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 11 1213 / 1713 14 15 16 17 > Следующая >>>


скольку	затухание	ключа	определяется		в		соответствии
с (2.76)	активной	частью	вносимого	сопротивления,							то
з а д а ч а	учета влияния неодиородностей				на	основные, па
			р а м е т р ы			ключа			сводит
			ся к определению							з а в и
			симости от				п а р а м е т р о в
			неодиородностей							мни
			мой	части			восприимчи
			вости.		П л е н к а				при		за
			крытом		состоянии					клю
			ча находится					в	р е ж и м е
			ферромагнитного							резо
			нанса,		отсюда			в ы р а ж е
			ние	дл я активного						вно
			симого			сопротивления
			[компонента						полного
			сопротивления						(1.49)]
			запишется				в	виде		[22]

Р и с . 2.34

	4яХэф	Y~	Vev''2[l	- Ф ( K ) ] j ,	(2.77)
	4яХэф
где	V = 4тссоХэ ф /а)2 сд ;	с д — среднеквадратическое			о т к л о
нение относительной		величины поля		анизотропии;	Ф (V) =
	v
=	— ^ e-l,l2dt — интеграл		вероятности; L — и н д у к т и в -

''" о

ный параметр (1.49).


У б ы в а ю щ а я		функция	от	1/V в	фигурных		скобках,,
р а в н а я	1 при	1 / V = 0 , т.	е. при а д		= 0 , показывает, во
сколько	раз уменьшается		вносимое		пленкой	сопротивле
ние при наличии разброса			поля анизотропии			по величине-
и при ЛЭф = const. При V >				1, т. е. когда		ширина		по
лосы на высоких частотах обусловлена в основном								внут
ренней релаксацией и влиянием мелкомасштабных								н е о д
иородностей, значение множителя					в фигурных		скобках.

120

б л и з ко

к 1 и вносимое сопротивление в закрытом

состоя

нии

ключа

обратно

пропорционально

ЯЭф

на

частоте

ферромагнитного

резонанса.

Д л я

открытого

состояния

к л ю ч а

в а ж н а зависимость

ослабления

от

с м е щ а ю щ е г о

тюля. Вносимое при этом сопротивление

т а к ж е носит

ак

тивный

характер, так как для высокодобротного резо

н а т о р а

вносимое

пленкой

реактивное

сопротивление

много

меньше его волнового сопротивления рф

[22]

имеет

вид

п ( о т к р )

—

U 0-2

А ВЦ

где

и V

определяются

формулой

+ j

h ± '

\ ,

(2.79)

°°

—/ dt

— так

называемые

профили

Войта

[22].

Зависимость вносимого

сопротивления

от

поля

опреде

ляется

основном

суммарной

дисперсией

отклонения

намагниченности

от

равновесного

положения,

поскольку

зависимость от поля функции Н (V/V2,

UlV2)

более

слабая

не

монотонная. Как

правило, макродисперсия

о2

много больше микродисперсии о2 и зависимость её от смещающего поля более резкая — обратно пропорцио нальна квадрату поля, в то время как а2 уменьшается

обратно пропорционально			полю в	степени, меньшей еди
ницы [22].
	Экспериментальное исследование влияния неоднород
ностей пленки на параметры резонансного СВЧ						ключа
проводилось в гигагерцовом диапазоне частот					на	пленках
я з	пермаллоя. По	результатам		измерения	затухания
в	закрытом состоянии	на	рис. 2.35	нанесены	эксперимен

тальные точки зависимости относительного вносимого •сопротивления / ? в н - р / р ф от эффективной постоянной за тухания Х э ф .

121

И з результатов измерений макронеоднородностей и высокочастотной восприимчивости [22] следует, что


Д Я »	Од Я к		на частотах в		районе	1 ГГц, т.		е. V > 1.
При	этом		функция в	фигурных		скобках	в	выражени и
(2.77)	близка к единице и ее можно не учитывать.								Фор
мула	(2.77) дает в этом случает					обратно		пропорцио
нальную		зависимость		от	ЯЭф, которая		построена		на
рис. 2.35		(сплошная л и н и я ) .

