Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время весьма актуальной является
проблема измерения пространственно-временных характеристик мощных
СВЧ радиоимпульсов. В первую очередь это касается одиночных и редкопсвто-
ряющихся импульсов. Такие СВЧ радиоимпульсы возбуждаются различными
классами специальных источников СВЧ колебаний. Причем, по-видимому,.
можно утверждать, что ведущую роль среди них занимают СВЧ генераторы на
[.-лятивистских электронных пучках [1,2]. Режим мощных одиночных сигналов
сложен. Это связано с тем, что параметры радиоизлучения в импульсе могут
существенно меняться от импульса к импульсу. Обычно на практике такая
картина и наблюдается. К тому же -генерацию мощных одиночных импульсов,
когда речь идет об уровнях СВЧ мощности превышающей единицы и десятки
гигаватт, сопровождает высокий уровень низкочастотных радиопомех. Кроме
того, все разработанные к настоящему времени генераторы для обеспечения
высокого уровня СВЧ мощности используют волноведущие системы, работаю
щие не на основном, а на высших типах колебаний. . В результате происходит
усложнение структуры электрического и магнитного полей' в области излуче
ния, особенно в ближней ее зоне. Поэтому при изучении воздействия мощного
СВЧ импульса на локальные объекты необходимо проводить дополнительные
исследования этой структуры поля, гарантируя при измерениях, что сама
конструкция измерительного датчика не искажает его электрических и магнит
ных компонент. Отмеченные обстоятельства приводят к тому, что практически
все известные методы измерения параметров радиоимпульсов становятся
непригодными для исследования одновременно всех рабочих параметров
мощных одиночных СВЧ радиоимпульсов. -.
Большинство из известных измерителей напряженности электрического или магнитного поля не позволяет в .-режиме генерации мощных одиночных СВЧ радиоимпульсов обеспечить необходимые измерения, поскольку выходной информационный сигнал появляется одновременно с импульсными низкочастотными радиопомехами высокого уровня. Поэтому в реальной конструкции измерителя необходимо либо повышать амплитуду исследуемого сигнала выше уровня помехи (достигающего величины в 50-100В и даже выше), либо задерживать его во времени. Бесспорно, второй путь является наиболее перспективным. И такую задержку сигнала можно обеспечить, если воспользоваться принципами акустоэлектроники. Поэтому именно такой подход и данный принцип обработки мощных СВЧ импульсных сигналов и был выбран при выполнении диссертации. При этом одновременно ставились задачи решить и вторую важную проблему, связанную с g-ем, чтобы при измерениях разработанная и используемая аппаратура не искажала собственную структуру исследуемых электромагнитных полей.
Поиск и анализ эффектов, необходимых для выполнения поставленной задачи, показал, что весьма интересными и перспективными являются электро-
магнитострикция, а также нелинейный пьезоэлектрический и пьезомагшптшй эффекты в нелинейных электротмагнито-акустических кристаллах [3,4]. -благодаря—нм-^нешни? электрические и магнитный поля могут изменять, скорость акустических волн в кристаллах, а также, что в ряде случаев оказывается особенно интересным и полезным, или являться их источником. Таким образом, с использованием акустических волн можно включать, запоминать и задерживать во времени информацию о внешнем воздействии.
Следует отметить, что разработка указанных измерительных устройств ндиОзлсс—эффективна—jia—поверхностных акустических волна?: (ПАВ), обладающих на практике рядом преимуществ. Это связано с тем, что, во-первых, ПАВ локализованная вблизи поверхности, не требует звукопрово-дов значительного поперечного сечения, которые могут сильно исказить пространственное распределение исследуемых полей, и, во-вторых, с помощью ПАВ можно измерять пространственное распределение вдоль любой поверхности, если радиус ее кривизны »Япав [5].
В этом плане также весьма перспективными являются акустические волны, распространяющиеся в тонкігх пластинах (АВТП) [6]. В последнее время интерес к таким волнам резко повысился [7,8]. Обладая всеми преимуществами ПАВ они отличаются более высоким коэффициентом электромеханической связи и возможностью распространения в контакте с жидкостями без значительного затухания. Кроме того, в отличие от ПАВ, звукопроводы для таких волн характеризуются значительно меньшими поперечными размерами. Отмеченные особенности приводят к понижению степени искажения структуры исследуемого поля, а для достижения необходимой при измерениях напряженности поля требуются меньшие значения электрического напряжения. Поэтому исследованию особенностей распространения ПАВ и акустических волн в тонких пластинах нелинейных кристаллов и изучению возможности использования этих особенностей для диагностики параметров мощных одиночных СВЧ радиоимпульсов в диссертации уделяется значительное внимание.
Цель настоящей работы состоит в: -
— теоретическом и экспериментальном исследовании влияния внешних
. электрических, магнитных и тепловых полей на характеристики ПАВ и
акустических волн в тонких пластинах;
разработке на основе ПАВ и акустических волн в тонких пластинах измерителей параметров мощных одиночных СВЧ радиоимпульсов, не вносящих в сравнении с известными устройствами заметных локальных возмущений в пространственное распределение полей исследуемого СВЧ сигнала;
теоретическом и экспериментальном исследовании влияния проводящих и вязких жидкостей на характеристики акустических волн в тонких пластинах.
Научная новизна работы состоит в следующем; 1. Теоретически и экспериментально исследована анизотропия характеристик поверхностных акустических волн и волн в тонких пластинах из ниобата лития и титаната стронция во внешних статических электрических полях. Проведен детальный сравнительный анализ анизотропных свойств ПАВ и АВТП в нелинейных кристаллах.
