Исследование ферритовых СВЧ-устройств. Под ред. Н.А.Бея (2007)

Исследовавие ферритовых СНЧ-устройств: Метод. указай ЗИ9 имя я лабораторйой работе С.Г1. Друкарейво, Р.В. Юмятйв, В.й.Митрохив и др.; йод рел. В.А. Бея, — Мс йзуово МГГУ йм, й.З. Баумайа, 2007. — 24 сл вл. ДВИО Оойсаиие кОйструкиви й Орйвиипа действйя феррйтовия СВЧ-устройств, укааайа иетоийва Вксвсрйк1ейталквото и расчесвОГО (ИО реаулктатаи косвеаиых итмерейий) Оврслсленйя ййтрий рассеяййя Вевтйля, Ииркуляторз, Ваайийото й нсвзавмното фавовра1иателей, 1В.В студеитов спедиальйости араииоалеквройвые систе- '.Д" б21.29Уб7Р ББК 32,845 й Мт РУ вв '1Р В 1йоиала, 2ОО." Дюьрабаигы — исследование ферритовых СВЧ-устройств; вентиля„'1'-цнркулятора, Взаимного и невзанмггого фвзовра1цагелей; Ознакомление с тнновымн конструкцияыи устроЙ~~~ и лаоорато11- ными стендамк для их исследОвания; измергн1не злемснтОВ матриц рассеяния устройств.

Порп)ок В1кгкьтнення риботы. 1. Изучить теоретнческу1о асть. 2. Ознакомит~с~ с конегрукцняын Ч1еррнтовых устроЙСТВ н стендами для исследования их характеристик. 3. Вьшолнить необходимые расчеты. 4. Провести зксиернментальные исследования устройств. 5. Обработать результаты зкспернментов. 6. Составить отчет по выиолненнОЙ работе. СВОЙства феррита, намВГничсннОГО Внеизним полем Нв В каком- либо направлении, в диапазоне СВЧ Определя1отся дизлектрн 1ескОЙ проницаемосзыо с .= В + 1с и тензОрОм маГнгггнОЙ прО- ницаемости 11 гг1. Элементы тензора р11 В 001цем случае явля1Отся комплехспыми числами и зависят иг марки и состава ферритовой среды, частоты колебаний„амнлитуды СВЧ-сигнала, темперагуры, нанравления и значения напряженности НВ внешнего поля подмагничнвания.

3 СБЧ-устройстве с намагниченной ферритовой средой МОГУТ ИМЕТЬ МЕСТО СЛЕДУГО1ЩНЕ ЯВЛЕНИЯ: — изменение Постоянной раснрострапення волны в линии передачи с продольно или поперечно намагниченным феррнтом; — ферромагнитный резонанс иа частоте у =- уоа, где у -- по ромагиитное отиошенис„. — эффект Фарадея -- явление поворота плоскости поляризации лицейио поляризоваииой вопим при продольиом отиосительио иаправлеиия распростраиеиия волны иамагиичивании феррита; --- эффект ксмещекия поляк заключаюгцийся в измеиении распределения СВЧ-поля в волноводиой сгрук1уре с иамагничекиой ферритовой средой.

С использоваиием перечислениых выше явлений создают СВЧ- устройства для управлепия амплитудой, фазой, поляризацией электромагиитных волн. Устройства могут бьнь взаимиые и иевзаимные, диссипативные и иедиссипативные, регулируемые и с фиксированными параметрами, К числу взаимиых относятся усгройствж удовлетворяющие требованиям теоремы взаимности относительио двух любых входов при произвольио установлеиных режимах иа остальных входах. Устройство называют иедиссипагивиым, если в кем измеиеиие амплитуды злектромагиитной волиы осугцествляется не за счет потерь СВЧ-энергии.