Полученные результаты показывают, что на затуха ние ключа в закрытом состоянии довольно сильное вли яние оказывают микронеоднородности, уменьша я зату


хание	на 6—10	д Б	по сравнению		с однородной				пленкой.
Ослабление ключа			в	открытом	состоянии			определяется
главным образом			крупномасштабными				неоднородностя-
R*nP				мн. На основании аналп -
	I v			за		результатов			измерений
к				установлено				[22],			что
				влиянием				неоднородно-
6				стей		на эффективную					по
ч \
				стоянную			затухания				пле

				нок,		используемых					в
				диапазоне			1	ГГц,		мож
				гц но		пренебречь,					если
	Р и с .	2.35		о д # к < 4 0 А / м .				Как		пока
				зывает практика, пока не
				обходим отбор пленок дл я
использования		их	в	радиоустройствах.			Избавиться				от

влияния угловой дисперсии полностью невозможно . На личие ее приводит к необходимости подавать дл я реа лизации открытого состояния ключа поля в трудном


направлении			много	большего Я„ (в то время как по
однодоменной			теории	достаточно			Я т	=	Нк).		Ф о р м у л а
(2.78)	показывает, что вносимое						в открытом			состоянии
ключа	сопротивление			зависит от			относительного поля
( Я / Я к — 1 ) ,		поэтому		для	уменьшения			влияния			угловой
дисперсии необходимо брать пленки с меньшим											Я к .
Рассмотрим			зависимость			коэффициента				о т р а ж е н и я
в открытом		и	з а к р ы т о м		состояниях			от	характеристик
внешней цепи и вносимого						от пленки			сопротивления.

Коэффициент отражения Г ключа можно определить, ис пользуя известное в ы р а ж е н и е дл я коэффициента отра жения четырехполюсника, нагруженного на согласован ное сопротивление [37]:

Т = Т21/Тп.

(2.80)

122

П ри выполнении условия Cj = С2 = С будем иметь

T 2 i = - ц - l z i ( z i + z * ) ~ ? г 1 - Z 2 +

+ z1(zlzt-z1-za)].

(2.81)

После соответствующих преобразований выражение д л я

модуля	коэффициента отражения может быть представ
л е н о в	форме

1 г	I -	\	[ r	+ <»2CYr?	+	«>4L-
1	1	1	[/• +	2р — (2£Ср +		C"2 pV)]2 +
			- 2 Р а С + ш ^ С у ] г				, 9 R „ .
		со2	[L +	2Срг Н- 2 Р	2 С — ^Z . C 2 p 2 ] 2 "		^ . о ^

20 р ом

Ри с . 2.36

Воткрытом состоянии ключа после подстановки урав нения для рабочей частоты

a»2 =	( 2 / Z C ) - ( l / p 2 C 2 )
в выражении (2.82) получаем
\| Г 0	\| = р С г / ( 1 + С Р г ) .	(2.83)

Уравнение для модуля коэффициента отражения в за


крытом	состоянии \| Г 3 ]		можно		получить		из	уравнения
•(2.83),	подставив	вместо	г, г	=	г„ -f- /?в н .
На	рис. 2.36	показаны	зависимости			\| Г 0 \|	от	сопротив
л е н и я	потерь в	индуктивном		отрезке		фильтра		внешней

123

цепи и от волнового сопротивления (кривые I и I I соот ветственно).

На этом ж е рисунке приведена зависимость коэффи циента отражения дл я ключа в закрытом состоянии от

волнового сопротивления	фильтра (кривая I I I ) . И з ри
сунка видно, что при р,р >	8 Ом коэффициент о т р а ж е н и я

в открытом состоянии незначителен, и поэтому не тре буются дополнительные согласующие элементы на входе


ключа. В закрытом состоянии		коэффициент		отражения
возрастает при уменьшении		волнового	сопротивления
фильтра	р ф . Ка к это следует из уравнения		(2.83), коэф
фициент	отражения закрытого	ключа сильно		зависит от

Р и с . 2.37

величины вносимого сопротивления. Теоретическая и экс

периментальная зависимости					коэффициента		отражения
закрытого ключа от вносимого сопротивления							п о к а з а н ы
на рис. 2.37.
Ф а з а	коэффициента отражения на рабочей частоте
ключа будет определяться			следующим уравнением:
	cP r = a		r	c t	g	r ^ .	(2.84)
И з уравнения (2.84)		видно,		что		фаза коэффициента		от
р а ж е н и я	в открытом	и закрытом				состояниях	ключа	д л я

рассматриваемого рабочего р е ж и м а не зависит от ствойств ТФП , а определяется п а р а м е т р а м и внешней цепи. Следовательно, стабильность фазовых характери стик ключа определяется точностью изготовления эле ментов внешней цепи, стабильностью поля анизотропии и внешнего у п р а в л я ю щ е г о поля.

