УСТРОЙСТВА НА ФЕРРИТАХ

В технике СВЧ широко применяются ферритовые устройства. Это объясняется тем, что феррит является практически единственной освоенной в производстве средой с управляемым параметром m, обладающей невзаимными свойствами. Попытки создать аналогичные приборы на магнитной плазме и сегнетоэлектриках хороших результатов пока не дали.

Переход к интегральному исполнению этих устройств представляет большой интерес. Трудность построения ферритовых приборов на микрополосковой линии связана с тем, что в ней магнитное поле линейно поляризовано. Для создания же невзаимных приборов требуется круговая или близкая к ней поляризация магнитного поля. Потому не все ферритовые СВЧ приборы можно выполнить в микрополосковой конструкции.

В диапазоне СВЧ ферриты не подчиняются принципу взаимности, т.е. их магнитные свойства «несимметричны» по отношению к направлениям распространения СВЧ-энергии. Это свойство носит фундаментальный характер и находит объяснение в «несимметричном» поведении зависимости магнитной проницаемости от СВЧ-поля для различных направлений постоянного подмагничивающего поля и его величины.

Используя эту «несимметричность» свойств ферритов, можно конструировать различные невзаимные СВЧ устройства, основанные как на поглощении СВЧ-энергии различном для разных направлений поля, так и на невзаимном фазовом сдвиге, связанном с несимметричным изменением магнитной проницаемости. Наиболее универсальными из устройств на ферритах являются циркуляторы и вентили (нагруженные циркуляторы).

Обычно, при выборе ферромагнитного материала в качестве подложки для полосковой системы, рассматривают следующие параметры.

1. Намагниченность насыщения. Это та точка, в которой общий магнитный момент перестает нарастать при дальнейшем увеличении внешнего поля. Величину намагниченности насыщения необходимо учитывать при выборе материала для приборов, поскольку она определяет низшую рабочую частоту фильтров и ограничителей. Приблизительно можно считать, что низшая рабочая частота в (мегагерцах) равна намагниченности насыщения в (гауссах).

2. Ширина линии ферромагнитного резонанса ∆H – определяет относительные потери в феррите. Ширина линии, измеряемая при ферромагнитном резонансе, аналогична ширине полосы пропускания по уровню 3 дБ обычного однозвенного фильтра. Ширина линии ферромагнитного резонанса сильно зависит от степени обработки поверхности материала: чем лучше полировка, тем уже линия ферромагнитного резонанса.

3. Анизотропия – это свойство магнитных материалов, благодаря которому магнитные моменты стремятся выстроиться вдоль определенной кристаллической оси. Она обуславливает направление преимущественного намагничивания ферромагнитного образца.

4. Температура точка Кюри Т – величина, определяющая границу, за которой намагниченность образца обращается в нуль. При расчете таких устройств как циркуляторы и фазовращатели материал подложки выбирается при выполнении условия

где ω – рабочая частота; γ – гиромагнитное отношение, равное для ферритов 2,8 МГц/эрст; 4 πµS – намагниченная насыщенность (гаусс).

ЦИРКУЛЯТОРЫ

Циркулятор выполняет функцию управления движением потока энергии.

Основная часть циркулятора – пассивное трехплечие сочленение, в котором и происходит управление СВЧ-энергией. На рис. 34. представлен циркулятор с направлением циркуляции по часовой стрелке. В трехплечном циркуляторе (рис.34) энергия входящая в плечо 1, пройдет без ослабления в плечо 2, если плечо 2 согласовано с плечом 1. Аналогично, т.к. циркулятор симметричен, энергия, входящая в плечо 2, с очень малым ослаблением выйдет из плеча 3, но будет сильно ослаблена в плече 1, причем степень ослабления будет зависеть от качества согласования других плеч. Обычно развязка между плечами составляет 20 дБ при КСВн равным 1,25.

Поэтому основными параметрами, определяющими качество циркулятора, являются потери в прямом направлении, обратные потери и КСВн.

Потери в прямом направлении называются вносимыми потерями, выражаются в децебеллах (это степень ослабления сигнала при распространении от одного плеча к следующему в направлении пропускания).

Рисунок 34 - Трехплечный циркулятор

Обратные потери – это ослабление сигнала при распространении от одного плеча к следующему по направлению, противоположному направлению пропускания.

КСВн – это значение коэффициента, которое будет наблюдаться в любом из плеч циркулятора, если остальные плечи будут нагружены на согласованные сопротивления. В настоящее время построены циркуляторы и вентили, работающие в диапазоне от 100 МГц и выше с шириной полосы от 5 до 35 %.

В настоящее время ферритовые циркуляторы классифицируют по следующим признакам.

1. По принципу действия:

− резонаторные циркуляторы – в области ферритового вкладыша имеет место электродинамический резонанс с невзаимным распределением поля, что обеспечивает режим циркуляции;

− циркуляторы на краевых волнах – работают в режиме бегущей волны, режим циркуляции обеспечивается невзаимным смещением поля;

− циркуляторы смешанного типа – работают в широкой полосе частот (октава и более) и в них могут существовать оба режима как бегущей, так и стоячей волны.

