P3 (Исследование параметров СВЧ-устройств)

Министерство науки, высшей школы и технической политики Российской Федераиии КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ МОСКОВСКИЙ ОРПЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛК$1ИИ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени СЕРГО ОРЛЖОНИКК13Е А.В. ВИТКО, К.Г. КЛИМАЧЕВ ИССЛЕЛОВАНИЕ СВЧ-СИСТЕМ И УСТРОЙСТВ Лабораторные работы Утв ерш дено на заседании редсовета 18 октября 1992 г Москва Издательство МАИ 1993 Витко А В, Климачев К Г Исследование СВЧ-систем и устройств: Лабораторные работы. - М.: Изд-во МАИ, 1993.— Я' с.: ил. Репензеиты: Д.Б Зимин, В,А. Сорокопуд © Московский авиалионный институт, 1993 г5ад 5-УОЗ5 ОРЛЕ 1 В лабораторных работах исследуются волноводные устройства с ферритами и фазяроваииые антенные решетки по курсу "Антенны я устройства СВЧ". Исследование ФАР леликом проводится на ЭВМ.

Наряду с методикой подготовки и выполнения работ приводятся необходимые теоретические сведения по изучаемым разделам курса. Для студентов вузов радиотехнических спепиальностей ПРЕДИСЛОВИЕ В настояшей работе приводятся описания двух лабораторных работ ( № 5, 23 ) по курсу "Антенны и устройства СВЧ", одна нз которых (№ 23) для обучения студентов ранее не попользовалась. В работе № 6 изучаются явления, связанные с прохождением электромагнитной волны через подмагничениый феррит, принципы работы и конструктивные схемы вентилей, циркуля- торов и фазоврапштелей, проводится экспериментальное исследование их параметров В новой работе № 23 изучаются принципы формирования излучаемого поля коммутационных антенных решеток и его математического моделирования с использованием ЭВМ. На ЗВМ серии ЕС в диалоговом режиме исследуются диаграммы направленности таких антенн в зависимости от структуры их решеток и вида аьшлитудно-фазового распределения.

Описание лабораторной работы № 23 составлено К.Г. Климачевым, работы № 5 — А.В. Витхо, он же является и редак- ' тором пособия в целом. Работа М 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВОДНЫХ УСТРОЙСТВ С фЕРРИТАМИ а й * щ ем электромагнитной волны через подмагниченный феррят, изучение пршшипа работы и конструктивных схем вентилей, пиркуляторов и фазоврашателей, эксдеряментальное исследование их параметров. ПОДГОТОВКА К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ Минимально необходимый для выполнения лабораторной работы материал по теории устройств с ферритами изложен ниже. Дополнительный материал имеется в книгах 11. с.

166-180), '„23,( 33. Помимо этого необходимо иметь заготовленный отчет с записью этапов работы и необходимых пояснений. ОСНОВНЫЕ УСТРОЙСТВА С ФЕРРИТАМИ Использование подмагничиваемых феррятов позволяет придать устройствам СВЧ такие свойства, которые невозможно получать при использовании обычных диэлектрических и ферромагнитных материалов. Основными устройствами СВЧ с ферри- тами являются вентиль, фазоврашатель, гиратор, перестраиваемый фильтр и пиркулятор Первые четыре устройства являются четырехполюснвками, пнркулятор чаше всего имеет тря либо четыре плеча Вентиль — четырехполюсник, пропускаюший электромагнитную волну в одном направленяи (прямом) с малым затуханием, а в противоположном (обратном) — с большим затуханием, Вентили применяются для зашвты генераторов СВЧ от изменений сопротнвления нагрузки в качестве развязываюших элементов измерительных установок.

