автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.01, диссертация на тему:Частотно-селективные преобразователи мощности миллиметрового диапазона длин волн на основе гексаферритовых резонаторов

На правах рукописи

КОЛЕДИВДЕВА МАРИНА ЮРЬЕВНА

ЧАСТОТНО-СЕЛЕКТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МОЩНОСТИ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН НА ОСНОВЕ ГЕКСАФЕРРИТОВЫХ РЕЗОНАТОРОВ

05.12.01 - Теоретические основн радиотехники

Автореферат диссертации нн соисжммио учшюП отоиони кандидата технических наук

Москва 19Э6

Работа выполнена на кафедре Основ радиотехники Московского энергетического института (Технического Университета)

Научный руководитель: кандидат технических наук,

с.н.с. Китайцев Александр Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

с.н.с. Зубков Виктор Иванович кандидат технических наук, доцент Шелухин Сергей Алексеевич

Ведущая организация указана в решении диссертационного Совета Московского энергетического института (Технического Университета)

Защита состоится " /¿7" декабря 1996 г. в часов на заседании

диссертационного Совета К 053.16.13 Московского энергетического института (Технического Университета) но адресу: г.Москва, ул. Красноказарменная, д.17, аудитория А-402.

Отзыв, заверенный печатью, просим направить по адресу: Ш250, Москва, Е-250, ул. Красноказарменная, д.14, Учений Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан " ¿г " ноября 1996 г.

Ученый секретарь диссертациоиного Совета к.т.н., доцент

Т.И.Курочкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 излучения 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 каналов 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 (®£Р).

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 гексаферритовых 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.

Нвучная 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 амплитуда и частоты изменения поля подагагничивания 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.

5. 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.

6. 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), Ib,If. Всос. соминирах по СВЧ форритовой технике, 3-G Крымских конференциях "СВЧ-техника и спутниковый прием", симпозиумах ISRAMT'95, ЕМТ'95, ЕМС'96 (в рамках URSX), на заседании секции электрических, радиотехнических и магнитных измерений НТС ГНПО "Метрология" г.Харьков.

Публикации.Материши* -диссертационной работы отражены в 35 печатных работах,.среди которых 13 статей в научных сборниках, 17 тезисов докладов, Ь изобретений (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 69 страниц рисунков, 7 страниц таблиц, 33 страницы приложений. Библиография включает 159 наименований на 17 страницах.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. "Квазистатический" и "квяэидинамический" подходы к описанию компонент вектора намагниченности произвольно ориентированного ГФР с переменной резонансной частотой (управляемой "полевым" и "угловым" способами) при взаимодействии с колебанием мм диапазона длин волн.

2. Влияние ориентации ГФР и параметров модулирующего колебания, изменяющего частоту ФМР ГФР, на амплитуды гармоник частоты модуляции в спектре компонент тензора магнитной восприимчивости ГФР, огибающих мм намагниченности и мм сигнала, прошедшего через ГФР. Оптимальная ориентация ГФР с точки зрения достижения максимума той или иной гармоники при "полевом" и при "угловом" управлении резонансной частотой.

3. "Квазистатическое" и "квазидинамическое" описание взаимодействия ГФР с мм амплитудно-модулированным колебанием.

4. Влияние параметров ГФР и его ориентации на амплитуды гармоник частоты модуляции в спектре ЭДС, наведенной в спиральной микрокатушке, окружающей ГФР, при воздействии на него мм амплитудно-модулированного колебания.

5. Принципы преобразования мощности с использованием ГФР и различных физических элементов, служащих для управления резонансной частотой ГФР и для съема преобразованного сигнала (микрокатушек, датчиков Холла, бескорпусных транзисторов или диодов, пьезоэлементов), конструкции преобразователей, результаты теоретического и экспериментального исследования их основных параметров.

6. Математическая модель автомодуляционного преобразователя на основе ГФР, позволяющая рассчитать условия самовозбуждения, зависимость ширины зоны генерации от мощности входного мм сигнала на заданной частоте.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель и основные задачи работы, дана общая характеристика и кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе содержится обзор методов измерения мощности в миллиметровом диапазоне длин волн. Сопоставлены между собой различные способы частотно-селективного преобразования мощности и осуществления анализа спектра и измерения энергетических параметров сигналов СВЧ диапазона. Показано, что наиболее

-а

рациональным путем построения частотно селективной панорамной гшппрмтуры для изморимия :1М'1ргигич!кгких 1ифлмпт{юн ОНЧ сигналов среднего и высокого уровня мощности ь УСЛОВИЯХ многосигняльности ь тракте С13Ч, сворхширокополооности, ишиппчшюсти во времени исследуемого спектра, на фоне мощных электромагнитных помех является разработка преобразователей, использующих стабильные нелинейных резонансные явлений в ферритах. Основным достоинством такой аппаратуры (с точки зрения решения указанных задач) является отсутствие комбинационных каналов преобразования, присущих традиционной гетеродинной аппаратуре.

