Проектирование СВЧ-устройств (РТФ 6 семестр Анисимов) / Зачет

Эквивалентные источники электромагнитного поля

Их вводят формально для упрощения анализа.

Эквивалентные токи и заряды выражаются через касательные и нормальные составляющие векторов электромагнитного поля следующим образом (верхний индекс м относится к магнитным источникам)

, ,

На рисунке показано введение эквивалентных токов Направления эквивалентных токов определяется направлением соответствующих векторов электромагнитного поля.

Уравнения для направляющих систем

Связь между поперечными и продольными составляющими поля в декартовой системе координат

Критическая частота

Критическая длина волны

Длина волны в направляющей системе

Связь между фазовой скоростью, скоростью переноса энергии и скоростью света в среде, заполняющей направляющую систему Полная мощность, переносимая электромагнитной волной по линии передачи

( Ez H z 0 )

Электрические

волны

( Ez 0 , H z 0 )

Магнитные

волны

( H z 0 , Ez 0 )

Гибридные (смешанные) волны ( Ez 0 , H z 0 ) являются суперпозицией электрических и магнитных волн.

Концепция парциальных волн

Структура поля в линии передачи отличается от структуры поля электромагнитной волны в однородном изотропном пространстве, у которой имеются только поперечные составляющие векторов электрического и магнитного полей.

Наличие продольной составляющей вектора Е или Н можно объяснить, введя фиктивную плоскую электромагнитную волну, распространяющуюся путем отражения от стенок линии передачи так, как показано на рисунках ниже. Такая фиктивная волна называется парциальной. На рисунках ниже рассмотрены случаи появления продольных составляющих электромагнитного поля.

Предполагается, что вектор Е всегда лежит в плоскости x0z, а вектор Н – в плоскости y0z.

Фазовая скорость волны в линии передачи всегда не меньше скорости света в безграничной среде, параметры которой соответствуют параметрам среды, заполняющей линию, а скорость переноса энергии всегда не больше скорости света в среде, заполняющей линию передачи.

Ниже приводится рисунок, поясняющий, почему фазовая скорость в линии передачи всегда больше скорости света, а скорость переноса энергии волны

– меньше скорости света.

Расстояние между точками 1 и 2 соответствует длине волны в безграничной среде, параметры которой соответствуют параметрам среды, заполняющей линию передачи.

Расстояние между точками 1´ и 2´ соответствует длине волны в линии передачи.

- скорость света в среде, заполняющей линию передачи.

-фазовая скорость волны в линии.

- скорость переноса энергии.

Электрические, конструктивные и эксплуатационные характеристики СВЧ устройств.

Электрические характеристики:

-входное сопротивление,

-коэффициент отражения от входа (по амплитуде), и др.

Конструктивные характеристики:

-геометрические размеры устройства;

-геометрические размеры элементов устройства;

-геометрические размеры присоединительных устройств, и др.

Эксплуатационные характеристики СВЧ устройств:

-полоса рабочих частот,

-коэффициент усиления и КПД,

-выходная мощность,

-устойчивость к внешним воздействиям,

-термостабильность параметров,

-надежность,

и др.

А в целом, характеристики могут быть внешние, внутренние и выходные.

КОММУТАЦИОННЫЕ ДИОДЫ СВЧ

Коммутационные диоды позволяют управлять прохождением колебаний в трактах СВЧ при импульсной мощности до .100 кВт и при средней мощности до 1 кВт.

В наиболее распространенных p-i-n-диодах (рис. 6.8) сильнолегированные торцевые p- и n-слои полупроводниковой пластинки разделены высокоомной областью i с электропроводностью собственного типа (эту область обычно называют базой диода). Торцевые поверхности диода диаметром около 1 мм, прилегающие к p- и n-слоям, металлизируют и используют в качестве выводов.