2. По типу фидера:

− волноводные циркуляторы;

− циркуляторы на симметричной полосковой линии;

− циркуляторы на несимметричной полосковой линии;

− циркуляторы на щелевой линии;

− циркуляторы на компланарной линии.

3. По уровню мощности:

− циркуляторы низкого уровня мощности (не требующие охлаждения);

− циркуляторы среднего уровня мощности (с воздушным охлаждением);

− циркуляторы высокого уровня мощности (с жидкостным или комбинированным охлаждением).

4. По длине волны:

− циркуляторы «миллиметрового» и «сантиметрового» диапазонов длин волн – работают на полях меньших резонансного значения и называются дорезонансные;

− циркуляторы «дециметрового» и «метрового» диапазонов длин волн работают в полях за ферромагнитным резонансом и называются зарезонансными.

5. По диапазону рабочих температур:

− циркуляторы работающие в лабораторных условиях (без системы термостабилизации);

− циркуляторы, работающие в диапазоне температур 150–450 °К системой термостабилизации);

− криогенные циркуляторы, работающие при температурах кипения жидкого гелия, азота, воздуха.

6. По типу схем, в которых используются циркуляторы:

− циркуляторы для обычных трактов СВЧ;

− циркуляторы для печатных схем СВЧ;

− циркуляторы для интегральных схем СВЧ;

− циркуляторы для замедляющих систем электромагнитных приборов.

Наиболее разработаны мостовые трехплечие микрополосковые Y-циркуляторы. Одна из конструкций микроциркулятора выглядит следующим образом. На заземленное основание укладывается ферритовая подложка толщиной 0,6 мм. Центральная полоска шириною 0,064 мм напыляется на феррит. В центре 120°-ного разветвления полосковой линии напыляется металлический диск диаметром 0,58 мм. Постоянный магнит имеет диаметр, несколько больший диаметра центрального металлического диска. Таким образом, намагничивается только часть феррита непосредственно в области разветвления. Прямые потери в таком циркуляторе Х - диапазона не превышают 0,6 дБ, развязка плеч не менее 20 дБ.

При включении в одно плечо циркулятора согласованной нагрузки он превращается в вентиль.

ВЕНТИЛИ

Вентилем называется невзаимное устройство, пропускающее волну в одном направлении и поглощающее волну обратного направления. Конструктивно вентиль СВЧ представляет собой отрезок линии передачи, содержащий ферритовый элемент и помещенный в магнитное поле. Вентили широко используются для «развязки» (устранения обратной связи) генератора и нагрузки и вообще различных устройств СВЧ.

В полосковом исполнении существует два типа вентилей: вентили, использующие эффект смещения поля в полосковой линии, и вентили, использующие эффект невзаимного резонансного поглощения.

Рисунок 35 - Вентиль

Принцип действия вентиля на смещении поля, выполненного на полосковой линии (рис. 35) следующий. Вентиль представляет собой отрезок полосковой линии с увеличенной шириной центрального проводника 3 по сравнению с выходными линиями. В области центрального проводника располагается поперечно намагниченная ферритовая плстинка 1, заполняющая (частично или полностью) пространство между полоской и экраном. При прохождении прямой волны распределение поля такое, что максимум электрического поля оказывается смещенным к одному из краев полоски, а при прохождении обратной волны максимум поля смещается к другому краю полоски. Если у этого края полоски расположить поглотитель 2, то получится невзаимное устройство, поглощающее обратную волну.

Распределение электромагнитного поля для основной волны в поперечном сечении симметричной полосковой линии с ферритовым заполнением описывается выражением:

, где

где , - компоненты тензора магнитной проницаемости;

- диэлектрическая постоянная феррита;

λ₀ – длина волны в свободном пространстве.

Очевидно, что вентильное отношение (отношение напряженности поля прямой волны к обратной) равно

, где d – ширина центрального проводника полосковой линии.

Таким образом, вентильное отношение (отношение прямой волны к обратной) возрастает с увеличением , и ширины центрального проводника.

Свойства вентиля, основанного на эффекте смещения поля в диапазоне частот, определяются зависимостью структуры электрического поля от частоты, т.е. постоянством величины β, которая полностью определяется величиной и характером изменения компонентов тензора магнитной проницаемости в данной полосе. Для большинства марок ферритов величина β в широкой полосе частот изменяется незначительно. Это позволяет конструировать вентили с постоянным внешним магнитным полем.

Тема 5 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ СВЧ

Требования, предъявляемые к СВЧ устройствам, обычно выражаются в виде комплекса параметров и характеристик, достаточно полно определяющих их реакцию на заданные электрические сигналы при заданных механических, климатических и температурных условиях.

Наиболее полный комплекс измерений заключается в определении распределения электрической составляющей поля с целью установления типа, а иногда и амплитуд колебаний электромагнитного поля, а также реакции измеряемого устройства на электрические сигналы.

ИЗМЕРЕНИЕ СТРУКТУРЫ ЭЛЕТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Измерение структуры электромагнитного поля позволяет установить тип колебаний, определить относительные амплитуды полей, оценить влияние неоднородностей на структуру поля, рассчитать состав пространственных гармоник поля, выявить и затем устранить многие дефекты производства. При измерении структуры поля используются зондовые методы и методы электролитических ванн. Зондовые методы можно разделить на методы активного и пассивного зондов.