Применение высокоанизотропных монокристаллических ГОР позволяет продлить частотный диапазон частотно- селективной панорамной аппаратуры для измерения энергетических параметров СВЧ-излучений в область мм длин волн и - в перспективе - КВЧ. Но из-за наличия у гексаферритов внутреннего поля кристаллографической анизотропии и относительно широкой на данном этапе технологического развития линией ФМР (по сравнению с феррогранатами) невозможно простое копирование способов преобразования мощности, пригодных для см- и да- диапазонов с использованием феррогранатов. При построении преобразователей на ГФР для повышения их эффективности предлагается использовать процессы модуляции и демодуляции мм сигналов, осуществляемые с помощью ГФР и различных физических элементов, служащих для управления резонасной частотой ГФР и съема преобразованного сигнала.

Во второй главе представлено развитии теории стабильных нелинейных резонансных явлений в ферритах при взаимодействии с электромагнитными колебаниями СВЧ на случай произвольно ориентированного магнитоодноосного, намагниченного до насыщения, гексаферрита (рис.1,2).

Рассмотрена задача о колебании вектора намагниченности гексаферрита при воздействии на него колебания мм диапазона длин волн и высокочастотного модулирующего колебания, изменяющего поле подмагничивания ("полевое" управление резонансной частотой гексаферрита) или угол ориентации ГФР ("угловое" управление).

Предложено два подхода к нахождению спектра колебаний вектора намагниченности ГФР: "квазистатический" и "динамический". "Квазистатический" подход справедлив при относительно "медленном" управлении резонансной частотой ГФР, когдл частота изменения резонансной частоты существенно меньше частоты релаксации при

Рис.2. Расположение ГФР в волноводе

ФМР. Он основан на использовании статического тензора магнитной восприимчивости гексаферрита и разложении компонент этого тензора в ряд Фурье по гармоникам частоты модуляции. "Динамический" подход основан на непосредственном решении системы дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами, вытекающей из уравнения движения намагниченности ГФР. Строгое аналитическое решение этой системы возможно лишь при совпадении ориентации оси кристаллографической анизотропии ГФР и направления внешнего постоянного магнитного поля; в этом случае решение совпадает с известным для "изотропного" феррита при подстановке (Н0+НА) вместо н0- Но при произвольной ориентации ГФР компоненты мм намагниченности ГФР совершают колебания с отличающимися друг от друга собственными частотами, что затрудняет аналитическое решение задачи.

Но при частотах модуляции, много меньших частоты релаксации ГФР,"динамический" подход трансформируется в "квазидинамический", и решение системы дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами упрощается при замене собственных частот колебаний компонент намагниченности п^ и ту на их сроднее геометрическое, совпадающее с резонансной частотой ГФР в "квазистатическом" случав. В этом случае решение системы известно, оно представляется выражениями, включающими двойные ряды с функциями Бесселя I рода. Известное решение для кристаллографически "изотропного" феррита является частным случаем решения для ГФР при подстановке НА=о. Гармоники частоты модуляции поперечных составляющих намагниченности находятся путем численного разложения их огибающих в ряд Фурье.

На основе "квазистатического" и "квазидинамического" подходов разработаны компьютерные программы и проведены расчеты спектра гармоник частоты модуляции в компонентах тензора магнитной восприимчивости и в огибающих компонент вектора намагниченности для "полевого" и "углового" управления резонансной частотой ГФР. Результаты расчетов в "квазистатическом" и "квазидинамическом" случаях совпадают для малых относительных амплитуде и частоте модуляции, и для описания колебаний вектора намагниченности и практически реализуемом случае, когда частота модуляции на несколько порядков меньше частоты релаксации ГФР, оба подхода являются справедливыми.

Показано, что для ГФР с заданными физическими параметрами (величиной поля анизотропии, частотой релаксации.

