Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микрополосковые резонаторы и СВЧ-устройства на их основе. Учебное пособие
.pdf
Благодаря применению шунтирующих емкостей в цепях пита-
1
F2
ния, в схемах исследованных генераторов отсутствуют высокочастотные дроссели, что дает возможность сравнительно просто изготавливать топологию макета на одной диэлектрической подложке. В этом
случае генераторы могут быть реализованы в виде гибридной СВЧмикросхемы. Несмотря на то, что микрополосковые резонаторы несколько уступают диэлектрическим резонаторам по добротности, они
могут найти широкое применение в СВЧ-генераторах благодаря миниатюрности и технологичности в изготовлении.
3.5. Д
ИПЛЕКСЕР
СВЧ
Двухканальный частотно-избирательный разделитель электромагнитных колебаний или диплексер СВЧ (рис. 3.31), представлящий
собой устройство с одним входом и двумя выходами, является одним
из важнейших устройств в технике СВЧ. В зависимости от требуемой
ширины полосы пропускания в каналах и раздвижки частот между
каналами возможны несколько конструкций диплексеров на микрополосковых резонаторах.
Выход 1
Вход
F1, F2
Выход 2
Рис. 3.31. Схема диплексера СВЧ
F
На рис. 3.32 показана одна из конструкций диплексера с использованием полуволнового резонатора на входе и имеющего по два связанных четвертьволновых резонатора в каждом из каналов на выходе.
Для того чтобы частоты обоих каналов попадали в полосу пропускания входного резонатора, полуволновой резонатор имеет сильную
гальваническую связь с входной линией передачи, обеспечивающую
его низкую нагруженную добротность, обычно не превышающую 10.
Добротности же четвертьволновых резонаторов, напротив, высокие,
благодаря сравнительно слабой связи их друг с другом и с выходными линиями. В диплексере входной резонатор настроен на среднюю
141
частоту между полосами пропускания каналов, а выходные четверть-
Выход 1
волновые резонаторы с учетом связи настроены на центральную частоту полосы пропускания своего канала.
Вход
Выход 2
Рис. 3.32. Диплексер на микрополосковых резонаторах
Связь между резонаторами индуктивная, поэтому в рассматриваемой конструкции для удобства оба конца полоскового проводника
входного резонатора замкнуты на экран, что обеспечивает расположение пучностей высокочастотного магнитного поля на краях резонатора. При необходимости большей раздвижки по частоте между каналами иди обеспечения более широких полос пропускания в каналах
входной резонатор можно заменить короткозамкнутым участком несимметричной полосковой линии. Типичная амплитудно-частотная
характеристика диплексера на микрополосковых резонаторах из керамики ТБНС приведена на рис. 3.33. Этот диплексер имел относительную полосу пропускания в накалах около 2 % и относительную
раздвижку по частоте между каналами примерно 6 % [48].
Настройка диплексера производится поканально точно так же,
как и настройка полосовых фильтров на отдельных микрополосковых
резонаторах. Для этого к одному из выходов диплексера подключается согласованная нагрузка, а вход и второй выход включается в автоматический измеритель амплитудно-частотных характеристик. Изменяя положение четвертьволновых резонаторов относительно входного
142
резонатора и относительно друг друга, добиваются необходимой АЧХ
0.9
1.1
-
40
-
30
-
20
0
L, дБ
F /F
0
настраиваемого второго канала. Затем согласованная нагрузка подключается ко второму каналу, после чего производится настройка
первого. Так как каналы взаимосвязаны друг с другом, то при настройке
одного из каналов несколько изменяется характеристика уже настроенного канала, поэтому при необходимости процедуру настройки диплексера можно повторить несколько раз.
1.0
-10
Канал 1
Канал 2
F0 = 1480 МГц
Рис. 3.33. Амплитудно-частотные характеристики диплексера
на микрополосковых резонаторах [48]
На основе рассмотренной конструкции диплексера можно изготовить и четырехканальный мультиплексер, расположив две пары
четвертьволновых резонаторов по другую сторону входного полуволнового резонатора и проведя настройку последовательно всех четырех каналов. Следует заметить, что увеличение полосы пропускания
в каналах диплексера приводит к значительному уменьшению начальных потерь.
Главным достоинством микрополосковых частотных разделителей является высокая миниатюрность в дециметровом диапазоне волн
[55]. К главным же недостаткам диплексеров на МПР можно отнести
сравнительно большие начальные потери при «узких» полосах пропускания в каналах, обусловленные недостаточной добротностью
планарных резонаторов.