Так как ослабления в открытом и закрытом состоя ниях взаимосвязаны, то обычно работоспособность клю чевого устройства оценивается при помощи так н а з ы в а е -

124

мого п а р а м е т р а		качества,		который в общем случае					опре
деляется	уравнением
		к	^	/ £ з - 1				( 2 . 85>
				У J?0		- 1
С учетом	уравнений		(2.75)		и	(2.76)	из (2.85)	с л е д у е т :
		K	= \	+	Rwlr.				(2.86)
Таким образом,		параметр			качества		ключа	на	основе

тонкой ферромагнитной пленки зависит от отношения

сопротивления,

вносимого

пленкой,

сопротивлению

потерь во внешней цепи. Величину потерь

фильтра

мож

но определить

по известным

ф о р м у л а м

для потерь в по-

лосковых

линиях

[37]. И з в ы р а ж е н и я

(2.85) видно,

что

параметр

качества

ключа зависит от физических свойств

пленки

конструктивных

размеров

внешней

цепи

и пленки. К а к

п о к а з а л и

исследования,

дл я

однослойной

пленки можно получить п а р а м е т р качества,

близкий к

300. Д а л ь н е й ш е е увеличение

параметра качества м о ж н о

получить

только

за

счет

применения

многослойных

пленок.

Типичные значения ослабления в закрытом

состоянии

15—20 дБ , в открытом

состоянии

порядка

0,4—0,9

д Б ,

к. с. в. в

закрытом

состоянии

20—30,

открытом

1,04—1,1.

Д л я

увеличения

ослабления в

з а к р ы т о м

состоянии

в полосе

пропускания

можно

воспользоваться

последо

вательным

соединением

нескольких ключей.

Н а и б о л е е

широкое

распространение в

диапазоне

дециметровых

волн получило каскадное соединение ключей, располо

женных	на	расстоянии	порядка Х/А друг от друга . К а к
показали	исследования,		каскадное	соединение позволяет
существенно		увеличить	ослабление	в закрытом состоя

нии при меньшем росте потерь в открытом. Пр и этом оптимальное расстояние м е ж д у ключами зависит от па раметров внешней цепи.

2.3.2. П л а в н ы й	ф а з о в р а щ а т е л ь
Ф а з о в р а щ а т е л ь	основан иа использовании зависи

мости реактивной составляющей вносимого пленкой со противления в полосковую линию от внешнего поля . Получена и исследована математическая модель полоскового тонкопленочного ф а з о в р а щ а т е л я , работающего

125

в гигагерцовом диапазоне частот. Выработаны основные требования к пленкам, используемым для изменения

постоянной распространения линии с	пленкой.
В настоящее время дл я изменения	постоянной рас
пространения широко используются	ферриты. Однако

•они о б л а д а ю т рядом недостатков, которые ограничивают

их возможности. Основными		недостатками ферритов,
применяемых	для изменения постояной распространения
п е р е д а ю щ и х	трактов, являются	их большая чувствитель

ность к изменениям температуры о к р у ж а ю щ е й среды и значительные величины полей, необходимых для управле ния фазой (полосковые ф а з о в р а щ а т е л и 360°/16-103 А/м — 360772-103 А/м) . Перечисленные недостатки приводят к


температурной нестабильности		ф а з о в р а щ а т е л я		и боль
ш о м у расходованию мощности,		идущей на	управление.
Н е м а л о в а ж н о е значение при построении электрически
у п р а в л я е м ы х ф а з о в р а щ а т е л е й		имеет т а к ж е их		микро
миниатюризация . Последние годы вопросу			микроминиа
тюризации СВ Ч узлов	уделяется большое		внимание.
Тонкие ферромагнитные	пленки	в значительной		степени

лишены перечисленных выше недостатков, присущих ферритам . Исследование статических и динамических характеристик пленок, позволяет сделать заключение о

том, что они могут работать в широком	температурном
д и а п а з о н е (от —100 до + 1 0 0 ° С) . Т Ф П	по сравнению

•с ферритами являются более стойкими к радиационному фону. Техника изготовления пленок позволяет создавать


микроминиатюрные,				технологичные				полосковые			конст
рукции	фазовращателей .					Д л я	управления пленочным
ф а з о в р а щ а т е л е м			требуются			гораздо		меньшие		мощности
при одинаковом с ферритом						быстродействии.
Д л я	оценки		возможных			параметров			тонкоплеиочного
•фазовращателя			получим		его		математическую			модель .
Фазовая постоянная в полосковой линии может											быть
•определена		как	р =	2«/Хл ,	где Хл — длина				волны	в	линии,
д л я волны		типа	ТЕ М равная Хл = Х/}/е\|л;						X — длина вол

ны в свободном пространстве, когда магнитная пленка не взаимодействует с полосковой линией, а сама линия имеет воздушное заполнение. Фазовая постоянная равна

	Ро = 2*/Х,			(2.87)
т а к как в этом случае	Хл=А..
При воздействии	на	пленку	внешнего	магнитного
тюля будет изменяться		величина	магнитной	проницае-

126

мости зазора полосковой линии в месте расположения пленки, и ка к следствие этого длина волны на этом участке будет отличаться от длины волны в свободном пространстве и ф а з о в а я постоянная а этом участке из менится:

