Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время ведутся интенсивные исследования в области спинволновой электроники СВЧ, целью которых является создание устройств обработки сигналов в диапазоне СВЧ в реальном масштабе времени. Показано, что на основе магнитостатических волн (МСВ), распространяющихся в намагниченной ферритовой пленке (ФП), возможно создание линий задержки, электрически перестраиваемых полосно-пропускающих и полосно-заграждающих фильтров, фильтров с переменной полосой, перестраиваемых генераторов. Указанные устройства могут быть использованы для обработки сигналов, в спутниковом телевидении, фазированных антенных решетках, для СВЧ контроля состояния природной среды и т.п. Использование спинволновых приборов в подобных радиоэлектронных системах весьма перспективно в отношении качественного совершенcтвования их функциональных возможностей.
Преобразователи МСВ являются неотъемлемой частью любого спинволнового устройства и в большинстве случаев определяют его основные характеристики (например, амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) и вносимые потери фильтров).
Наиболее перспективными в настоящее время являются преобразователи поверхностных МСВ (ПМСВ) и прямых объемных МСВ (ПОМСВ), для которых решена проблема термостабильности.
Однако, при разработке спинволновых устройств на ПМСВ и ПОМСВ возникает проблема согласования преобразователей с подводящими линиями передачи.
Для ее решения необходимо: а) уметь рассчитывать импеданс излучения планарной линии, являющейся основой преобразователя; б) построить эквивалентную схему преобразователя и вычислить его входное сопротивление; в) по характеру частотной зависимости входного сопротивления преобразователя найти согласующую цепь, позволяющую уменьшить коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН) в рабочей полосе устройства.
В настоящее время наиболее изучены закономерности возбуждения ПМСВ микрополосковыми линиями (МПЛ) [Л1-Л2], отрезки которых наиболее часто применяются в качестве преобразователей спинволновых устройств.
Сопротивление излучения МПЛ, возбуждающей ПОМСВ, обычно рассчитывается в приближении однородного распределения тока [Л3].
При расчете входного сопротивления преобразователей ПМСВ и ПОМСВ используют эквивалентные схемы преобразователей. Исследованию эквивалентных схем преобразователей МСВ посвящено значительное количество работ, из которых можно выделить [Л4], где эквивалентные схемы представлены в наиболее полном виде. Однако, в большинстве публикаций рассматриваются эквивалентные схемы короткозамкнутых преобразователей, полученные из выражения для входного сопротивления в предположении малости длины преобразователя, по сравнению с длиной электромагнитной волны (ЭМВ), и малых потерь на преобразование ЭМВ в МСВ, что является достаточно грубым приближением для расчета спинволновых устройств.
И, наконец, непосредственно согласование преобразователя ПМСВ с подводящей линией рассмотрено в единственной работе [Л5], где приведены экспериментальные результаты без каких-либо расчетов.
Необходима разработка в магнитостатическом приближении такого метода расчета импеданса излучения планарных преобразователей МСВ, который описывает реальные процессы возбуждения МСВ и соответствует эксперименту. Нужна также обобщенная эквивалентная схема преобразователя, позволяющая с помощью импеданса излучения с достаточной для практики точностью рассчитать входное сопротивление преобразователя. И, наконец, с учетом частотных зависимостей активной и реактивной составляющих входного сопротивления преобразователей МСВ необходимо рассмотреть простейшие согласующие цепи, которые позволяют в большей части рабочей полосы уменьшить входной КСВН устройства
Целью работы является теоретическое исследование импеданса излучения микрополосковых линий, возбуждающих ПМСВ и ПОМСВ; построение эквивалентных схем и метода расчета входного сопротивления преобразователей ПМСВ и ПОМСВ, содержащих отрезки этих линий, и разработка методов расчета согласующих цепей для этих преобразователей МСВ.
Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, разработанными методами их решения, впервые полученными результатами и состоит в следующем:
В магнитостатическом приближении решена задача расчета сопротивления излучения планарной линии, возбуждающей МСВ в многослойной структуре металл-диэлектрик-феррит-диэлектрик-металл (МДФДМ- структуре) при произвольном направлении подмагничивающего поля, где система планарных проводников представлена в виде известного распределения плотности поверхностного тока.
Исследованы частотные зависимости импеданса излучения микрополосковой линии, возбуждающей поверхностные магнитостатические волны в структуре диэлектрик-феррит-диэлектрик-металл (ДФДМ-структуре), с учетом влияния намагниченной ферритовой пленки на токораспределение в полосковом проводнике.
Предложен метод расчета одиночных согласующих шлейфов и метод расчета согласующих цепей для преобразователей магнитостатических волн, у которых активная и реактивная составляющие входного сопротивления изменяются с частотой.
