Введение к работе
Актуальность темы В связи с освоением миллиметрового (мм) диапазона длин волн и разработкой новых источников СВЧ-энергии, актуальна проблема контроля и измерения параметров излучений, создаваемых аппаратурой этого диапазона. В ряде случаев требуется частотно-селективное измерение параметров излучения активных приборов СВЧ. Серьезные проблемы с адекватным измерением параметров излучений возникают при необходимости проводить измерения в широком частотном и большом динамическом диапазоне: при исследовании излучений как на основной частоте, так и на гармониках; в условиях многосигнальности в тракте СВЧ; при сверхширокополосности спектров (несколько октав); если заранее неизвестны диапазон изменения мощности излучония и область занимаемых им частот; в присутствии мощных электромагнитных помех.
Анализ современного состояния отечественной и зарубежной техники СВЧ-измерений показывает, что перспективным направлением создания частотно-селективной аппаратуры для решения указанных задач является ее разработка с использованием монокристаллических ферритовых резонаторов. В частности, созданы и успешно применяются измерители энергетических параметров сигналов и ваттметры импульсной мощности среднего и высокого уровня в см- и дм- диапазонах длин волн. В их состав входят гиромагнитные преобразователи (ГП), использующие нетрадиционный способ преобразования частоты без СВЧ-гетеродина (резонансное детектирование и кроссумножение). Работа ГП основана на стабильных нелинейных резонансных явлений в феррогранатах. Эти явления имеют место вблизи ферромагнитного резонанса (ФМР) при уровнях мощности СВЧ-сигналов, не превосходящих порог спин-волновой нестабильности, и проявляются в нелинейной (квадратичной) связи между амплитудами поперечных и продольной компонент вектора намагниченности. Спектр продольной составляющей вектора намагниченности несет информацию о мощности СВЧ-колебания на заданной частоте, воздействующего на феррит. Достоинством аппаратуры на основе ГП является отсутствие комбинационных кэналов преобразования, присущих аппаратуре, использующей традиционный гетеродинный способ преобразования частоты.
Применение высокоанизотропных монокристаллических гексаферритовых резонаторов (ГФР), позволяет продлить частотный диапазон аппаратуры для измерения энергетических параметров
сигналов в мм диапазон длин волн, не увеличивая массо-габаритные параметры магнитных систем.
Но простое копирование методов преобразования мощности и регистрации преобразованного сигнала, пригодных для дм и см диапазонов длин волн с применением слаСоанизотропных феррогранатов, невозможно при использовании ГФР в мм-диапазоне. Это связано с рядом физических особенностей ГФР, прежде всего, наличием у них внутреннего магнитного поля кристаллографической анизотропии и относительно большой (на данном этапе технологического развития) шириной линии ферромагнитного резонанса (ФМР).
Поэтому исследование стабильных нелинейных резонансных явлений в гексаферритах и физических механизмов, позволяющих регистрировать изменения компонент вектора намагниченности ГФР, и разработка на их основе преобразователей мощности мм диапазона длин волн является актуальной проблемой.
Цель работы. Развитие теории стабильных нелинейных резонансных явлений в ферритах на случай высокоанизотропных гексвферритовых монокриствллических резонаторах и разработка на их основе принципов частотно-селективного преобразования мощности для измерения энергетических параметров сигналов мм диапазона длин волн.
Методы исследования. Теоретический анализ проводится с использованием методов решения систем линейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами, теорем теории рядов, тензорного анализа, современных методов вычислительной математики. Экспериментальные исследования проводятся на макетах разработанных преобразователей и специально созданных лабораторных установках.
Обоснованность научных положений и достоверность результатов Для разработки математических моделей использованы апробированные методы решения. Проведена проверка полученных формул путем предельного перехода к известным ранее решениям, сравнения моделей меаду собой. О правильности вычислительных программ свидетельствует "стыковка" результатов, полученных различными способами, сравнение с известными результатами. Теоретические результаты подтверждаются экспериментально. Достоверность экспериментальных результатов определяется адекватным выбором методов измерения и измерительных средств с соответствующей оценкой случайной, систематической и методической погрешностей.
Научная новизна определяется следующими факторами.