143
3.6. М
эф
ε
эф
ε
L
1
1
–L 0
3
1
4
d
d1
ИКРОПОЛОСКОВЫЙ РЕЗОНАТОР
С МАГНИТНОЙ ПЛЕНКОЙ, ВКЛЮЧЕННЫЙ «НА ПРОХОД»
В ЛИНИЮ ПЕРЕДАЧИ
Как показано в первой главе настоящего пособия, в микрополосковом резонаторе, включенном «на проход» в несимметричную
воздушную полосковую линию передачи и имеющем с ней гальвани-
ческую связь, амплитуда СВЧ-тока в точках ее максимума в
раз
больше амплитуды тока падающей волны в воздушной полосковой
линии. Одновременно с возрастанием тока в МПР имеет место такое
же увеличение амплитуды СВЧ-магнитного поля. Поэтому МПР, выполненный на подложке из материала с высокой диэлектрической
проницаемостью, может быть использован для исследования магнитных пленок методом ферромагнитного резонанса [56]. В работе [57]
магнитная пленка для наблюдения ферромагнитного резонанса
(ФМР) помещалась в воздушную полосковую линию. Так как СВЧмощность, поглощаемая магнитной пленкой, пропорциональна квадрату амплитуды СВЧ магнитного поля, то использование МПР вместо
воздушной полосковой линии позволяет увеличить сигнал ФМР
от магнитной пленки почти в
раз.
Рассмотрим прохождение СВЧ-мощности через МПР с магнитной пленкой, включенный «на проход» в несимметричную воздушную полосковую линию и имеющий с ней гальваническую связь
(рис. 3.34).
– L
L
2
x
Рис. 3.34. Продольный разрез МПР с магнитной пленкой,
включенного «на проход» в полосковую линию:
1
– магнитная пленка; 2 – диэлектрическая подложка;
3
– полосковый проводник; 4 – экран
144
Поместим магнитную пленку 1 толщиной
1
d
1
2
L
1
d
i t
e
− ω
x
H
x L
≤ −
0 0
,
;
ik x ik x
1
L x L
− ≤ ≤ −
1 2
,
;
ikx ikx
z
и длиной
в се-
редину МПР между диэлектрической подложкой 2 и полосковым
проводником 3. Введем правую систему координат XYZ. Ось OX
направим параллельно полосковой линии. Ее начало поместим в середину МПР. Оси координат OY и OZ направим соответственно
параллельно и перпендикулярно плоскости экрана 4.
Строгое решение такой трехмерной задачи представляет большие математические трудности, поэтому будем использовать следующие приближения. Полосковую линию и МПР аппроксимируем
плоским волноводом. Такое приближение работает тем лучше,
чем больше отношение ширины полоскового проводника w к толщине диэлектрической подложки d. Толщину магнитной пленки
бу-
дем считать много меньше толщины диэлектрической подложки d.
Это позволяет пренебречь СВЧ-мощностью, проходящей через магнитную пленку, по сравнению с СВЧ-мощностью, проходящей через
диэлектрическую подложку.
В этом случае достаточно учесть лишь влияние магнитной
пленки на скорость распространения и затухание волны в диэлектрической подложке. Будем также считать, что ширина полоскового проводника w и толщина диэлектрической подложки d много меньше
длины волны в ней. Это позволяет пренебречь волнами высшего типа
и исключить зависимость компонент волны основного типа от координат y и z, т. е. дает возможность решать задачу в одномерном приближении.
Пусть слева на МПР падает СВЧ-волна, компоненты поля которой изменяются во времени по закону
поля
равна единице. Тогда отличные от нуля компоненты СВЧ-
, а амплитуда магнитного
поля будут равны:
145
в области
в области
:
ik x ik x
H e A e
y
E Z e Z A e
= − +
z c c
0 0
= +
−
отр
отр
:
H A e A e
= +
y
E ZA e ZA e
= − +
ikx ikx
1 2
−
−
(3.17)
(3.18)
−
в области
1 1
L x L
− ≤ ≤
1 1
;
ik x ik x
k k
1
L x L
≤ ≤
,
;
ikx ikx
x L
≥
0
,
.
