Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Элементы и устройства магнитоэлектроники. Лабораторный практикум
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
№ 1100
Кафедра технологии материалов электроники
Д.Г. Крутогин
Элементы и устройства
магнитоэлектроники
Лабораторный практикум
Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета
2-е издание, переработанное и дополненное
ельство ´УЧЕБАª
Москва
Издат
2008
УДК 621.38
К84
Рецензент
канд. физ.-мат. наук, доц. М.Д. Малинкович
Крутогин Д.Г.
К84 Элементы и устройства магнитоэлектроники: Лаб. практи-
кум. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: МИСиС, 2008. – 81 с.
Лабораторный практикум по курсу «Элементы и устройства магнитоэлектроники» имеет целью обеспечить формирование у студентов навыков
радиофизических методов определения магнитных параметров ферритовых
материалов, обработки экспериментальных результатов с использованием
компьютера, численного моделирования зависимости динамических параметров ферритов от напряженности и частоты магнитного поля.
По сравнению с предыдущим практикумом предусмотрены возможности
индивидуализации и усложнения задач лабораторных работ, использования
более современных измерительных приборов, дополнительные задания метрологического характера по оценке точности и анализу источников погрешностей измерений.
Предназначен для студентов, обучающихся по специальности 210104
«Микроэлектроника и твердотельная электроника».
Государственный технологический
©
университет «Московский институт
стали и сплавов» (МИСиС), 2008
CОДЕРЖАНИЕ
Введение ................................................................................................4
Методические указания к выполнению лабораторных работ ..........4
Лабораторная работа 1. Измерение коэффициента отражения
и прямых потерь ферритовых приборов сверхвысоких частот........7
Лабораторная работа 2. Исследование и моделирование
явлений ферромагнитного резонанса в намагниченных
ферритах ..............................................................................................20
Лабораторная работа 3. Исследование и моделирование
магнитных спектров ферритов ..........................................................34
Лабораторная работа 4. Изучение компонент тензора
магнитной и комплексной диэлектрической проницаемости
ферритов ..............................................................................................50
Лабораторная работа 5. Измерение магнитных потерь в
ферритах при высокой индукции переменного магнитного
поля ......................................................................................................64
Лабораторная работа 6. Исследование зависимости
коэффициента отражения феррита от химического состава и
толщины слоя......................................................................................73
3
Введение
Лабораторный практикум по специальному курсу «Элементы и
устройства магнитоэлектроники» имеет целью сформировать у студентов навыки измерения электромагнитных параметров ферритовых
материалов и элементов, магнитной и диэлектрической проницаемости и потерь на радиочастотах и СВЧ, параметров ферромагнитного
резонанса.
Обработка результатов некоторых работ ориентирована на использование ПЭВМ, при этом студентам может
быть предложено
провести компьютерное моделирование зависимости измеренного
параметра от частоты поля или намагниченности феррита.
В настоящем варианте лабораторного практикума по сравнению с
предыдущим расширено число лабораторных работ, отобраны наиболее эффективные и наглядные схемы измерительных установок.
Индивидуализация задач практикума обеспечивается набором образцов различных типоразмеров и марок ферритов, возможностью
изменения
условий эксперимента (частота сигнала, напряженности
поля, температура, амплитуда сигнала и т.д.). В лабораторных работах 2–4 студенты получают для измерений индивидуальные образцы.
В работах 1 и 5 задания индивидуализированы за счет изменения
частоты или смены ферритового прибора.
Проблемные ситуации студент анализирует в работах 1, 3 и 6, где
ставится задача сохранения высокой точности измерения при сниже
нии чувствительности прибора в узле стоячей волны. В работах 2, 4,
5 проблемная ситуация связана с выбором критерия приемлемости
образца или его положения в измерительной системе для сохранения
достаточной чувствительности.
Лабораторные работы выполняются в спецлаборатории, на готовых измерительных стендах, бригадами по два человека в течение
двух учебных часов, из которых время непосредственного
экспери-
мента составляет 35…50 мин.
-
Методические указания к выполнению
лабораторных работ
1. Лабораторное занятие включает процедуру допуска к проведению работы, выполнение эксперимента, представление результатов и
защиту оформленной работы. Допуск, предъявление результатов выполненной работы и защита проводятся индивидуально.