При приближсниом ~инженерном) расчете СВЧ-устройств использукжся методы теории цепей и длнииых лилий. Для СБЧ-устройств с тт плечами ~рис. 1), каждое из которых является одноволновым. строят зквивалентпую схему в виде искоторого 2 У-полюсника. Комплексиые амплитуды ю Ю ю волн падакипих на *го входы, и волк, от- 2 ( ~ ~„:. ражеииых ОГ згих входов, ',оювлетворяют системс яиией~ьж ~еодп~~ждных а~~- 2 Й ', ', брак ческих уравиевий и-1 и",'- ~Ь.„и„'"; =-1,э,...,х, Л~ Рвс. 1 ч= 1 которую более кратко можно записать в матричиоы виде Здесь У„', Ь„, — — комплексные амплитуды падающей и Отраэкенд-) иой воли на вход~ и выходе с номерами и в гл, пронормироваиные таким ооразом, что ~Ь„~ и ~б„~ равны мощностям, переносимым этими волнами; 5„„, — — комплексное число, определщощее Вклад Волны единичной амплитуды, падакзщей иа л-й вход, в волну, уходящую готражеину1О) от .и-го входа; 1ьл ы1 и; юг '1-- матрицы- столбцы падающих н отраженных волн.„15'1 — матрнца рассеяния 2М-полюсннка, Для прииятОЙ Выше ИО1эмирОвки элемент матрицы 5уру при гв =- л представляет собой коэффициент Огражеиня падающей Волны От Входа с ИОме1юм гл п1эи услОвии чтО ко Вс( м остал ьнь и пле чам усгройсгва подключены согласовыгные нагрузки.

При т ~ в элемент 5, „представляет собой коэффициент передачи волны по пап1зягкеннкз из плеча и В плечо кл п1зи том же условии. Матрица рассеяния неднссипагивного 2М-полюсвика обладает следуюгцими сВОйстВами. 1. В4атрица рассеяния взаимного устройства симметрична. т.

с. для нее 151 = 15 1„где 15 $ — матрица, транспониронанная по отношению к матрице 151. 2. Матрица рассеяния как взаимного, так и иевзаимного устройства является унитарной: где " -- знак комплекспщ О сопряжения злемеитОВ. 3. ь'".умма квадрвгов мо;:,1учзей всех элементов ЛЮбого стопова мат1зицы равна единице; 15„,,„1 Ж 1;, в = 1„2,,, зб 4. Для взаимного устройства условие 14) справедливо ив только для элементов ~~олбцов, но и для элементов строк гипрпцы 1$~: Очевидно.

что для днссипагнвного устройства условие баланса моп~носз н 14) не выполняется н для любого л имеет место неравен- СТВО Ф ~" 15.„~-' < 1. 1б) т-.о 'рахим образом. для полного описания невзанмного устройства с .Х плечами и одноволновыми входами плеч необходимо знать Уз параметров. В случае ьхе взаимного устройства с учетом равенства злементов матриц 5,, = 5„число иезавнсимь.х параметров «'меныпается.

Если известны все злемснты матрицы рассеяния «"стройства, то могут бьггь найдены его основные внегпние параметры: козффицнен г стоячей волны 1КСВ) на входе и-~ о гглеча КСВ„.=11+ 15мм1)Я1 —,.'5 1); входное сопротивление гл-го входа с волновым сопротивлени- Р, 7„,, = Р„,~1+5„м)П1 — 5 ')„' 18) переходное зегуханне между плечамн с нОмерами гл и л Х.м, -- 10 1д ,'5 „) ' . Для оп1зедслення адамантов матрицы рассеяния СГзЧ-«стройстве ВыпОлняют ряд прОстых знспериментОВ. Рассмотрим„например.

Задачу нахождения злемектсв 5 и, 5 ы, 5С~ и 5 з п)зоизвольнОТО М-пленного «строиства с ОдноволноВымн входамч (выходами). 1)усть асе плечи с номерамн л > ~ вагр«ьхены на согласованные нагрузхи, а х Выход«' плеча 2 п)знсоедннена на~~фзха с соп)хгтнвленнем хп.

даюгдим хозффициенз от~~®ения Гн. учитывая. что в рассматриваемом случае Ь,' ' =. т п1:, пз системы уравнении 11) находим 1/1, ~ = 5 и Б;,~ + 5 ы ГЗ; Ьч" 1. У„', ' = 5З~ 1.'~;,1+ 5з ГИЬ;''. «)пределив из Второго уравиеаил ОТИОП1еиие «:~, '/«.1 и подста- ВЙВ его В перВое. Получим 5 ы5з1Г, 311+ — ' — "' ' = Г «11» 1-5'К,ГВ1 'де Г; = ВИ1/б3: — зфф1КП Отр .е в; ынавхОде ча 2 при подпкл1очеиии к выходу плеча 2 иагрузки с коэффициеитом отражевил Гл 3 аким образом, измерив иесколько зпачси11Й Гп «1 =- 1,2, 3) длл рада зпачеиий коэффицвеита 1зь моткио из соотио11гепил «11) подув чить систему алгебраических уравиеиий для расчега искомых злемектов матрицы расселпил.