ik x
ik x
E Z A e
пр
A
отр
A
n
A
n
=
0
k
k c
= ω ε µ = ω
= ε
c
Z
0 0
= µ ε
Z
= ε
1
k
1 1
,
/
+ ε ε
1
ε
⊥
µ
2 2
2 2
γ + π − ω
γ + π − ω
7 1 1
с Э )
− −
H H H i H
= ± − ∆
к
H
:
ik x ik x
H A e A e
= +
y
E ZA e Z A e
z
в области
k k
1 1
= − +
:
H A e A e
= +
y
1 1
3 4
3 4
ikx ikx
5 6
E ZA e ZA e
в области
= − +
z
:
5 6
H A e
=
y
= −
z c
Здесь
и
– амплитуды прошедшей и отраженной волны;
– амплитуды волн на участках МПР (
пр
пр
−
,
(3.19)
−
−
(3.20)
−
0
(3.21)
1–6);
– волновой век-
тор волны в свободном пространстве,
вой вектор волны в полосковой линии, 0k k
0 0 0
;
ческое сопротивление свободного пространства,
– волновое сопротивление полосковой линии, cZ Z
; k – волно-
– характеристи-
Z
c
; ε – отно-
сительная диэлектрическая проницаемость подложки.
Выражение для волнового вектора
получено в монографии
[58] для случая непроводящей (ферритовой) магнитной пленки:
d d
+ µ
1
где
k k
=
1
d d
– относительная диэлектрическая проницаемость пленки;
⊥
(3.22)
относительная магнитная проницаемость пленки:
H M
µ =
⊥
( )
H H M
e e
4
e
( )
2
, (3.23)
4
;
–
где M – намагниченность пленки; γ – магнитомеханическое отношение,
146
γ = ⋅ ⋅
1,76 10 (
;
e
к
, где
– поле маг-
нитной анизотропии (верхний знак выбирается, если ось легкого на-
H
∆
1
k
1/2
1 tg ,
2
ε = ∆
1 0
∆ = ωσ µ
1
⊥
µ =
1
σ
1
′
ε
y
H
z
E
1
x L
= ±
x L
= ±
1 1 1 1 1 1
,
,
ikL ikL ik L ik L
1 1 1 1
,
ik L ikL ikL
2 2
, .
магничивания направлена вдоль магнитного поля, а нижний – в случае, если ось легкого намагничивания перпендикулярна направлению
магнитного поля);
– полуширина линии ферромагнитного резо-
нанса пленки на частоте ω.
Аналогичным образом можно получить выражение для
чае металлической магнитной пленки:
′
µ ε
1
где
′
2
i k
1 0 1
( )
k k k d
= + ⋅ ε µ
1 0 1 1
– относительная диэлектрическая проницаемость
металлической пленки;
при
;
– проводимость пленки. При выводе формулы (3.24)
использовалось неравенство
⊥
k d
0
2
( )
( )
>> 1.
Налагая условие непрерывности компонент поля
и
, получаем систему уравнений
в слу-
′
⊥
(3.24)
– глубина скин-слоя пленки
и
при
ik L ik L
−
0 0
e A e A e A e
e A e A e A e
− ε + ε = − +
A e A e A e A e
1 2 3 4
− −
A e A e A e A e
− + = − +
1 2 3 4
A e A e A e A e
3 4 5 6
k k
1 1
A e A
− +
3 4
k k
+ = +
отр 1 2
ik L ik L
−
0 0
ikL ikL
−
+ = +
отр 1 2
k k
1 1
k k
ik L ik L ikL ikL
1 1 1 1 1 1
+ = +
ik L
1 1
A e A e A e
5 6 пр
ikL ikL
A e A e A e
− + = − ε
5 6 пр
− −
− −
e A e A e
ikL ikL
+ =
−
−
ikL ikL
−
ikL ikL
−
ik L ik L
−
1 1 1 1
= − +
5 6
ik L
0
,
ik L
,
,
(3.25)
,
0
.
Численно решив систему уравнений (3.25), можно рассчитать
коэффициенты прохождения и отражения СВЧ-мощности по следующим формулам:
147
K A K A= =
пр пр отр отр
(3.26)
При исследовании ФМР в магнитных пленках удобно также
погл пр от р осл пр
1 , 1 .
K K K K K
= − − = −
(
)
Q H
19
=
осл
макс
02550
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1
2
3
4
150
ε =
1 ммd
=
2 18
ммL=
1
мм
=
4 10
ГсMπ =
использовать коэффициенты поглощения и ослабления СВЧмощности:
(3.27)
На рис. 3.35 приведены расчетные зависимости коэффициентов
ослабления (кривые 1, 2) и добротности (кривые 3, 4) исследуемого
микрополоскового резонатора от постоянного магнитного поля.
Отметим, что добротность
на максимальную добротность
Q
в данном случае нормирована
макс
.