ь ве $ го фаза электромагнитной волны в выходком плече по сравнению с фазой волны во входном плече меняется под воздействием управляюшего фактора. (Намного реже используются фазоврашатели в вняв двухполюсинка, у которого выходное плечо совмешено с входным). В феррнтовых фазоврашателях управляю шим фактором является электрический ток в обмотке подмагннчивания. Фазоврашатели используются в ввтенных решетках для изменения взаимной фазировки полей излучателей, в измерительной технике, для получения фазовой модуляпии сигнала.

Г~)ать - невзаимяый фазосдвигатель (фазосдвигатель— неуправляемый фазоврашатель), у которого фаза электромат о нитной волшя в выходном плече меняется на 180 при перемене направления движения волны на противоположное. Гяраторы используются в более сложных невзаимных.. устройствах Перестпанваемый й~зр — четырехполюсник, у которого частотная зависимость коэффвпиента передачи может изменяться под воздействием управлявшего фактора; для фильтра с ферритом — под воздействием подмагничивакхпего поля ПяркулПср — невзаимный многополюсжнк с тремя и более плечами, в котором соблюдается определенная последовательность передачи мопшости от плеча к плечу. СВОЙСТВА И ПАРАМЕТРЫ фЕРРИТОВ феррит магнитодиэлектрический материал с относительной щкэлектрнческой пронипаемостью с = 6-16 и тангшюсем Угла диэлектРическнх потеРь ~д Д 10 й — 10 3 с кристаллической структурой; подмагниченный феррит обладает гиромаь нитными свойствами, обусловленными особым поведением электронов в атомах крясталлической решетки.

Внешне полнкристаллический феррит наиболее часто используемых марок напоминает керамику темного пвета. Структура обычных поликрнсталляческих феррвтов предсчввляет собой совокупность небольших, объемом 10-9, -6 з 10 см, намагниченных до насыщенна областей — доменов, состояших из большого числа атомов. В пределах одною домена магиятные моменты всех атомов ориевтирова- 6 ны параллельно друг другу даже без воздействия внешних сил.

В обрвзпе феррита без подмагничиваюшего поля ориентация векторов намагниченности доменов хзотичнз, и обрезец в целом не намагничен. При создании постоянного подмагиичиваюшего поля вектора намагниченности доменов имеют тенденшпо ориентироваться в направлении этого поля и тогда возникает нвмагниченность всего образца в целом Магнитная проницаемость ферритов ~М без подмагничивающего поля является скалярной комплексной величиной, мнимая честь которой, как известно, связзнэ с переходом электромагнитной энергии в тепло. Вел а е ств ль о части относительной мзгнитной оницаемости е итов для назона име но а е в диапазоне низких н средних радиочастот она может достигать больших значений — до нескольких тысяч (2000 - ЗООО для марганец-цинковых ферритов). При скалярной магнвтяой проницаемости среды ф~Жп соотношение между высокочастотным вектором магнитной индукции В и вектором напряженности магнитного поля Я простое: в-р Х.

(5.1) Из этого соотношения следует, что вектор 3 парэллелен вектору Я и практически синфазен с ним, поснольку тангенс угла магнитных потерь в феррите много меньше едиивцы. При наличии подмвгничивающего поля феррит становится гиромагнитной средой вследствие прецессионных свойств электронов. В этом случае магнитная пронипаемость феррита становится тензорной величнной ( /Й ) и соотношение между векторами 8 и К усложняется: В ~Як ) Х . (5.2) При ориентации подмагничиваюшего поля Х вдоль оси 2 декартовой системы координат /~за ~~му 0 6Мху Р~, 0 о (:) р (л) = приН О, М вЂ” О, з,и — Р о ' ~~у ' ~ау а (5.3) Из соотношений (5 2) и (В,З) следует, что .в подмагняченяом феррите в общем случае векторы»э и У не цараллельны друг другу и не сиифазны.

