Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Приборы, устройства и методы функциональной электроники. Учебное пособие
.pdf
3.2. Полосно-заграждающий фильтр СВЧ на ПМСВ
81
Таблица 3.2
Зависимость добротности фильтра
от степени шунтирования
i подмагничивающего поля
i
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
Q
702
689
557
552
430
256
834
724
573
946
514
Следует заметить, в результате проведенной статистической обработки данных измерений установлено, что входящая в выражение для
Q резонансная частота режекторного фильтраопределяется с относительной погрешностью 0,13 % и в отсутствие шунтиравния магнитного
потока равна 6,321 ГГц. С такой же точностью определяются нижняя
f
НИЖН.
и верхняя f
ВЕРХ.
частоты, также входящие в выражение для Q. От-
носительная погрешность измерения подавления в резонансе – 1,32 %
(α0 = 30,4 дБ). Оценка добротности фильтра
Q
~
в отсутствие шунтирова-
ния магнитного потока Q = 702.
3.2.4. Методика экспериментального определения
добротности фильтра
Методика определения добротности фильтра зависит от схемы
включения его в линию передачи. Исходя из эквивалентной схемы включения, определим зависимость коэффициента передачи от расстройки и
вычислим значение коэффициента передачи для вычисления расстройки,
определяющей искомую добротность.
Эквивалентная схема включения подмагниченной магнитной плен-
ки в полосковый волновод (рис. 3.1) в качестве ПЗФ показана на рис. 3.8.
На рис. 3.8 обозначено: z0 – волновое сопротивление линии переда-
чи, zн – сопротивление нагрузки, которое в данном случае равно z0, так как
линия нагружена на согласованную нагрузку, Lсв – индуктивность связи,
М – коэффициент взаимоиндукции.
Составим систему уравнений второго закона Кирхгофа для участка
цепи справа от сечения аб:
+
−+=
++=
1
11
1
0 JMj
C
LJjRJ
JMjJLjzJU
кк
ксвн
.
3. Твердотельные фильтры СВЧ на поверхностных магнитостатических волнах
82
E
0zн
z
1
J
св
L
L
R
C
M
а
б
Рис. 3.8. Эквивалентная схема включения твердотельного фильтра в волновод
Из второго уравнения системы получим:
−+
−
=
C
LjR
JMj
J
к
1
1
.
Так как
0
св
L
и
0
zz
н
=
, то
−+
+=
C
LjR
JM
zJU
1
1
22
01
.
Из этого уравнения определяется коэффициент передачи по напря-
жению:
U
zJ
T
н
1
=
.
Поделив левую и правую части на
011
zJzJ
н
=
, получим
−+
+=
C
LjR
zM
T
1
1
1
0
22
.
Преобразуем последнее выражение, введя следующие обозначения:
K – коэффициент связи; Q – добротность; − резонансная круговая частота; – обобщенная расстройка частоты. При этом справедливы следующие соотношения:
3.3. Полосно-пропускающий фильтр СВЧ на ПМСВ
83
0
22
zR
M
K
=
;
R
L
Q
0
=
;
LC
1
2
0
=
;
0
0
−
=
.
Используя введенные обозначения, можно получить представление
для коэффициента передачи по мощности. В логарифмическом масштабе
(в децибелах) данное представление имеет вид
( )
( )
( )
2
22
2
222
2
22
2
41
441
lg10lg10
++
+++
==
QK
KQQK
TL
. (3.2)
Приравнивая в (3.2) расстройку к нулю, определим коэффициент
передачи на резонансной частоте и коэффициент связи:
( )
KL +−= 1lg20
0
,
110
20
0
−=
−L
K
. (3.3)
Используя выражение (3.2), определим значения L, при которых
надо определить расстройку для вычисления Q (так называемый уровень
половинной мощности).
Для определения Q расстройка должна быть равна
Q2
1
=
и
( )
+
+
−+= 1
12
1
lg103
2
0
K
дБLL
Q
,
и если
( )
1
12
1
2
+ K
, (3.3)
то
дБLL
Q
3
0
+=
. (3.4)
Более подробное описание данной методики дано автором в пособии [29].