?! = 2фл.				(2.88)
Н а б е г ф а з ы на участке линии с пленкой			в этом	случае
равен
Д«Р = I (Pi -		Ро).		(2-89)
где / — длина участка полосковой линии,			в которой		р а с
полагается пленка.
			4 Z D -		-02
•02		10-			-0Z
Р и с .	2.38
При условии /<СА, участок	полосковой		линии	с	плен

кой может быть представлен эквивалентной схемой, при

веденной на рис. 2.38, а,					где L 0	— распределенная				индук
тивность		полосковой		линии,		С о — р а с п р е д е л е н н а я					ем
кость полосковой линии, Хт1						и Rna—реактивная				и	ак
тивная		составляющие		вносимого			в полосковую			линию
от пленки полного сопротивления,							компоненты которого
были	определены		выше.
Участок полосковой линии с размещенной в ней маг
нитной		пленкой	(включение			в виде		неоднородности)
м о ж н о рассматривать ка к П - образный								четырехполюсник
(рис.	2.38,6). М а т р и ц а				передачи		такого		четырехполюс
ника	имеет вид [37]
			1 4- yZVZ			Z				(2.90)
			2у	+ y*Z

где у =		у ш С у / 2 ;	Z = J<oL0l +			jXBil	+	RBn.
При соответствующем					коэффициенте			заполнения можно
принять,		что . Y B H	» c o Z 0 / ,		о т к у д а		Z =	jXBtl	+	RBil.

- Постоянная передачи gc рассматриваемого четырех полюсника соответствует постоянной распространения т/ участка полосковой линии с пленкой:

г / =	gc	= In {Уаиа22	+	Vai2a2l),
где а п , а 1 2 , . а 2 1 ,	а22	— элементы	матрицы ( 2 . 9 0 ) . Раскрыв
элементы матрицы,		после несложных		преобразований вы

ражение для постоянной передачи можно привести к виду

&l	= -£-[C-QBn	+ j +
+ V(QB„ -	1 - 2 Q B 1 1 C ) +	2J (С - Q B U ) ] ,	(2 . 91 )

Постоянная распространения является комплексной ве

личиной Y =	6 + / P , где	б — постоянная затухания, а
Р — ф а з о в а я	постоянная.
Р а з л о ж и в	по формуле	Эйлера левую часть уравнения

(2 . 91) и приравняв мнимые и действительные компо

ненты		этого	равенства, получим в ы р а ж е н и я			дл я	компо
нент постоянной				распространения:
К=	arc t g			/ 2
		У	У	{Ql„-l-W™Cf+4(C-QBllY	+	(QlH-l-2QtnC)
							( 2 . 9 2 )
					•QB„	+
		У ( ( ? B H - 1 ^ ( ? O H C ) 2 + 4 ( C - Q B 1 I ) = T - ( Q 2 , 1 - 1 - 2 Q L „ C )
	1	+
-	l	/ ] / ( O B H - 1 ^ Q B „ C ) 2 + 4 ( C - Q ^ O M O L - 1 - 2 Q . „ C )
.-)- J/				_		^
							(2 . 93)
В		начале	§	2.3 был рассмотрен вопрос влияния по
т е р ь	на выбор			области работы с	использованием		реак-

128

тивнои составляющей полного вносимого сопротивления. Поэтому, не останавливаясь на исследовании в ы р а ж е н и я д л я постоянной затухания, перейдем к исследованию вы ражени я (2.92) — д л я фазовой постоянной.

Не н а р у ш а я общности, рассмотрим случай, когда высокочастотное поле полосковой линии действует вдоль

среднего трудного		направления,			а у п р а в л я ю щ е е			поле
приложено	вдоль	средней		легкой	оси	пленки.	В ы р а ж а я
43	н	о.	ч -
d-8-103A		\	*
1= 1,2 см			X	\
32 f - ЗООО МГц				V
16_
20	40	60	80	100	120	140	150	h
16
32
4S	b \ \		—о—-о—Экспериментальная крц&ая

Р и с . 2.39

параметры QD 1 I и С через величины, характеризующие пленку и внешнюю цепь, будем иметь

		QBI. = Qo	(2-94)
где ш0	— частота	Ф М Р ; Q0	— добротность пленки.
Н а	рис. 2.39	показаны	теоретически рассчитанные по

формуле (2.92) и экспериментально снятые зависимости

сдвига ф а з ы от величины смещающего поля Нл							на часто
те я/2со = 3		ГГц. К а к следует		из уравнения		(2.92),		дл я
реализации		эффективного ф а з о в р а щ а т е л я ,			обеспечиваю
щего	достаточный		дл я практических целей				сдвиг	по
фазе,	необходимо		уменьшать	величину	С	и	увеличи
вать	QD „.

Заказ № 247

129

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 / 1713 14 15 16 17 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