При нулевом или обратном напряжении смещения на диоде контактные разности потенциалов p-i и i-n-переходов препятствуют проникновению свободных носителей заряда из p- и n-областей в базу диода и диод обладает большим сопротивлением (единицы или десятки кОм). Вследствие значительной толщины базы (несколько сотен микрометров) диод оказывается инерционным элементом.

При подаче колебаний СВЧ на закрытый p-i-n-диод не наблюдается эффекта выпрямления, так как за положительный полупериод колебаний в базе диода не успевают накопиться свободные носители заряда. Закрытый p-i-n-диод при обратном напряжении смещения и даже без него может выдерживать без проявления свойств нелинейности напряжения СВЧ до 103 В. Поэтому схему замещения закрытого p-i-n-диода (рис. 6.8, б) представляют в виде или параллельного соединения большого (несколько килоом) активного сопротивления R и общей емкости диода Ci=0,3-1 пФ, или последовательного соединения небольшого (несколько Ом) активного сопротивления r-, учитывающего потери, и емкости базы С_. При подаче на диод положительного управляющего смещения 1-2 В полупроводниковые переходы отпираются, база диода заполняется свободными носителями зарядадырками из p -слоя и электронами из n - слоя - и сопротивление базы резко уменьшается. Для поддержания малого сопротивления базы необходим постоянный ток 1-200 мА, возмещающий потери носителей заряда из-за рекомбинации электронов и дырок. Открытый диод способен пропускать токи СВЧ до 100 А при сохранении низкого сопротивления, так как отрицательная полуволна колебания СВЧ не успевает вытянуть из базы диода часть пространственного заряда. Схема замещения открытого p-i- n-диода состоит из единственного активного сопротивления r+ (несколько Ом), однако при наличии корпуса в эту схему иногда добавляют небольшую индуктивность вывода LS (рис. 6.8, в).

1

Инерционность p-i-n-диодов ограничивает их быстродействие по управлению. Время включения диода, определяемое скоростью заполнения i-слоя носителями заряда, составляет 0,1-1 мкс. Время перехода диода в закрытое состояние, обусловленное вытягиванием запасенного заряда из i-слоя, значительно больше. Изготовляют такие диоды из монокристаллического кремния методом диффузии примесей или их внесением методом ионной бомбардировки. Примеры конструктивного оформления p-i-n-диодов показаны на. рис. 6.9.

Помимо p-i-n-диодов в управляющих устройствах СВЧ применяют также коммутационные p-n-диоды и варикапы.

О трансформации сопротивлений коммутационных диодов.

Коммутационные диоды (и любые другие управляющие двухполюсники) обычно включают в схемы устройств СВЧ через трансформирующие четырех-

Пары сопротивлений (или проводимостей) на входе и на выходе трансформирующего четырехполюсника обладают следующим свойством: мера разли-

.

Этой формулой удобно пользоваться для оценки параметра качества по измеренным сопротивлениям коммутационного диода в двух рабочих состояниях. По физическому смыслу параметр качества представляет собой КСВ на входе реактивного трансформирующего четырехполюсника в состоянии нагрузки 2 при условии, что четырехполюсник идеально согласует нагрузку в состоянии 1. Коммутационный двухполюсник с чисто реактивным сопротивлением хотя бы в одном из двух состояний обладает бесконечным параметром качества.

Для переключающих p-i-n-диодов на сантиметровых и дециметровых волнах характерно значение параметра качества 103-104. Параметр качества является универсальной характеристикой, позволяющей сравнивать переключающие свойства управляющих элементов различной природы. Этот параметр определяет наименьший достижимый уровень вносимого ослабления мощности в управляющих устройствах СВЧ с неидеальными коммутационными элементами.

2

ФЕРРИТЫ. СВОЙСТВА ФЕРРИТОВ

Феррит – магнитодиэлектрический материал (εr=5-16, tg δ=10-2-10-3) с кристаллической структурой, обладающий гиромагнитными свойствами, обуслов-

Ферриты могут быть поликристаллическими и монокристаллическими.

