Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Пузырев В.А. Тонкие ферромагнитные пленки в радиотехнических цепях

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

23.10.2023

Размер:

6.97 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 / 1712 13 14 15 16 17 > Следующая >>>

Хвп и Rm, полного вносимого сопротивления через пара метры полосковой линии и пленки, получаем уравнение д л я коэффициента передачи в следующем виде:

* o " ( l - 4 r i ) ' ( l - - « . + * / / ? w | ) .

(2-69)

где величина RB]l определяется соотношением (2.68), а выражение для модуля функции коэффициента отра жения .

'	(Яви +	2Д„)г + Х2В„
/?н — сопротивление	нагрузки.			F' = ш2 /ш2
При выполнении	условия	резонанса			и мак
симальном значении относительного потокосцепления					Ф - = 1
уравнение для коэффициента передачи приводится					к виду
"° =	(Яви + 2/?и )2 (/?„„ + Яы)			•	( 2 , 7 0 )
И з полученного	в ы р а ж е н и я		видно,	что для уменьше
ния коэффициента	передачи	в	закрытом состоянии не

обходимо уменьшать сопротивление нагрузки Ru, т. е. делать полосковую линию иизкоомной с соответствую щим согласованием, и увеличивать вносимое сопротив

ление Rmt.		Соотношение д л я максимально						вносимого со
противления,			выраженное через				характеристики пленки
и параметры			полосковой		линии, имеет вид
				R.„^flMVla,						(2.71)
где	V — объем			пленки. Несмотря			на то что в			этом	вы
ражении коэффициент fx входит							в квадрате,		изменение
его	величины		ограничивается			различными			факторами .
Это	объясняется следующим.					Величину		коэффициента
fx дл я низкоомных полосковых линий с достаточной											сте
пенью точности				можно	аппроксимировать			как		fx^l/b,
где b — ширина				полосковой линии.
Следовательно, дл я увеличения коэффициента fx не
обходимо		уменьшить ширину				полоски, а		это		приводит
к уменьшению рабочего объема пленки V и увеличению
волнового		сопротивления			(при	одинаковой			высоте		по
лосковой линии, так как она определяется толщиной											под

л о ж к и пленки) . Уменьшение ширины полосковой линии

приводит к	возрастанию неоднородности высокочастот
ного поля,	воздействующего на пленку. Это обстоятель
н о

ство	т а к ж е	заставляет уменьшать геометрические раз
меры	пленки	в плоскости, что, в свою очередь, приводит

куменьшению объема магнитной массы.

Др у г и м параметром, за счет которого можно увели чить величину вносимого сопротивления и тем самым повысить эффективность управления погонными пара метрами полосковой линии при воздействии внешних

магнитных полей, является объем пленки. Т а к как ши
рина пленки определяется	шириной	полосковой	линии,
а ее толщина — потерями	в пленке,	то увеличение	объе

ма пленки можно осуществлять за счет увеличения ее

длины и за счет создания многослойной					структуры.
Используя формулы (2.70) и (2.71), можно						рассчи
тать длину пленки,		необходимую дл я обеспечения зату
хания	порядка 30 д Б . Оказывается, что дл я полосковой
линии	с волновым	сопротивлением	5	Ом	длина	пленки
д о л ж н а составлять		примерно 10	см.	Низкое		волновое

сопротивление участка полосковой линии с пленкой при

водит	к тому,	что длина согласующих переходов оказы
вается	т а к ж е	порядка 10—12 см. Поэтому потери в пе
реходах и низкоомном			участке		при отсутствии внешнего
магнитного поля (открытое состояние ключа)						будут в не
сколько раз превышать допустимые.
Чтобыувеличить объем магнитной массы пленки, не
очень	сильно	увеличивая при этом затухание в линии
от побочных		потерь	в	пленке,	необходимо	применять
многослойные		пленочные		структуры, напыленные в ва

кууме на подложке в несколько слоев, разделенных прослойками диэлектрика. Многослойные структуры тон ких ферромагнитных пленок дают не только простое увеличение объема ферромагнитного материала . Б л а г о д а ря магнитному взаимодействию м е ж д у слоями пленок через р а з д е л я ю щ у ю их диэлектрическую прослойку, су щественно меняются свойства всей структуры по срав нению со свойствами одиночных пленок. Пр и этом сила взаимодействия слоев, а следовательно, и степень изме нения свойств структуры зависит от многих факторов . Существенную роль, например, играют условия напыле

ния	(напыление всей системы	в одном	цикле	откачки
или	с нарушением в а к у у м а ) , выбор материалов			магнит
ных	пленок и диэлектрических	прослоек,	геометрические

размеры		пятен	и толщина		промежуточных слоев. Влия
ние	всех	факторов на		свойства многослойных структур
еще	далеко не		изучено.	В	настоящее время накаплива -