K
(Н), Q(Н)/Q
Рис. 3.35. Зависимости коэффициента ослабления (1, 2) и добротности (3, 4)
МПР с пленкой от величины магнитного поля
Рассматривался резонатор на подложке из керамики Т-150
(
та 680 МГц), содержащий магнитную пленку длиной
пермаллоя с намагниченностью насыщения
148
) толщиной
, длиной
Н, Э
(резонансная часто-
2 5
L
4
и шириной
из
линии ферромагнитного резонанса
2 20
ЭH∆ =
4 1 1
1
Ом см
− −
1
d
1
ε =
осл
K
()(
)
1
= ε ε =
(
)
K d
10 ЭH
∆ =
1 ЭH
∆ =
1
d
10 ЭH
∆ =
1 ЭH
∆ =
ус
K
ус
K
ус
K
. Проводимость
пермаллоя в расчете считалась равной
щина пленок
была равной 0,04 мкм (кривые 1 и 3) и 0,1 мкм
5 10
σ = ⋅ ⋅
, а тол-
(кривые 2 и 4). Из графиков видно, что коэффициент ослабления
СВЧ-мощности значительный. Для пленки толщиной 0,04 мкм он
достигает в резонансе почти 30 %. На резонансной частоте магнитная
пленка толщиной 0,1 мкм способна уменьшить добротность микрополоскового резонатора более чем в два раза.
Если в расчете принять диэлектрическую проницаемость под-
ложки
, то рассматриваемая конструкция становится воздушной
несимметричной полосковой линией, в которой размещена магнитная
пленка. Зависимость коэффициента ослабления СВЧ-мощности от
магнитного поля повторяет кривую ферромагнитного резонанса магнитной пленки [57]. Нетрудно подсчитать, что сигнал ФМР для исследуемых пленок (
) при этом будет составлять десятые доли
процента от величины падающей мощности. Отсюда следует, что
МПР в рассматриваемой конструкции усиливает сигнал ФМР по
крайней мере на два порядка. Зависимость коэффициентов усиления
сигнала ферромагнитного резонанса
K K K
ус осл макс осл макс
от толщины исследуемой пленки приведены на рис. 3.36. Сплошными
линиями на рисунке показаны зависимости
ус
для случая пер-
маллоевых пленок в МПР с полушириной линяй ФМР
(кривая 1) и
(кривая 2). Для сравнения здесь же штриховыми линиями обозначены зависимости коэффициента усиления сигнала ФМР от толщины (
) для непроводящих (ферритовых) пленок,
у которых остальные параметры те же, что и у пермаллоя –
(кривая 3) и
(кривая 4).
Расчет показывает, что в такой конструкции для пленок малых
объемов или с очень широкой линией ФМР коэффициент усиления
может достигать величины диэлектрической проницаемости
подложки. С ростом толщины пленок увеличивается коэффициент
заполнения резонатора и падает его добротность, что приводит к уширению экспериментально наблюдаемой линии ФМР и снижению коэффициента
скин-эффекта коэффициент усиления имеет область насыщения, в которой он при дальнейшем увеличении толщины пленки не снижается.
Из рис. 3.36 видно, что область насыщения
149
. Для металлических пленок из-за существования
раньше наступает для
пленок с более узкой линией ферромагнитного резонанса, что объяс-
01234
0
120
150
1
2
3
4
= 1 Э
= 10 Э
ус
K
ФМР
∆
ФМР
∆
1
ε =
ФМР
∆
няется более тонким скин-слоем для них.
K
ус
Н
90
Н
60
30
lg(d1/Å)
Рис. 3.36. Зависимость
от толщины магнитной пленки [48]
сигнала ФМР
На рис. 3.37 показаны зависимости относительного уширения
наблюдаемой линии ФМР (
H
) от толщины пленки в рассматри-
ваемой структуре МПР-магнитная пленка для случаев ферритовой
(кривая 1) и металлической (кривая 2) пленок. Основными механизмами уширения
H
в исследуемой модели можно считать изме-
нение добротности резонатора и возникновение сильного отражения
СВЧ-мощности от резонатора вследствие изменения его резонансной
частоты при возбуждении ФМР в пленке. Если принять диэлектрическую проницаемость подложки резонатора
, т. е. вернуться
к ситуации, когда магнитная пленка расположена в воздушной полосковой линии, то получается, что уширение
H
в такой системе
не наблюдается только в случае ферритовой пленки (кривая 4). В случае металлической пермаллоевой пленки уширение все равно имеет
место (кривая 3) из-за того, что сама пленка в рассматриваемой модели является частью проводящей шины линии.
150
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]