1. Получено математическое описание поведения вектора
намагниченности произвольно ориентированного ГФР при "полевом" и
"угловом" управлении его резонансной частотой. Для этого
предложены два подхода: "квазистатический", использующий
статический тензор магнитной восприимчивости ГФР, и
"динамический" ("квазидинамический" в частном случае медленного
изменения резонансной частоты), при котором решается система
линейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами,
вытекающая из уравнения движения вектора намагниченности ГФР.
2. Получены формулы для описания коэффициентов прохождения,
отражения и модуляции в волноводной секции, содержащей
произвольно ориентированный ГФР с переменной резонансной частотой
с учетом сильной связи ГФР с волноводом; проанализированы условия
получения максимального коэффициента модуляции за счет выбора
оптимального начального угла ориентации ГФР и режима управления
резонансной частотой ГФР: относительной амплитуды и частоты
изменения поля подмагничивания или девиации угла ориентации ГФР.
3. Решена задача о колебании вектора намагниченности произвольно
ориентированного ГФР при воздействии на него мм сигнала,
модулированного по амплитуде и фазе. Получены формулы,
позволяющие определить оптимальную ориентацию ГФР с заданными
физическими параметрами для получения максимального
преобразованного сигнала.
4. Предложен автомодуляционный преобразователь на ГФР,
построенный по схеме "модулятор - демодулятор с обратной связью
по промежуточной частоте", разработан алгоритм и программа для
анализа условий возбуждения в нем автоколебаний и расчета
основных параметров преобразователя.
-
Проанализированы физические механизмы преобразования мощности в структуре "ГФР - полупроводниковый элемент с током" и предложены частотно-селективные преобразователи на основе ГФР, имеющие тепловой контакт с летчиком Холла или с бескорпусным полупроводниковым элементом -транзистором или диодом.
-
Экспериментально показана возможность модуляции мм волн за счет "углового" управления резонансной частотой ГФР с помощью акустических колебаний, возбуждаемых пьезопластиной. Показано, что помещение ГФР в звукопроводящую кварцевую капсулу и жесткое закрепление его при определенной ориентации повышает эффективность модулятора.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что на основе предложенного математического описания поведения вектора намагниченности произвольно ориентированного ГФР при взаимодействии с мм сигналом, составленного пакета прикладных программ, проведенных расчетов и экспериментов разработаны принципы построения частотно- селективных преобразователей мощности мм диапазона длин волн, имеющие перспективы продвижения в область КВЧ. Предложены конструкции и созданы макеты ряда преобразователей 8-мм диапазона длин волн, которые имеют практическое применение для измерения мощности излучения активных приборов СВЧ и мм диапазона на основной частоте и на гармониках.
Полученные при выполнении диссертационной работы технические решения защищены I авторским свидетельством, 2 патентами РФ на изобретения, получено 2 положительных решения ВНИИГПЭ по заявкам на изобретения.
Внедрение. Результаты работы в виде отчета по НИР и конструкторской документации внедрены на предприятии "Орион" г.Киев и применяются для измерения параметров твердотельных генераторов, активных смесителей, усилителей мощности (акт о практическом использовании результатов диссертационной работы представлен в Приложении 9).
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 20 Международных семинарах, конференциях и симпозиумах, в том числе конференциях по гиромагнитной электронике и электродинамике (ICMF*88.92.94,96), lb,If. Вепс, сомиїшрах по СВЧ форритовой технике, 3-G Крымских конференциях "СВЧ-техника и спутниковый прием", симпозиумах ISRAMT'95, ЕМТ'95, ЕМС96 (в рамках URSX), на заседании секции электрических, радиотехнических и магнитных измерений НТС ГНПО "Метрология" г.Харьков.
Публикации.Матвщят Диссертационной работы отражены в 35 печатных работах,.среди которых 13 статей в научных сборниках, 17 тезисов докладов, Ь изобретении (I авторское свидетельство, 2 патента РФ, 2 решения ВНИИГПЭ о выдаче патентов). Выпущено 12 отчетов по НИР.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и 9 приложений; содержит 231 страницу текста, из них Б9 страниц рисунков, 7 страниц таблиц, 33 страницы приложений. Библиография включает 159 наименований на 17 страницах.