4
2. Оформление лабораторной работы и выполнение расчетных за-
даний осуществляются во время самостоятельной работы студентов.
3. Конспект лабораторной работы, необходимый для допуска к
ней, должен включать: цель работы, блок-схему установки и кратко
изложенный принцип ее работы, основные расчетные формулы, требования к образцам, в том числе сведения об их форме и
размерах,
таблицы для регистрации результатов.
4. Допуск проводится преподавателем в виде короткого опроса.
Ориентировочный перечень контрольных вопросов приведен в описании каждой работы.
5. Эксперимент проводится под контролем лаборанта или преподавателя.
6. Перед проведением экспериментов необходимо ознакомиться с
общими и дополнительными указаниями по безопасности труда по
каждой работе. Эти указания следует
неукоснительно выполнять.
Далее следует действовать в полном соответствии с указаниями
раздела каждой лабораторной работы «Порядок проведения работы»,
обращаясь к лаборанту или преподавателю в случае, если желаемый
результат не достигнут.
7. Заканчивать эксперимент и выключать измерительные установки следует только после предъявления преподавателю записанных
результатов эксперимента, в противном случав восстановить или по
вторить результаты можно только после длительного прогрева измерительных приборов.
8. Общие указания по охране труда при выполнении лабораторных работ по курсу «Элементы и устройства магнитоэлектроники»:
– все установки работают от сети напряжением 220 В;
– к проведению работы допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности. Инструктаж проводится на первом
лабораторном занятии для всей группы;
– студентам запрещается проводить ремонт или вскрывать генераторы, индикаторы, блоки питания и другие приборы;
– при неисправности электрической схемы и приборов следует
прекратить работу, обесточить установку и сообщить об этом преподавателю;
– при появлении дыма, искрения, запаха горячей изоляции следует немедленно отключить установку от
сети и сообщить об этом пре-
подавателю;
– дополнительные указания по охране труда, если они необходимы, приводятся в описании лабораторных работ.
-
5
9. Указания по обработке результатов и форме их представления
приведены в описаниях лабораторных работ. Следует при всех измерениях и обработке данных максимально использовать точность измерений, обеспечиваемую приборами.
Указания по порядку обращения к ЭВМ для выполнения расчетной части лабораторных работ студенты получают у преподавателя
после выполнения соответствующей работы.
10. Защита
работы проводится после соответствующего оформле-
ния. Форма защиты – собеседование с преподавателем. Список ориентировочных вопросов для защиты работы приводится в описании
каждой из работ.
11. Защита всех работ, предусмотренных учебным планом дисци-
плины, является основанием для получения зачета по данному курсу.
6
Лабораторная работа 1
ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ
И ПРЯМЫХ ПОТЕРЬ ФЕРРИТОВЫХ ПРИБОРОВ
СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ
(2 часа)
1.1 Цель работы
Освоить основные СВЧ приборы и сформировать навыки измерения коэффициента стоячей волны напряжений, коэффициента отражения и прямых потерь в СВЧ ферритовых приборах.
1.2. Теоретическое введение
Электромагнитные волны с длиной от 1 м до 0,1 мм образуют
сверхвысокочастотный диапазон (СВЧ). В этом диапазоне работают
многие радиотехнические средства навигации, обнаружения, сверхдальней, в том числе космической, радиосвязи, радиоастрономические приборы. Радиотехника СВЧ имеет ряд особенностей, отличающих её от радиотехники низких частот. Длина волны СВЧ, как
правило, сравнима с размерами передающей линии. При этом двухпроводная линия передачи,
характерная для низких частот, становится эффективным излучателем и по этой причине потери энергии из
двухпроводной линии весьма велики. В СВЧ радиотехнике применяются закрытые передающие линии: коаксиальная, полосковая или
волноводная (рис. 1.1).
В коаксиальной и симметричной полосковой линиях распространяется поперечная электромагнитная волна, в которой электрическая
и магнитная составляющие электромагнитного поля
ортогональны
направлению распространения волны. Волны такого типа называются НЕ-волнами (прежнее обозначение ТЕМ).