111

ются экспериментальные результаты по исследованию физических свойств многослойных систем, выдвигаются различные теории, с помощью которых можно было бы объяснить природу взаимодействия слоев. Многослой ные пленки о б л а д а ю т гораздо большими возможностями и перспективами применения по сравнению с однослой

ными, а	т а к ж е	по ряду параметров превосходят их
[13, 32—35].
Д р у г и м	путем	преодоления указанных трудностей

при увеличении величины вносимого сопротивления явля ется использование тонкой ферромагнитной пленки в ка


честве неоднородности в ступенчатом			фильтре.			Ступен
	чатый фильтр позволяет уве
	личить взаимодействие плен
	ки с	передающей				линией
	примерно		в Q	раз	(Q — доб
	ротность		р е з о н а т о р а ) .				По
	добный метод находит ши
	рокое	применение в				тонко-
Пленка	пленочных			п а р а м е т р о н а х
	[36] . Конструктивно					фильтр
А-А	выполнен в виде неоднород
	ной	полосковой			линии,		со
Пленка	стоящей из широких и узких

С	участков		с одинаковым				за
Р и с . 2.29	зором.
	Преимуществом					такой

	конструкции			является			то,
что при одинаковой полосе	пропускания			(с	переходами

длиной четверть волны) размеры всего устройства зна чительно сокращаются .

Р а с с м а т р и в а е м ы й	в этом п а р а г р а ф е вариант	ключа
использует пленку,	помещенную в индуктивный	участок

ступенчатого фильтра на полосковой линии. Ступенча тый фильтр представляет собой последовательное соеди нение отрезков несимметричной полосковой линии с раз личными волновыми сопротивлениями, имеющих разную

ширину полоски, рис. 2.29. В такой конструкции	электри
ческое поле сосредоточено в широких отрезках	(эквива
лентные п а р а л л е л ь н ы е емкости), а магнитное	поле — в

узком отрезке (эквивалентная последовательная индук тивность) . М а г н и т н а я пленка помещается в индуктивном

отрезке	полосковой линии	таким	образом,	чтобы ее	лег
к а я ось	была направлена	или	вдоль или	поперек	про-

112

дольной оси фильтра .	У п р а в л я ю щ е е поле	в обоих,	слу
чаях прикладывается	вдоль трудного направления		н а
магничивания пленки.	Принцип действия	СВЧ ключа

Ри с . 2.30

дл я двух случаев расположения пленки в полосковой

линии	поясняется на рис. 2.30, а		и б.
Д л я	анализа ключа	на неоднородной линии		способ
расположения пленки не		имеет	принципиального	значе-

113

ния, поэтому рассмотрим один из них. Пусть тонкая маг нитная пленка помещена в индуктивном участке таким

образом, что ее легкая ось	п а р а л л е л ь н а оси	полосково-
го резонатора . Угол ' м е ж д у	направлением	намагничен

ности (при отсутствии внешних с м е щ а ю щ и х полей) и высокочастотным магнитным полем равен я/2 . При этом взаимодействие м е ж д у полем и намагниченностью мак симальное, в результате чего реализуется закрытое со стояние ключа. Механизм взаимодействия можно пред ставить в виде следующей модели. В первую четверть периода высокочастотного поля намагниченность откло няется под действием поля от легкой оси и пленка отби рает энергию от внешней цепи. В течение второй четвер ти периода, когда высокочастотное поле уменьшается, намагниченность в о з в р а щ а е т с я к легкой оси и отдает энергию во внешнюю цепь. При этом во внешней цепи


наводится	ток, который			направлен		навстречу току,				воз
б у ж д а ю щ е м у		магнитное		поле	в резонаторе, и, следова
тельно, создает отраженную волну. Во							вторую		половину
периода процесс повторяется. Так как							колебания намаг
ниченности	совершаются			с некоторым			«трением»,			т. е.
с релаксационными			потерями		в самой		пленке,		то	отра
ж е н н а я волна		не компенсирует			п а д а ю щ у ю			и часть		высо
кочастотной		энергии	приходит		на	выход		ключа.		Н а и

большее отклонение вектора намагниченности от легкой оси под действием поля имеет место при резонансе, т. е. при совпадении частоты изменения поля и частоты фер

ромагнитного	резонанса	( Ф М Р ) . Этот режим и	исполь
зуется в ключе, для чего		выбираются пленки с таким			Нк,
чтобы частота	естественного Ф М Р была равна		частоте
высокочастотного поля.
В различных точках неоднородной пленки из-за нали
чия, /неоднородных локальных анизотропных полей				(мик
ро- и м а к р о м а с ш т а б о в )		частоты Ф М Р отличаются		и	ко

лебания векторов намагниченности в отдельных точках имеют различные фазовые сдвиги. П р и этом происходит «расфазировка» отраженной волны, которая будет в меньшей степени компенсировать падающую, в резуль тате чего на выход ключа будет проходить дополнитель ная энергия.