Если же за основу рассуждений взять ие линейный вектор напряженности магнитного поля Я, изменяющийся во времени, а вращающийся вектор )у (либо Й ) с неизменной амплитудой, то в этом случае соотношение в~ежду ним. и вращающимся вектором магнитной индукции В+ (либо 3 ) спределяегся скалярной магнитной проницаемостью»И.

l »э+ = /Ир /Н, (лн ~/Юз э/Иу /3~, Д /и, /( б Х =/Фд, ° (5. 4) + Иа рис. 5.1 показана зависимость действительная/М+ ~уФ') ~ ~й»»п.- » н мнимый ~~»»( р" ) » . /'»» частей магнитной про цицаемости феррита 1 ф для правого направче- 2й)( ния вращения аысоко- ц! частотного магнитного лолч Я и левого // г ц» от величжы подмагнн- () Нэ чиваюшего поня ф, А Для цравоврашаюшегс- Б ся поля Я+ (векторй+ о врэшае гся по часовой стрелке, если смотреть по полю Яа ) графики ьшгнитной проницаемости /й+= /Ф+ + ~~4+ и"еют резонансный характер При ферромагйитном реэонайсе мнимая составляющая»н»», учитываихцая потери в феррите, макснмаль- » т' иа. В этом случае резонанс возникает при совпадении направления вращения выоэкочастотного магнитного поля с направлением препессни магнитных моментов электронов и равенстве собственной частоты прецессии частоте возмущающего высокочастотного поля.

Собственную частоту прецессии Д„можно определить нэ соотношения ~'- Иа ° (В.б) где ~ = 3,5 10 МГй — гиромагнитный параметр электрона. А'м 7 Для поля Й- его направление врашення и направление вращения препессии электрона протввоположны, вследствие чего резонанс невозможен и значение ~Ж мало. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ФЕРРИТЕ х~щ ° ~~и~~а рищав. п р р ной энергии в феррите имеют место как при подмагннчнваюшем поле, так и без него В последнем случае преобладают диэлектрические потери, которые в лучших марках феррита невелики поскольку достижимая величина тангенса угла диэлектрических потерь может быть меньше 10 Э. Из магнитных потерь наиболее существенными являются потерв, обусловленные резонансными явлениями, наблюдаемыми как в сильных, так и в слабых водмагничвваюших полях В области слабых полей найподается явление размытого по частоте резонанса, вызванного колебаниями гранил доменов, Каждый домен имеет свою собственную резонансжую частоту, а поскольку размеры доменов разные, то в совокупности это приводит к размытому по частоте резонансу.

который проявляется на частотах 10-100 МГд В области длинных сантнметровых и деанметровых волн (9-60) см имеет место так называемый "естественный ферромажвтиый резонанс физическая природа этого резонанса связана с проявлением действия сял, стремяшихся узтановнть мат нитные моменты доменов вдоль осей легкого нема гничввання Ось легкого намагничивания в феррите совпадает с таким направлением подмагнвчиааюшего поля, прв котором насыщение наступает дри его наименьшей напряженности.

Резонансные явявления в этом случае возникают благодаря появлению упругих сил сов а. 3, =20сл /Ь'~оси противления Ю б / ~ Лотери при малых подо ! $ матвичнваюших полях, коГ l торые называются "иачальвымв потерями", при алв- 0 нах волн менее 2-3 см "э невелвки, так как эти вол- ны значительно меньше реРис.

5.2 зонансных длин волн доме- нов С увеличением длины волны начальные потери возрастают (рнс 5.2). При определенных величинах подмагничиваюшего поля и частоте поля СВЧ в феррите возникают потери, обусловленные ферромагнитным резонансом в связи с прецессиониым движением электронов Магнитные свойства ферритов, так ж. как и всех ферромагнетиков, объясняются иескомпенсировапными синцовыми моментами электронов на одной из их атомных орбит. При ферромагнитном резонансе мияьйы часть магнитной проницаемости феррита „ф +, обуславливаюшая потери 1 волн с правым направлением врашения нх магнитного поля, достигает максимального значения (см рнс.