2.. Теоретически и -кспериментально исследовано влияние температуры на скорость распространения' ПАВ и акустических волн в тонких пластинах ниобата лития. Получено хорошее соответствие теоретических и экспериментальных данных.
3. Экспериментально исследовано магнитоакустическое взаимодействие
на ПАВ в пленках ЖИГ различной толщины. Предложена новая методика
анализа гистерезисных полевых зависимостей, позволившая разделить вклады
отдельных магнитоакустических эффектов.
4. Разработаны принципиально новые измерители пространственно- вре
менных характеристик одиночных СВЧ радиоимпульсов, измерители
пикового значения напряженности электрического и магнитного поля одиноч
ных СВЧ радиоимпульсов, фазовые и амплитудные измерители энергии
мощных СВЧ радиоимпульсов на основе тепловых эффектов. Созданные
измерители защищены авторскими свидетельствами. Выполнен детальный
теоретический анализ особенностей поведения и возможностей разработанных
измерителей и проведены экспериментальные исследования их рабочих
характеристик.
Достоверность полученных результатов основывается на соответствии полученных теоретических выводов и экспериментальных результатов.
В диссертации на защиту В7,трсятсп следующие научные положения:
!. Влияние внешнего электрического поля на скорость акустических волн в тонких пластинах киобата лития существенно зависит от их частоты. Существуют кристаллографические срезы и направления распространения волн, для которых характер полевой зависимости скорости может быть изменен от линейной до квадратичной посредством изменения частоты акустической волны.
"27 В пленках железо- иттриевого граната четная часть полевой гистерезисной зависимости изменения скорости волны, определяемая магнитострикциеи, не зависит от направления изменения магнитного поля. Гистерезис указанных зависимостей определяется лишь нечетной его частью, связанной с нелинейным пьезомагнитным эффектом и магнитострикциеи, линеаризованной внутренним магнитным полем.
3. При прохождении или возбуждении акустической ьолны в нелинейном' электро-мапшто-акустическом материале можно измерять пространственно- временные характеристики мощных кратковременных одиночных СВЧ радиоимпульсов. При этом, если за время действия импульса-акустическая Болна проходит путь, много меньший, чем характерный размер, пространственной неоднородности-реализуется измеритель пространственного распределения напряженности поля. Если же волна проходит всю активную область за время,, гораздо меньшее длительности импульса-реалнзуется измеритель временного распределения амплитуды СВЧ поля (детектор).
4. На основе нелинейных электро-магнито-акустических и тепловых эффектов можно измерять пиковое значение напряженности электрического и магнитного поля, а также энергию мощных кратковременных одиночных
СВЧ радиоимпульсов. Применение в качестве активных материалов кристалла LiNb03 и структуры ЖИГ- ГГТ позволяет достигать чувствительности 0.04 В/кВ/см и 0.01 ВО для электрического и магнитного полей соответственно. Практическая ценность работы заключается в следующем: Гразработаны принципиально новые измерители пространственно- вре-мегащх характеристик одиночных СВЧ радиоимпульсов. Конструкция и принципы их работы защищены авторскими свидетельствами.
- Предложены, разработаны и созданы принципиально новые измерители
пикового значения напряженности электрического и магнитного поля одиноч-
ных СВЧ радиоимпульсов, отличающиеся повышенной помехозащищенностью.
достигаемой благодаря использованию временной задержки информационного
сигнала, и возможностью проведения локальных измерений. Макеты измери
телей переданы в Институт общей физики Российской академии наук и в
Харьковский физико-технический институт, где они используются при
* исследовании параметров мощных СВЧ радиоимпульсов и изучении воздействия мощных СВЧ радиоимпульсов на элементы интегральных схем.
Теоретически и экспериментально показана возможность разработки нового типа фазовых и амплитудных измерителей энергии мощных СВЧ радиоимпульсов на основе тепловых эффектов.
Разработан и создан высоковольтный датчик на основе тнтаната стронция, отличающийся повышенным входным сопротивлением и более широким частотным диапазоном по сравнению с известными.
Предложены новые методы измерения коэрцитивной силы и считывания СВЧ радиоимпульсов в системе мнкрополосковых линий.
Апробация работы; Материалы диссертации докладывались Всесоюзных и Международных конференциях по акустоэлёктронике и физике твердого тела в Москве (1987,1988), Ленинграде (1987,1991), Новосибирске (1986), Сыктывкаре (1994). Риге (1988,1991), Ростове-на-Дону (1989), Тбилиси (1987,1988), Саратове (1983,1988), Кишиневе (1989), Киеве (1986), Болгарии (1989,1993,1994), а также на научных семинарах в ИОФ РАН (г.Москва), в Томском институте ядерной физики, в НИИТФ (г.Челябинск), на кафедре вычислительной физики ч АНИ физического факультетз СГУ и в Саратовском филиале ИРЭ РАН.
Публикации: По материалам диссертации опубликовано 44 печатных работы, из которых 8 статей в центральной печати, 8 авторских свидетельств и 28 тезисов докладов. В указанных работах, Калининым В.Ю. предложены принципы действия созданных устройств, численно исследованы сформулированные совместно с соавторами теоретические модели распространения ПАВ и АВТП в электрических и магнитных полях в нелинейных кристаллах, полностью проведены излагаемые в работе эксперименты и интерпретированы полученные результаты.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 115 наименова-
ния. Работа изложена на 167 страницах машинописного текста, содержит 86 рисунков.