Таким образом, уменьшение затухания ключа в за крытом состоянии связано не только с потерями энергии в пленке, но и с интерференцией отраженных от неодно родностей волн.

114


Открытое		состояние ключа		реализуется при подаче
с м е щ а ю щ е г о		поля Ни — Я т в трудном				направлении	(при
подаче	тока	в у п р а в л я ю щ у ю		цепь) . В идеальной			одно
родной	пленке при		поле Я т ^	Я к	вектор намагниченно
сти устанавливается			вдоль трудной		оси, т. е. п а р а л л е л ь н о
высокочастотному полю, и перестает						взаимодействовать

с ним; ослабление в этом случае зависит только от по терь во внешней цепи.

В неоднородной пленке векторы намагниченности от дельных участков образуют при поле Я т = Я к еще до вольно большие углы с трудной осью и, следовательно, взаимодействуют с высокочастотным полем. Д л я умень шения углов отклонения областей от направления, пер

пендикулярного	высокочастотному полю,	приходится
прикладывать смещающие поля, в несколько		раз превы
ш а ю щ и е поле	анизотропии, что значительно	у с л о ж н я е т
у п р а в л я ю щ у ю цепь.

Р и с . 2.31

Теоретическое исследование ключа было проведено Волощенко Ю. И. и Злочевским Е. М. [22]. Конструк ция ключа такова, что электрическое и магнитное поля в нем фактически разделены и сосредоточены в различ ных участках, поэтому для анализа ключа можно вос пользоваться моделью пленки в виде эквивалентной схе мы с сосредоточенными, параметрами . Эквивалентную схему ключа можно представить в виде, показанном на


рис. 2.31, где С] и		Сг — емкости широких отрезков филь
тра; L — эквивалентная индуктивность			узкого	участка;
г — сопротивление		потерь, учитывающее	потери	в индук
тивном	участке; zmi	— сопротивление, вносимое		пленкой.
Д л я	исследования ключа в открытом		и закрытом		со
стояниях воспользуемся теорией волновых матриц.					К а к
известно, функция		рабочего затухания	четырехполюсни

ка определяется		элементом	волновой матрицы передачи
[37]:	Й5Р = [ Г ц ] 2 . Д л я		схемы,	представленной	на
рис.	2.31, имеем
1 1		2/RZ,-Z3		• ( _	>

115

										/
где использованы					следующие			обозначения: Z , =		l/JwC^,;
Z 2	=	(jvL,		+ Z B 1 1	+	r)/p,;	Z 3	= l/ywCapf,	= p 2 / P l ;	Z B 1 I =
=	- ^ D H +			JXBH.				симметричной, т. е. С\ —
	Примем			схему		фильтра		симметричной, т. е. С\ —
=	С2	=	С,	а волновые сопротивления подводящих ли
ний		на	входе		и	выходе	коммутатора		равными р =

=р, = р 2 . В ы д е л я я действительную и мнимую части

элемента Гц

(2.72)

взяв

модуль,

получим

в ы р а ж е н и е

д л я

функции

рабочего

затухания:

Хр

N {\

шСА'В11

»*LC

4 ^

Х™

+ 2

* в „ ) ] } ,

(2-73)

г д е

N = 1 +

р 2 ш 2 С 2 ;

RBll +

г;

г — сопротивление

учитывающее

потери

индуктивном

участке .

К а к это следует

из

уравнения

(2.73), затухание оп

ределяется не просто вносимым сопротивлением, а от ношением вносимого сопротивления к волновому сопро тивлению внешней цепи. Зависимостью затухания от волнового сопротивления объясняется, в частности, силь

ное влияние з а з о р а		в	полосковой	линии	на	рабочее за
тухание	так как, несмотря на то, что				при	увеличении
з а з о р а	в полосковой		линии поле	изменяется			незначи
тельно,	затухание	резко падает		вследствие			возраста
ния р. Поэтому д л я		увеличения затухания м о ж н о исполь

зовать широкую полосковую линию с м а л ы м зазором, которая неизбежно будет иметь низкое волновое со противление.

Если рассматривать устройство в целом, то	т а к а я
конструкция потребует согласующих переходов	между

низкоомиым участком полосковой линии и передающей линией со стандартным волновым сопротивлением. Оче видно, в дециметровом диапазоне волн такое устройство д о л ж н о иметь значительные размеры .