3.3. Полосно-пропускающий фильтр СВЧ на ПМСВ
3.3.1. Конструкция и принцип работы твердотельного
полосно-пропускающего фильтра СВЧ на поверхностной МСВ
Конструкция прибора показана на рис. 3.9. Фильтр выполнен на
копланарной линии передачи, изготовленной методом фотолитографии на
подожке, выполненной из поликора.
3. Твердотельные фильтры СВЧ на поверхностных магнитостатических волнах
84
АЧХ фильтра формируется на основе полосовых свойств магнитостатического волновода, возбуждаемого копланарными преобразователями. Преобразователи электромагнитной волны в магнитостатическую
представляют собой короткозамкнутые отрезки, расположенные на некотором расстоянии параллельно друг другу. Расстояние между преобразователями подбирается таким образом, чтобы происходила передача энергии МСВ от первого преобразователя ко второму. Пленка ЖИГ связывает
их через запредельное окно волновода. Поэтому в отсутствие магнитостатической волны отрезок волновода, содержащий магнитную пленку, становится запредельным и передачи энергии с входа на выход не происходит. В том случае, если в магнитной пленке возбуждается МСВ, содержащий ее отрезок волновода перестает быть запредельным и через него
происходит передача энергии посредством распространяющейся в пленке
поверхностной МСВ. При этом с целью снижения коэффициента отражения от торцов пленки края пленки имеют скосы.
0
H
0
H
Магнит
Корпус
Пленка
ЖИГ
Рис. 3.9. Конструкция твердотельного ППФ на поверхностной МСВ
Внешнее постоянное магнитное поле создается постоянными магнитами, расположенными сверху и снизу линии передачи.
Полосно-пропускающий фильтр обладает следующими параметрами:
− резонансная частота f0 = 4,4 ГГц;
− минимальные вносимые потери
min
= 6,5 дБ;
− ширина полосы пропускания на уровне 3 дБ от
min
= 100 МГц;
− затухание вне полосы пропускания более 40 дБ;
− обратное затухание в полосе пропускания не менее 34 дБ;
− ширина полосы пропускания на уровне 40 дБ равна 600 МГц.
3.3. Полосно-пропускающий фильтр СВЧ на ПМСВ
85
3.3.2. Экспериментальное исследование характеристик
полосно-пропускающего фильтра СВЧ на поверхностной МСВ
Измерительная установка. По структуре схема измерительной
установки для проведения измерений характеристик согласования и прохождения волн в данном случае не отличается от описанной выше схемы
измерения характеристик режекторного фильтра. При этом изменяется
только состав измерительной аппаратуры. Так, для исследования характеристик ППФ вместо панорамногоизмерителя РВ-59, использовавшегося
для исследования ПЗФ, может быть использован панорамный измеритель
РВ-57. В его состав входит другой генератор (ГКЧ-57), работающий в
диапазоне 3,2–5,64 ГГц, и другой комплект направленных ответвителей
сечением 7234 мм, соответствующий диапазону рабочих частот ППФ.
Результаты измерений. При проведении экспериментальных ис-
следований полосно-пропускающего фильтра измеряются такие характеристики фильтра, как частота минимально вносимых потерь, минимальные вносимые в СВЧ-сигнал потери, добротность, амплитудно-частотная
характеристика, зависимость коэффициента стоячей волны от частоты.
Как и в случае ПЗФ, характеристиками фильтра можно управлять
путем изменения напряженности подмагничивающего поля и делать это с
помощью ферромагнитного шунта. Используя это свойство, можно не
только измерить характеристики фильтра, но и проследить динамику их
изменения при плавном введении шунта в его магнитную систему
(см. табл. 3.1).
Частота минимальных вносимых потерь. В прил. 3 приведены ре-
зультаты проведенных измерений резонансной частоты полоснопропускающего фильтра на ПМСВ. На рис. 3.10 показано изменение минимальных вносимых потерь ППФ (резонансной частоты ППФ) f0 (ГГц)
при шунтировании магнитного потока, полученное в серии экспериментов, когда j = 0.