В волноводах тип волны определяется конфигурацией и размерами волновода, условиями возбуждения, параметрами среды, заполняющей волновод и т.д. Размеры волноводов простых конфигураций
(круглые и прямоугольные трубы) унифицированы. В частности, для
трехсантиметрового диапазона СВЧ наиболее
употребительным яв-
ляется прямоугольный волновод с размерами 23×10 мм.
7
sin ;
ECe gx
sin ,
HCegx
cos ,
HCegx
2
2
a
Рис. 1.1. Основные типы применяемых на практике передающих
линий СВЧ: а – прямоугольный волновод; б – круглый волновод;
в, г – волноводы сложного профиля; д – коаксиальный волновод;
е – двухпроводная линия; ж, з – полосковые линии
Основным типом волны в таком волноводе будет волна Н10 (поперечная электрическая волна). Структура электрического и магнитного поля волны Н
описывается следующими выражениями:
10
ihy
=
z
h
hy
=
X
k
ig
=
Y
ihy
k
(1.1)
где
kπ=
– волновой вектор волны в свободном пространстве;
λ
С – амплитудный множитель, зависящий от мощности сигнала;
hπ=
g
λ
– постоянная распространения волны в волноводе;
λ
в
π
=
– собственное значение волновода;
– длина волны в волноводе;
в
a – размер широкой стенки волновода.
8
Отсюда ясно, что направление электрической составляющей вол-
[, ],
jnH
n
ны ортогонально направлению распространения волны, а также магнитным составляющим поля Н
и НY. Все три составляющие элек-
X
тромагнитного поля изменяются по гармоническому закону по координатам Х и Y.
Длина электромагнитной волны в волноводе λ
отличается от
в
длины волны в свободном пространстве λ, причем может быть как
больше, так и меньше λ. Постоянная распространения h имеет смысл
волнового вектора k для волны, распространяющейся в волноводе.
Пользуясь приведенными выражениями, получим формулу, выражающую λ
h
через λ, k, ε, μ, a:
в
2
= k2ε μ – g2.
Из приведенных соотношений видно, что условия распространения волны в волноводе зависят от материальных параметров среды, ε
и μ. При построении ферритовых приборов СВЧ обычно имеет место
частичное заполнение волновода слоями феррита и диэлектрика.
Следовательно, можно сформулировать два вывода:
– меняя параметры ε и μ среды, полностью или частично заполняющей
волновод, можно управлять условиями распространения
электромагнитной волны (эта возможность используется при создании СВЧ ферритовых приборов);
– изучая параметры распространения волны известного типа в передающей линии или электромагнитных колебаний в СВЧ колебательном контуре, можно определить в некоторых случаях материальные параметры ε и μ (эта возможность реализуется при измерени
ях электромагнитных параметров ферритов и диэлектриков в СВЧ
диапазоне).
С помощью формул (1.1) для магнитных компонент поля можно
определить токи на стенках волновода, используя соотношение
-
где с – электродинамическая постоянная, с = 3
– единичный вектор нормали к плоскости, на которой опреде-
ляется ток.
c
=
s
4
π
(1.2)
.1010
см/с;
9
Из рис. 1.2 следует, что узкая щель, прорезанная вдоль широкой
стенки волновода посередине, не повлияет заметно на распространение волны в нем, так как не пересечет силовых линий тока.
Рис. 1.2. Структура электрического и магнитного
полей основного типа волн Н10 прямоугольного
волновода (а) и поверхностные токи (б)
Энергия от СВЧ генератора по передающей линии (фидеру) попадает в нагрузку. Эту энергию несет бегущая волна. Однако часть
мощности генератора всегда отражается от нагрузки и по передающей линии к генератору распространяется отраженная волна. Это
явление нежелательное как с точки зрения бесполезной потери мощности, так и с точки зрения
ухудшения условий работы СВЧ генераторов (мощная генераторная лампа – магнетрон выходит из строя за
несколько минут, если на нее возвращается 10 % отдаваемой мощности). Отраженную волну, кроме нагрузки, порождает любая неоднородность передающей линии, например, неточности стыковки фланцев, наличие ферритовых или диэлектрических элементов в тракте.
Любой тракт и СВЧ прибор
должны проверяться на согласование,
иначе говоря, на малый отраженный сигнал от входа.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]