Рассмотрим ряд наиболее просто реализуемых нагрузок плеча 2. 1. К выходу плеча 2, име1О1пему волиовое сопротивление р,. подхзпочеиа согаасоваипал иа1р)зиа, Т.е. УВ1 = рз. ТВК КВК В этом случае ГЛ1 = О, *О из 1'11) следует п11 '= Гы. 2. Выход пле а 2 закорочен, т. е. 7зз = «». При этом Гз =. — 1 и из уравиениа «11) получим 31, — — -" ' =Гпь Ь'1ЛЯВ1 «13) 1 ч-Язз 3. Выход плеча 2 разомкйут. Этот Вид иагрузки реализуетсл подкл1очеиием к Выходу плеча 2 Отрезка линии передачи с Волновым соиротивлепием рз длииой )з =- ).и „'4, закорочеиио1О Ва копие.

В этом случае Е.з -+ ж; Гзз =- 1, и из соотпоп1еиил «11) находим третье уравиеиие системы Ь'11+ =' = Ггп Д 1ДЛЗ1 «14) 1 — Яр 1'овместио регпив систему уравнеиий «12), «13) и «14), получим форм~Хм для расчета злемептов матрицы рассекиил Ь'*,1 =- Г11,' Г11+)ы — 2ГЫ 52- = ГЫ вЂ” 1и 2«Г11 — Г1Л)«Г11 — Г11'1 51ЛУВ1 =- Г11 — ГО Как видно из уравнений (15), рассматриваемая методика позволяет рассч11зать лишь произведение злементов 5гд и 5з1.

Если Ж-нлечное устройство взаимное О51з = 5з1), то по формулам (15) определя1отся Оба элемента. Если жс устройство невзаимное, то неооходнмо один нз злеыегггов (51зили 5-1) Определить независимо„например экспериментально, а другой рассчитать по последней формуле (15). Очевидно, что для нахождения значений других злеыентов матрицы рассеяния 11"-плечного устройства необходимо реализовать описанную выше процедуру измерений и расчетов не1ависнмо для каждой пары е1.о плеч. Ои представляет собой иевзаимное развязываю1цее устройство, используемое для устранения влияния рассогласОвания трак1а на работу генератора СВЧ-колебаний (рнс. 2).

Назначение вентнля-- зффек1нвно поглогцать Отраженную волиь*, прог1уская 1тадпОщу1О волну с минимальными потерями. Вентиль — ого невзаимный чстырехполюсннк с матрпцей рассеяния (~У = 2) -("' "*) 5з1 5зз Если вход 1 и выход 2 вентиля согласованы (см, рис. 2, а), то для здементов матрицы справедливы соотношения ~511~ «1; ,'5зз! «1: 151з1 «1; 15з1! =- 1. Б ферритовых веггп1лях используются явление ферромагнитного резонанса или аффект ксмегцения полян. Б резонансных вентнл11х Отраженная волна поглошается непосредственно ферритом, а в вснтилях, рабогаю1цих 1га зффе1сге ксме1цеиия полая, — - поглоцтаюшей п11енкой, нанесенной на поверхность ферритовой пластины.

На рнс. 2, а показано принятое ооозначение феррнтового вентиля. Здесь неперсчеркну1ая стрелка указывает 1ьа прямое направление распространя1О1цейся волнь1 с виоснмь1мп 1ютеоямн 1:1 = О,2дЬ, а перечеркнутая -- обратное нгизравление с вносимыми гнггеряын 21з =- 2ОЛБ, Вв рис.",б н 2,ч ~о~аз~ны продольное и поперечное сечения ферритового вентиля, работа1ошего на аффекте ясмеп>сння Ноля», а на рнс. 2,е — — распреяелейне Поля Ед>х) ляя прямой н обратно>) волн. Вентиль вь>полнея >та основе Йрямоутольно>О во;>неволя > с волноп тяпа О>с, .солар>кнт феррате>вт>о йластнву 2, ЙОГЯО>на>ой>я>о Йлейк> 3 н»остояннь>й маГнн> 4, наь>а>ннннвак>Й>нй Йластнну 2 в направленнн Осн О;*.