ПРИСТРОЇ НА ФЕРРИТАХ
У техніці НВЧ широко застосовуються феритові пристрої. Це пояснюється тим, що ферит є практично єдиним освоєним у виробництві середовищем з керованим параметром m, що володіє невзаємними властивостями. Спроби створити аналогічні прилади на магнітній плазмі та сегнетоелектриках хороших результатів поки що не дали.
Перехід до інтегрального виконання цих пристроїв має великий інтерес. Проблема побудови феритових приладів на мікросмужковій лінії пов'язана з тим, що в ній магнітне поле лінійно поляризоване. Для створення невзаємних приладів потрібна кругова або близька до неї поляризація магнітного поля. Тому не всі феритові НВЧ прилади можна виконати в мікросмужковій конструкції.
У діапазоні НВЧ ферити не підпорядковуються принципу взаємності, тобто. їх магнітні властивості «несиметричні» стосовно напрямів поширення НВЧ-енергії. Ця властивість носить фундаментальний характер і знаходить пояснення в «несиметричній» поведінці залежності магнітної проникності від НВЧ-поля для різних напрямків постійного поля, що підмагнічує, і його величини.
Використовуючи цю «несиметричність» властивостей феритів, можна конструювати різні невзаємні НВЧ пристрої, засновані як на поглинанні НВЧ-енергії різному для різних напрямків поля, так і на невзаємному зсуві фазовому, пов'язаному з несиметричною зміною магнітної проникності. Найбільш універсальними з пристроїв на феритах є циркулятори та вентилі (навантажені циркулятори).
Зазвичай, при виборі феромагнітного матеріалу як підкладка для смужкової системи, розглядають такі параметри.
1.Намагніченість насичення. Це та точка, у якій загальний магнітний момент перестає наростати при подальшому збільшеннізовнішнього поля. Величину намагніченості насичення необхідно враховувати при виборі матеріалу для приладів, оскільки визначає нижчу робочу частоту фільтрів і обмежувачів. Приблизно вважатимуться, що нижча робоча частота в (мегагерцах) дорівнює намагніченості насичення в (гаусах).
2.Ширина лінії феромагнітного резонансу∆H– визначає відносні втрати у ферриті. Ширина лінії, що вимірюється при феромагнітному резонансі, аналогічна ширині смуги пропускання за рівнем 3 дБ звичайного одноланкового фільтра. Ширина лінії феромагнітного резонансу залежить від ступеня обробки поверхні матеріалу: що краще полірування, то вже лінія феромагнітного резонансу.
3.Анізотропія– це властивість магнітних матеріалів, завдяки якому магнітні моменти прагнуть вишикуватися вздовж певної кристалічної осі. Вона обумовлює напрямок переважного намагнічування феромагнітного зразка.
4.Температура точка Кюрі Т- величина, що визначає межу, за якою намагніченість зразка звертається в нуль. При розрахунку таких пристроїв як циркулятори та фазообертачі матеріал підкладки вибирається при виконанні умови
де - робоча частота; γ – гіромагнітне відношення, рівне для феритів 2,8 МГц/ерст;4πµS– намагнічена насиченість (гаус).
Циркулятор виконує функцію керування рухом потоку енергії.
Основна частина циркулятора - пасивне триплечі зчленування, в якому і відбувається управління НВЧ-енергією. На рис. 34. представлений циркулятор з напрямом циркуляції за годинниковою стрілкою. У триплечному циркуляторі (рис.34) енергія, що входить у плече 1, пройде без ослаблення в плече 2, якщо плече 2 узгоджено з плечем 1. Аналогічно, т.к. циркулятор симетричний,енергія, що входить у плече 2, з дуже малим ослабленням вийде з плеча 3, але буде сильно ослаблена в плечі 1, причому ступінь ослаблення залежатиме від якості узгодження інших плечей. Зазвичай розв'язка між плечима становить 20 дБ приКСВнрівним 1,25.
Тому основними параметрами, визначальними якість циркулятора, є втрати у прямому напрямку, зворотні втрати таКСВн.
Втрати у прямому напрямкуназиваються внесеними втратами, що виражаються в децебелах (це ступінь ослаблення сигналу при поширенні від одного плеча до наступного в напрямку пропускання).
Малюнок 34 - Триплічний циркулятор
Зворотні втрати- це ослаблення сигналу при розповсюдженні від одного плеча до наступного за напрямом, протилежним напрямом пропускання.
КСВн- це значення коефіцієнта, яке буде спостерігатися в будь-якому з плечей циркулятора, якщо інші плечі будуть навантажені на узгоджені опори. В даний час збудовані циркулятори та вентилі, що працюють в діапазоні від 100 МГц і вище з шириною смуги від 5 до 35%.
В даний час феритові циркулятори класифікують за такими ознаками.
1.За принципом дії:
− резонаторні циркулятори – в області феритового вкладиша має місце електродинамічний резонанс із невзаємним розподілом поля, що забезпечує режим циркуляції;
− циркулятори на крайових хвилях – працюють у режимі хвилі, що біжить, режим циркуляції забезпечується невзаємним зміщенням поля;
− циркулятори змішаного типу – працюють у широкій смузі частот (октава і більше) і в них можуть існувати обидва режими як хвилі, що біжить, так і стоячої.
2.За типом фідера:
− циркулятори на симетричнійсмужкової лінії;
− циркулятори на несиметричній смужковій лінії;
− циркулятори на щілинній лінії;
− циркулятори на компланарній лінії.