Д р у г и м в о з м о ж н ы м вариантом внешней цепи являет ся неоднородная полосковая линия, состоящая из широ ких и узких участков с одинаковым зазором . Э т а кон струкция и принята в качестве внешней цепи, рассмат риваемого здесь ключевого устройства. Преимуществом такой конструкции является то, что размеры всего уст

ройства	значительно	сокращаются .
В ы р а ж е н и е (2.73)		позволяет определить	параметры
ключа в	открытом и	з а к р ы т о м состояниях.	Основными

116

п а р а м е т р а м и ключа в открытом состоянии являются: ко эффициент отражения, который зависит от степени со гласования фильтра с передающей линией, и потери на пропускание £ £ р о , которые при отсутствии дисперсии оси легкого намагничивания состоят из мощности потерь на

токи проводимости	и мощности потерь	в диэлектрике,
з а п о л н я ю щ е м зазор	м е ж д у пластинами	фильтра, при

чем главную роль играют омические потери в индуктив ном отрезке фильтра . Д л я нормальной работы ключа в открытом состоянии коэффициент отражения и вели чина рабочего затухания ЗС р о д о л ж н ы иметь минималь ные значения. Принимая, что в открытом состоянии клю

ча полное	вносимое сопротивление			Z B	n	в идеальном		слу
чае равно	нулю,	в ы р а ж е н и е	(2.73)	преобразуем			к	виду
	г , - ( 1	+ « [ \| + ( \|		+		^ ) ' +
	+ ( «	£ . _ ! ) • +	4 ( * : •		+	£ ) ] .	(2.74)

Это в ы р а ж е н и е позволяет рассчитать частотную харак

теристику

ключа

в открытом

состоянии,

определить

резонансную частоту и потери на

пропускание.

П о л о ж и м

г =

Р а б о ч е е

затухание имеет

три экстре

мума на

частотах

ш1 =

ш2 =

у ( 2 Р 2 С —

L)/p2LC2,

ш3

V(2Р2С

Z)/3p 2 ZC 2 .

Д в а из них

имеют

минимальное значение и один — мак

симальное:

•ро

• j ^ j - (L — 2 p 2 C ) 2 > 0

—минимум,

da*

— 2p2 C)2 >

— минимум,

da1

= - f - p3

(L — 2 P 2 C ) 2

0 — максимум.

Теоретическая зависимость рабочего затухания от

частоты показана на рис. 2.32,

а.

Экстремум

на частоте

coi

не представляет

интереса.

И з

оставшихся

двух

час

тот

значение затухания

£6ро

д л я нас

представляет

инте

рес

на

частоте

« 2 .

Без учета потерь (/- = 0) на этой

частоте

она

имеет

минимальное

значение, равное

еди-

117

нице. С учетом сопротивления г в ы р а ж е н и е для потерь в открытом состоянии на резонансной частоте co2 запи сывается как

^ Р О = ( 1 + - ^ ) 2 .

(2.75)

^Pib /

Р и с . 2.32

где $^=УЫС — волновое сопротивление фильтра. Н а рис. 2.32, б приведены теоретическая и экспериментально-

снятые зависимости потерь	на пропускание от	частоты.
В ключе д л я реализации	закрытого состояния	исполь

зуется активная составляющая вносимого сопротивления на частоте ферромагнитного резонанса пленки, с о в п а д а ю щ е й с резонансной частотой фильтра . С учетом того,

что	на частоте Ф М Р реактивная	с о с т а в л я ю щ а я	вноси
мого	сопротивления равна нулю,	выражение д л я	затуха -

118

ния	ключа (2.73)		в закрытом			состоянии	можно	записать
к а к
		# , =		( 1 + р ^ - ) 2 .				(2.76)
К а к	правило,	величина		сопротивления			затухания г		мно
го меньше величины вносимого сопротивления								RBll,	т. е.
выполняется		условие г «С Rm,				которое	может	быть	ис
пользовано для упрощения в ы р а ж е н и я							(2.76).
И з выражений			(2.75)		и	(2.76) видно, что		волновое
сопротивление фильтра				р( \|(	о к а з ц в а е т существенное				вли

яние на величину затухания в открытом и закрытом со стояниях £б0 и : £ 3 соответственно. Н а рис. 2.33, а при-

Р и с . 2.33

ведены зависимости ослабления в открытом и закрытом состояниях от волнового сопротивления фильтра . При уменьшении р,|, ослабление в закрытом состоянии воз растает, но при этом одновременно .растет и 2£/0. Обычно необходимо получить максимальное затухание Л#э при минимальном ослаблении i60, поэтому рф необходимо выбирать минимально в о з м о ж н ы м по допустимому ££>0.

После	этого можно определить требуемую	величину /?в н
по заданному £С3.
Н а	рис. 2.34 приведены теоретические	и эксперимен

тальные зависимости функции рабочего затухания от частоты дл я различных значений вносимого сопротив ления.

Вопрос влияния неоднородностей пленок на парамет ры ключа был исследован Злочевским Е. М. [22]. По -

119

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 / 1712 13 14 15 16 17 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