Производство поликристаллических ферритов осуществляют по технологии, характерной для керамики: смесь оксидов с пластификатором формуют в полуфабрикаты, которые затем обжигают при температуре 1000-1400°С. Ферритовые монокристаллы выращивают по технологии, сходной с технологией изготовления полупроводниковых материалов.

Наиболее часто применяются образцы ферритов в форме стержней круглой или прямоугольной формы, пластинок и дисков, а также отполированных сфер небольшого диаметра (около 1 мм) из монокристаллов.

В ферритовых устройствах СВЧ используются гиромагнитные свойства, проявляющиеся при одновременном воздействии на ферритовый образец постоянного и высокочастотного магнитных полей. При таком воздействии связь высокочастотных векторов напряженности магнитного поля НВЧ и магнитной индукции ВВЧ приобретает сложный характер, описываемый тензором магнитной проницаемости.

Основные свойства ферритов на СВЧ

Использование ферритов на СВЧ обусловлено спецификой распространения в них радиоволн. Рассмотрим эффекты, происходящие в подмагниченных ферритах при распространении в них электромагнитных волн СВЧ-диапазона.

Феррит представляет собой разновидность магнитной керамики с εr=8-16 и tg δ=10-2-10-3. Магнитная проницаемость феррита в диапазоне СВЧ определяется гиромагнитными свойствами электронов.

При вращении вокруг своей оси электрон, имеющий массу и заряд, создает механический Rэ и магнитный Мэ моменты, направленные в противоположные стороны (рис. 8.1).

Области феррита, в которых магнитные моменты большей части электронов ориентированы одинаково, называются доменами. Объем одного домена составляет около 10-12 cм3. Из-за их произвольной ориентации в феррите результирующий магнитный момент равен нулю.

1

В постоянном магнитном поле Н0 ось вращения электрона ориентируется по направлению этого поля. Поэтому магнитные моменты отдельных доменов ориентируются одинаково и образуют результирующий магнитный момент подмагниченного феррита, характеризуемого вектором намагниченности М, определяемым как предел отношения результирующего магнитного момента феррита к его объему при стремлении последнего к нулю; тензором магнитной

Сростом напряженности постоянного магнитного поля Н0 происходит переориентация доменов, растут результирующий магнитный момент и магнитная индукция феррита. Это продолжается до тех пор, пока векторы Н0 и М не станут параллельными. При дальнейшем росте величины Н0 происходит ориентация по полю несориентированных электронов в доменах. После чего наступает насыщение феррита.

Суменьшением Н0 происходит уменьшение магнитной индукции. При этом закон убывания магнитной индукции не совпадает с законом ее нарастания. Это называется явлением гистерезиса (рис. 8.2). Петля гистерезиса характеризуется индукцией насыщения BS, остаточной намагниченностью Br и коэрцитивной силой НС.

Остаточная намагниченность находит применение в фазовращателях с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) для обеспечения внутренней магнитной памяти.

При отклонении оси вращения электрона, находящегося в постоянном магнитном поле, какой-либо внешней силой она начинает прецессировать (вращаться) вокруг направления устойчивого равновесия. Прецессия всегда происходит по часовой стрелке, если смотреть в направлении Н0.

При наличии потерь прецессия происходит по спирали, сходящейся к направлению Н0 (см. рис. 8.1).

Роль внешней силы, отклоняющей ось вращения электрона при распространении в феррите радиоволны, играет переменное магнитное поле этой волны. Таким образом, все многообразие свойств феррита при распространении в нем радиоволн определяется величиной и взаимной ориентацией постоянного подмагничивающего Н0 и высокочастотного Н полей.

Из электродинамики известно, что в феррите, намагниченном полем Н0, которое ориентировано вдоль оси z, магнитная индукция В и магнитное поле Н

связаны соотношением

В развернутом виде это соотношение имеет вид

где μ, k – комплексные элементы тензора магнитной проницаемости, зависящие от Н0 и частоты ω; = Гн/м – абсолютная магнитная проницаемость.

2