3.За рівнем потужності:
− циркулятори низького рівня потужності (що не потребують охолодження);
− циркулятори середнього рівня потужності (з повітряним охолодженням);
− циркулятори високого рівня потужності (з рідинним або комбінованим охолодженням).
4.За довжиною хвилі:
− циркулятори «міліметрового» та «сантиметрового» діапазонів довжин хвиль – працюють на полях менших резонансного значення та називаються дорезонансними;
− циркулятори «дециметрового» та «метрового» діапазонів довжин хвиль працюють у полях за феромагнітним резонансом та називаються зарезонансними.
5.За діапазоном робочих температур:
− циркулятори, що працюють у лабораторних умовах (без системи термостабілізації);
− циркулятори, що працюють у діапазоні температур 150–450 °К системою термостабілізації);
− кріогенні циркулятори, що працюють при температурах кипіння рідкого гелію, азоту, повітря.
6.За типом схем, у яких використовуються циркулятори:
− циркулятори для звичайних трактів НВЧ;
− циркулятори для друкованих схем НВЧ;
− циркулятори для інтегральних схем НВЧ;
− циркулятори для уповільнювальних систем електромагнітних приладів.
Найбільш розроблені мостові триплечі мікросмужковіY-циркулятори. Одна з конструкцій мікроциркулятора виглядає так. На заземлену основу укладається феритова підкладка завтовшки 0,6 мм. Центральна смужка шириною 0,064 мм напилюється на ферит. У центрі 120°-ного розгалуження смужкової лінії напилюється металевий диск діаметром 0,58 мм. Постійний магнітмає діаметр, трохи більший за діаметр центрального металевого диска. Таким чином, намагнічується лише частина фериту безпосередньо в галузі розгалуження. Прямі втрати в такому циркуляторі Х-діапазону не перевищують 0,6 дБ, розв'язка плечей не менше 20 дБ.
При включенні в одне плече циркулятора узгодженого навантаження він перетворюється на вентиль.
Вентилем називається невзаємний пристрій, що пропускає хвилю в одному напрямку і поглинає хвилю зворотного напрямку. Конструктивно вентиль НВЧ є відрізок лінії передачі, що містить феритовий елемент і поміщений в магнітне поле. Вентилі широко використовуються для «розв'язування» (усунення зворотного зв'язку) генератора та навантаження та взагалі різних пристроїв НВЧ.
У смужковому виконанні існує два типи вентилів: вентилі, що використовують ефект зміщення поля в полосковій лінії, та вентилі, що використовують ефект невзаємного резонансного поглинання.
Малюнок 35 - Вентиль
Принцип дії вентиля на зміщенні поля, виконаного на лінії смуги (рис. 35) наступний. Вентиль являє собою відрізок смужкової лінії зі збільшеною шириною центрального провідника 3 порівняно з вихідними лініями. В області центрального провідника розташовується поперечно намагнічена феритова плстинка 1, що заповнює (частково або повністю) простір між смужкою та екраном. При проходженні прямої хвилі розподіл поля такий, що максимум електричного поля виявляється зміщеним до одного з країв смужки, а при проходженні зворотної хвилі максимум поля зміщується до іншого краю смужки. Якщо у цього краю смужки розташувати поглинач 2, то вийде невзаємний пристрій, що поглинає хвилю зворотну.
Розподіл електромагнітного поля для основної хвилі у поперечномуперерізі симетричної смужкової лінії з феритовим заповненням описується виразом:
, де
де - компоненти тензора магнітної проникності;
- діелектрична постійна ферита;
λ0 – довжина хвилі у вільному просторі.
Очевидно, що вентильне відношення (відношення напруженості поля прямої хвилі до зворотної) дорівнює
де d – ширина центрального провідника смужкової лінії.
Таким чином, вентильне відношення (відношення прямої хвилі до зворотної) зростає зі збільшенням і ширини центрального провідника.
Властивості вентиля, заснованого на ефекті зміщення поля діапазоні частот, визначаються залежністю структури електричного поля від частоти, тобто. сталістю величини β, яка повністю визначається величиною та характером зміни компонентів тензора магнітної проникності у даній смузі. Для більшості марок феритів величина в широкій смузі частот змінюється незначно. Це дозволяє конструювати вентилі із постійним зовнішнім магнітним полем.
Тема 5 МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ПРИСТРІЙ СВЧ
Вимоги, що пред'являються до НВЧ пристроїв, зазвичай виражаються у вигляді комплексу параметрів і характеристик, які досить повно визначають їхню реакцію на задані електричні сигнали за заданих механічних, кліматичних та температурних умов.
Найбільш повний комплекс вимірювань полягає у визначенні розподілу електричної складової поля з метою встановлення типу, а іноді амплітуд коливань електромагнітного поля, а також реакції вимірюваного пристрою на електричні сигнали.
ВИМІР СТРУКТУРИ ЕЛЕТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ
Вимірювання структури електромагнітного поля дозволяє встановити тип коливань, визначити відносніамплітуди полів, оцінити вплив неоднорідностей на структуру поля, розрахувати склад просторових гармонік поля, виявити і потім усунути багато дефектів виробництва. При вимірі структури поля використовуються зондові методи та методи електролітичних ванн. Зондові методи можна поділити на методи активного та пасивного зондів.