличенными поперечными размерами, в котором могут распространяться волны обоих типов. Внутри волновода в плоскости круговой поляризации СВЧ магнитного поля

# 20 расположен сферический резонатор из монокристалла феррита, возбуждающий в волноводе волну # 20. Для по­

76

давления нежелательных отражений использованы допол­ нительные согласующие элементы.

Используя связь твердотельного резонатора с много­ волновым волноводом, можно построить частотные дискри­ минаторы и резонансные вентили высших типов волн [65]. Применение ферритовых и открытых диэлектрических резонаторов в волноводных фильтрах типов волн основано на раздельной связи резонатора с отдельными волнами. В прямоугольном волноводе с ОДР можно получить раздельное вза­ имодействие резонатора с волнами

Н10, //2о> Ям в трехволновом трак­ те, в том числе и в присутствии вы­ рожденного типа волны. Примене­ ние ОДР позволяет разделить также волны магнитного и электриче­ ского типа.

Отдельный класс малогабарит­ ных и многофункциональных СВЧ элементов и устройств реализу­ ется путем комбинации твердотель­ ных резонаторов с полупроводни­

ковыми элементами. Так, например, подключая к четырехплечему ферритовому фильтру с ВЭС (рис. 32) кристалли­ ческие диоды, получаем перестраиваемый фильтр — ба­ лансный смеситель [64]. Четырехплечий фильтр выполнен на основе сферического ФР, расположенного в центре меж­ ду двумя ортогональными витками связи. СВЧ энергия от генератора, подключенного к плечу А, взаимодействует с резонатором и поступает в плечи С и D, причем ампли­ туды сигналов в этих плечах одинаковы, а относительный сдвиг фаз составляет 180°. Амплитудно-частотные характе­ ристики коэффициентов передачи от плеча А к плечам С и D зависят от степени связи ФР с цепью СВЧ. Если же гене­ ратор подключен к плечу В, то подаваемая в фильтр СВЧ энергия не взаимодействует с резонатором, а непосредст-

77

венно поступает к плечам С и D. При этом амплитуды и фазы сигналов в этих плечах одинаковы. Коэффициенты передачи от плеча В к плечам С и D остаются практи­ чески постоянными в рабочем диапазоне частот устройства. Плечи А я В развязаны как в полосе пропускания, так и за ее пределами. Описанное устройство сочетает функции полосно-пропускающего фильтра и 180°-го балансного сое­ динения и может работать как балансный смеситель, пере­ страиваемый фазовый дискриминатор и др. [64]. В режи­ ме балансного смешения к плечам С и D подключают соот­ ветствующие смесительные диоды, на вход А подают исследуемый сигнал, а на вход В — сигнал гетеродина. При работе на первой гармонике гетеродина потери преобразо­ вания составляют 9—10 дБ. При работе на 2—7 гармониках в дипазоне частот сигнала 1—4 ГГц фильтр имеет вноси­ мые потери 4—4,5 дБ с учетом деления мощности пополам от плеча А к выходным плечам С и О; развязка между входами А и В составляет 20—28 дБ и потери преобразова­ ния 20—30 дБ [64].

Путем сочетания твердотельных резонаторов с полупро­ водниковыми элементами СВЧ можно также реализовать частотно-избирательные индикаторы СВЧ сигналов на ос­ нове полосно-пропускающего фильтра и видеодетектора, преселекторы с управляемыми параметрами на основе по­ лосно-пропускающего фильтра и электрически управляе­ мого аттенюатора на полупроводниковых диодах, фильтры с регулируемой при помощи варакторов полосой пропуска­ ния, амплитудные модуляторы на основе резонатора и полу­ проводникового диода, генераторы гармоник на основе полос­ но-пропускающего фильтра и умножительного кристалли­ ческого диода и другие устройства.

СВЧ резонаторы на ферритах и диэлектриках могут быть использованы в качестве антенных элементов СВЧ [5, 31, 50]. В отличие от конструкций широкополосных стержне­ вых ферритовых и диэлектрических излучателей антенные элементы на основе ФР и ДР имеют размеры гораздо мень­

78

ше длины электромагнитной волны в свободном простран­ стве к, что служит объективной предпосылкой миниатюри­ зации СВЧ антенн. Подобные антенные элементы СВЧ на оснозе резонаторов можно рассматривать как сосредото­ ченные элементарные излучатели. Так, например, дисковый диэлектрический резонатор с е 1 при возбуждении в нем низшего вида колебаний ТЕт& представляется в виде эк­ вивалентного магнитного диполя, момент которого ориен­ тирован вдоль продольной оси диска. Характеристика направленности излучения такого ДР в свободном простран­ стве качественно не отличается от диаграммы направлен­ ности рамочной антенны, периметр которой много меньше к. Максимум излучения наблюдается на резонансной частоте и находится в плоскости поперечного сечения диска, т. е.

вплоскости, перпендикулярной направлению дипольного момента резонатора.

Конструирование антенных элементов СВЧ на основе твердотельных резонаторов имеет некоторые особенности, типичные для построения полосно-пропускающих фильтров,

вкоторых связь между входной и выходной линиями пере­ дачи осуществляется при помощи резонатора. Общность

связи и др.). При построении антенных элементов СВЧ необходимо обеспечить связь резонатора одновременно с цепью СВЧ и со свободным пространством. При этом сле­ дует учитывать, что конструктивные элементы передающих линий (металлические плоскости волноводов, полосковых линий и др.) влияют на вид диаграммы направленности и другие характеристики антенны.

На рис. 33 показаны простейшие схемы антенных эле­ ментов на основе ФР и ДР. Ферритовый антенный элемент выполнен на основе несимметричной полосковой линии (1), вблизи плоскости короткого замыкания (3) которой пол­ ностью в свободном пространстве расположен сферический ФР (2), намагниченный перпендикулярно заземленной

79

пластине полосковой линии. Волноводно-диэлектрический антенный элемент содержит прямоугольный волновод (6), закороченный перегородкой с отверстием (5), в котором по­ мещен дисковый ДР (4). Резонатор расположен частично в волноводе и частично в открытом пространстве так, что ось диска совпадает с направлением поперечной составляю­ щей СВЧ магнитного поля волны типа Н10 прямоугольного волновода.

Рис. 33. Схематическое изображение антенных элементов СВЧ:

а —ферритового; б —диэлектрического.

Согласование антенного элемента СВЧ на основе твер­ дотельного резонатора с линией передачи можно получить, если коэффициенты связи резонатора с цепью СВЧ /Сц и со свободным пространством Ко удовлетворяют условию 1 + /С0 — /Сц. При этом коэффициент полезного действия антенного элемента СВЧ при резонансе

Т] = /С„/(1 + Ко) = (/Сц - 1)//Сц = /Со//Сц,

т. е. эффективность резонансной связи цепи СВЧ с откры­ тым пространством увеличивается с ростом /Сц и /С0. Прак­ тически можно получить значения коэффициента полезного действия порядка 80—90%. Антенный элемент с /Сс.в.н = = 1,1 может иметь коэффициент усиления порядка 5—7 дБ. Диаграмма направленности антенного элемента СВЧ, по­ казанного на рис. 33, а, качественно не отличается от ди­ аграммы направленности элементарного источника Гюй­

80