Проведен расчет входного сопротивления широкополосных микрополосковых преобразователей поверхностных и прямых объемных магнитостатических волн. Найденные расчетные значения активной и реактивной частей входного сопротивления хорошо совпадают с экспериментальными значениями и использованы для синтеза простейшей согласующей цепи, содержащей короткозамкнутый или разомкнутый на конце шлейф, значительно уменьшающий входной КСВН преобразователя.
Показано, что для расчета реактанса излучения микрополосковой линии, возбуждающей низшую моду прямой объемной магнитостатической волны в структуре диэлектрик-феррит-диэлектрик-металл (ДФДМ-структуре), допустимо использовать преобразование Гильберта от сопротивления излучения микрополосковой линии.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Метод расчета планарных преобразователей, возбуждающих МСВ в многослойной МДФДМ-структуре при произвольном направлении приложенного постоянного магнитного поля, в котором планарный преобразователь представлен в виде некоторого известного распределения плотности поверхностного тока в системе планарных проводников.
2. Модель эквивалентной двухпроводной линии, позволяющая рассматривать процессы возбуждения МСВ электромагнитной волной, распространяющейся в планарных линиях передачи, содержащих намагниченную ФП. Получены выражения для входного сопротивления короткозамкнутого отрезка линии, содержащей полосковые проводники и намагниченную ФП, без ограничений на длину преобразователя, по сравнению с длиной электромагнитной волны, и величину потерь на преобразование ЭМВ в МСВ.
3. Метод расчета одиночных согласующих шлейфов, позволяющих уменьшить входной КСВН преобразователей магнитостатических волн. Получены выражения для длин короткозамкнутого и разомкнутого шлейфов и расстояния от места их подключения до входа преобразователя, позволяющих обеспечить согласование преобразователя с подводящей линией передачи, которые могут быть использованы при проектировании фильтров и линий задержки на магнитостатических волнах.
4. Метод расчета согласующих цепей для преобразователей магнитостатических волн, у которых активная и реактивная составляющие входного сопротивления изменяются с частотой. Найдены выражения для распределенных элементов согласующей цепи, обеспечивающей согласование в широкой полосе частот преобразователя с подводящей линией передачи.
5. Совокупность новых теоретических результатов, полученных при анализе расчетных зависимостей импеданса излучения ПМСВ и ПОМСВ в МДФД-структуре МПЛ, и ряд выявленных закономерностей в формировании частотных зависимостей сопротивления излучения.
Обоснованность и достоверность полученных в диссертации результатов определяется как использованием строгих современных методов расчета, так и согласием основных теоретических положений с результатами экспериментов.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке программ расчета импеданса излучения микрополосковых линий с намагниченной ферритовой пленкой, расчета входного сопротивления короткозамкнутых микрополосковых преобразователей ПМСВ и ПОМСВ и расчета согласующих цепей, обеспечивающих согласование в рабочей полосе частот преобразователя с подводящей линией передачи.
Эти программы можно использовать для минимизации КСВН широкого класса многофункциональных СВЧ устройств на основе микрополосковой линии передачи с намагниченной ферритовой пленкой. Разработанный метод расчета входного сопротивления микрополосковых преобразователей ПМСВ и ПОМСВ, позволяющий рассчитывать АЧХ устройства, и созданные программы расчета преобразователей могут быть использованы при разработке и оптимизации параметров приборов спинволновой электроники СВЧ.
Практическую ценность представленных результатов повышает тот факт, что некоторые результаты работы включены в рабочие программы лекционных курсов и специальных практикумов, входящих в учебный план физического факультета Южного федерального университета.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях:
Международная научно-техническая конференция «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (ИРЭМВ - 2005), Таганрог, Россия, 20-25 июня 2005 г.;
15-я Международная Крымская конференция “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. Севастополь, Крым, Украина, 12-16 сентября 2005 г.;
III Всероссийская научная конференция “Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах”. Анапа. 2-5 октября 2006 г.;
Международная научно-техническая конференция «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (ИРЭМВ-2007), Таганрог, Россия, 25-30 июня 2007 г.;
Международная научно-техническая конференция “Проблемы безопасности морского судоходства, технической и коммерческой эксплуатации морского транспорта”. Новороссийск. 14-17 сентября 2007 г.;
XV международная конференция “Радиолокация и радиосвязь”. Москва-Фирсановка. 7-11 ноября 2007 г.;
Международная научно-техническая конференция “Актуальные проблемы электронного приборостроения” АПЭП-2008. Саратов. 24-25 сентября 2008 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 13 печатных работах. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК, 7 текстов докладов в сборниках трудов международных научно-технических конференций.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Она содержит 159 страниц текста, включающие 30 рисунков, 2 таблицы и список литературы, включающий 124 наименования.
Похожие диссертации на Согласование микрополосковых преобразователей магнитостатических волн