Как видно из рис. 3.10, f0 уменьшается при введении шунта.
Потери, вносимые ППФ на резонансной частоте. В прил.3 приве-
дены результаты проведенных измерений потерь
min
, вносимых твер-
дотельным полосно-пропускающим фильтром на резонансной частоте. На
рис. 3.11 показано изменение минимальных вносимых потерь ППФ при
3. Твердотельные фильтры СВЧ на поверхностных магнитостатических волнах
86
шунтировании магнитного потока
( )
i
min
, полученное в серии экспери-
ментов, когда j = 0. Как видно из рис. 3.11, зависимость
( )
i
min
при из-
менении i от 0 до 6 имеет колебательный характер, размах которых составляет примерно 2 дБ, при i > 6 потери начинают возрастать.
Рис. 3.10. Зависимость резонансной частоты ППФ от положения шунта
Рис. 3.11. Зависимость минимальных вносимых потерь ППФ от положения шунта
3.3. Полосно-пропускающий фильтр СВЧ на ПМСВ
87
Характеристики согласования ППФ. Как и режекторный фильтр,
ППФ не только должен обеспечить требуемые характеристики пропускания
волн, но и не должен вносить рассогласование в линию передачи СВЧ.
На рис. 3.12 показана измеренная частотная характеристика КСВ
данного фильтра. Структурная схема испытательного стенда для проведения измерений коэффициента стоячей волны фильтра приведена на
рис. 3.2. Показанная на рис. 3.12 частотная характеристика КСВ измерена
в отсустствии шунтирования подмагничивающего поля. Как видно из
графика, наилучшее согласование, при котором КСВ 1,25, наблюдается
на резонансной частоте фильтра f0 4,34 ГГц.
Рис. 3.12. Характеристика согласования ППФ
Характеристики согласования, измеренные при ферромагнитном
шунтировании подмагничивающего поля, приведены в прил. 4. Анализ
экспериментально полученных зависимостей позволяет заключить, что
при уменьшении посредством шунтирования величины внешнего подмагничивающего поля минимум КСВ смещается в область нижних частот.
При дальнейшем введении шунта (i > 6) график частотной зависимости
КСВ теряет выраженные резонансные свойства (минимальные значения
КСВ) на частотах наименьшего затухания, вносимого фильтром в распространяющуюся по линии передачи волну.
Амплитудно-частотная характеристика ППФ. Как и в случае режекторного фильтра, для измерения АЧХ ППФ можно воспользоваться
испытательным стендом, структурная электрическая схема которого приведена на рис. 3.3. На рис. 3.13 представлена измеренная АЧХ полоснопропускающего фильтра в отсутствие шунтирования подмагничивающего
поля, а также его паспортная характеристика (пунктирная кривая).
3. Твердотельные фильтры СВЧ на поверхностных магнитостатических волнах
88
Рис. 3.13. Амплитудно-частотная характеристика фильтра
Как видно из графиков, показанных на рис. 3.13, полосно-
пропускающими свойствами твердотельный фильтр обладает в частотном
диапазоне от 4,2 до 4,6 ГГц, при этом минимальные вносимые потери составляют 10 дБ, ширина полосы пропускания на уровне 3 дБ примерно
90 МГц, затухание в пределах полосы заграждения более 40 дБ, ширина
полосы пропускания на уровне 40 дБ примерно 400 МГц, обратное затухание в полосе пропускания – более 30 дБ.
Левый склон частотной характеристики обладает более высокой
крутизной, чем правый. Этот результат вполне согласуется с паспортной
амплитудно-частотной характеристикой данного фильтра.
Добротность ПЗФ. Для экспериментального определения доброт-
ности Q фильтра воспользуемся соотношением (3.1) и методикой, описанной в п. 3.1.4 настоящего учебного пособия.
Как и в случае режекторного фильтра, перед подстановкой в (3.1)
измеренных значений проводится предварительная статистическая обработка результатов измерений согласно методике, описанной в прил. 5.
Таблица 3.3
Зависимость добротности фильтра
от степени шунтирования
i подмагничивающего поля
i
0 1 2 3 4 5 6
7
Q
40
49
40
36
35
43
45
41
В результате получены статистически достоверные оценки
нагруженной добротности фильтра
. Зависимость измеренных значе-
5
15
25
35
4,2 4,3 4,4 4,5 4,6
a, дБ
f, ГГц
АЧХ
Выводы
89
ний
от степени шунтирования подмагничивающего поля i приведена
в табл. 3.3.
Входящая в выражение (3.1) резонансная частота ППФ в отсутствие шунтирования магнитного потока равна 4,329 ГГц. При этом на основе данных статистического анализа измерений можно утверждать, что
значения частоты f0 определены с относительной погрешностью 0,14 %.
С такой же точностью определяются нижняя и верхняя частоты, также
входящие в выражение (3.1). Относительная погрешность измерения минимальных вносимых потерь составляет 3,48 % (
min
= 11,5 дБ). Нижняя
частота fн = 4,292 ГГц 0,09 %, верхняя частота fв = 4,399ГГц 0,14 %.
Статистически достоверная оценка добротностиполосно-пропускающего
фильтра в отсутствие шунтирования магнитного потока
40
~
=Q
.
Выводы
В данном разделе учебного пособия рассматрены вопросы экспериментального исследования характеристик твердотельных фильтров
СВЧ на поверхностных магнитостатических волнах. Описаны конструкции и принципы работы таких твердотельных фильтров. Приведены методики экспериментального исследования основных технических характеристик таких фильтров. При этом особое внимание уделено вопросам
статистической обработки результатов измерений и верификации полученных экспериментальных данных. Описанные в данном разделе подходы носят достаточно универсальный характер и могут быть использованы
не только при исследовании твердотельных фильтров, но и применительно к весьма широкому классу приборов и устройств функциональной
электроники. Большинство вопросов, подробно рассмотренных в данном
разделе, ранее в учебной литературе не рассматривались и освещались
лишь в периодических изданиях и трудах научных конференций, которые
были практически недоступны студентам.
3. Твердотельные фильтры СВЧ на поверхностных магнитостатических волнах
90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящем учебном пособии, как в предыдущих пособиях цикла,
посвященных изучению устройств, приборов и методов функциональной
электроники [1, 8], изложены физические принципы перспективных
направлений функциональной СВЧ-электроники – приборов и устройств,
использующих электромагнитные явления в сверхпроводниках, физику
цилиндрических магнитных доменов и магнитоэлектроники.
Рассмотрены физические основы описания электромагнитных яв-
лений, происходящих в материалах в сверхпроводящем состоянии. Описаны радиофизические измерительные устройства, построенные на эффектах, связанных со сверхпроводимостью. Кроме того, рассмотрены
элементы физики ЦМД, а именно: дается понятие о доменной границе,
рассматриваются возникновение и устойчивость цилиндрических магнитных доменов, критические поля и динамика ЦМД, магнитостатические
колебания в ЦМД. И, наконец, в настоящем учебном пособии рассматриваются вопросы экспериментального исследования характеристик твердотельных фильтров СВЧ на поверхностных магнитостатических волнах.
В части применения знаний в области изучения электромагнитных
явлений в сверхпроводниках следует отметить, что понимание физики
элетромагнитных явлений, происходящих в сверхпроводниках, позволило
создать приборы высокочувствительной магнитометрии: магнитометры и
градиометры на основе сверхпроводящих квантовых интеферометрических датчиков – сквидов, применение которых на практике позволило
исследовать весьма слабые магнитные поля, в том числе и создаваемые
биологическими объектами. В настоящее время сверхчувствительная магнитометрия на основе сквидов находит применение при изучении биологической активности мозга.
Уникальные свойства цилиндрических магнитных доменов используются для передачи и записи информации в компьютерах и других
устройствах вычислительной техники.
Твердотельные фильтры на поверхностной магнитостатической
волне демонстрируют прикладные аспекты магнитоэлектроники, теоретическому изучению которой посвящено предыдущее учебное пособие ав-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]