намагниченностыэ насыщения) и при заданных несущей частоте мм сигнала и величине постоянного поля подмагничивания существует свой оптимальный угол ориентации для получения максимума той или иной гармоники частоты модуляции. При "полевом" управлении величина этого угла определяется нулевой расстройкой между несущий частотой сигнала и резонасной частотой ГФР для постоянной составляющей и четных гармоник. Для нечетных гармоник максимум достигается при ненулевой расстройке, на склоне резонансной кривой, где максимальна ее производная (по расстройке) соответствующего порядка. При "угловом" управлении оптимальный угол ориентации определяется двумя факторами: (I) положением и формой резонансной кривой (аналогично "полевому" управлению); (2) условием, когда крутизна изменения резонансной частоты при изменении угла ориентации ГФР, максимальна, т.е. обеспечивается максимальная девиация резонансной частоты при заданной девиации угла ориентации. Это условие вытекает из статического соотношения для минимума энергии кристалла ГФР. Оптимальный угол расочитывается с учетом как 1-й, так и 2-й констант анизотропии магнитоодноосного гексаферрита. Для ГФР с полями анизотропии 11-25 кЭ величина оптимального угла ен меаду направлениями поля анизотропии и поля подмагничивания, рассчитанного с учетом условия (2), лехит в пределах 30-70°. При 0^=0 модуляция мм сигнала посредством "углового" управления невозможна.

На основе полученных выражений для поперечных компонент мм намагниченности при "квазистатическом" и "квазидинамическом" подходах, "полевом" и "угловом" управлении резонансной частотой ГФР получены выражения для расчета коэффициентов прохождения, отражения и модуляции мм сигнала в линии передачи, содержащей такой ГФР. С помощью известного метода самосогласованного поля учитывается "сильная" связь меаду линией передачи и ГФР, когда поле излучения ГФР зависит от мм намагниченности образца и ее же определяет. Поле излучения ГФР в линию передачи (в частности, прямоугольный металлический волновод) находится по методу собственных функций (волноводных мод) при представлении ГФР в качестве элементарного магнитного диполя.

Составлена компьютерная программа и проведены расчеты спектра гармоник частоты модуляции, содержащихся в огибающей прошедшего сигнала. Рассчитаны коэффициенты модуляции, в частности, на первой гармонике, как наиболее интенсивной. Анализируется влияние физических параметров ГФР, геометрических

размеров волновода, несущей частота мм сигнала, постоянного поля подмагничивания, амплитуды и частоты модулирующего колебания, управляющего резонансной частотой ГФР "полевым" и "угловым" способом, и угла ориентации ГФР на коэффициент модуляции прошедшего через ГФР мм сигнала. Рассчитаны оптимальные параметры модулирующего колебания и угол ориентации для достижения максимального коэффициента модуляции в ряде конкретных случаев. С помощью "квазистатического" и "квазидинамического" подходов получены также формулы для описания компонент вектора намагниченности ГФР при воздействии на него колебания со сложным законом амплитудной и фазовой модуляции. Резонансная частота в этом случае не подвергается изменению внешним модулирующим колебанием. Получены выражения для гармоник ЗДС, наводимой, в частности, в спиральной микрокатушке, окружающей ГФР, при воздействии амплитудно-модулированного мм колебания. Составлена программа, проведены расчеты и проанализированы их результаты. Показано, что при таком способе регистрации преобразованного сигнала оптимальным углом ориентации является тот, при котором обеспечивается нулопая расстройка мпжду резонансной частотой ГФР и несущей частотой мм сигнала. Между амплитудами гармоник ЭДС и мощностью входного мм сигнала на заданной час.тото наблюдается прямая пропорциональная зависимость. Фаза мм колебания не влияет на ЭДС в микрокатушке.

В конце главы сформулированы основные выводы, касающиеся возможности преобразования мощности с помощью стабильных нелинейных резонансных явлений в ГФР,- выбора оптимальных параметров колебания, управляющего резонансной частотой ГФР, и его ориентации для наиболее эффективной модуляции мм сигнала; а также условий для наиболее эффективной демодуляции.

В третьей главе исследуются практические возможности частотно-селективного преобразования мощности мм диапазона длин волн с использованием ГФР; предложены конкретные схемы и конструкции преобразователей (рис.3-5). Представлен анализ физических механизмов преобразования мощности в них, результаты расчетов и экспериментов, выполненных на макетах ряда преобразователей.

Показана перспективность построения автомодуляционного преобразователя по схеме "модулятор- демодулятор с обратной связью по промежуточной частоте" с использованием ГФР. Предложен алгоритм анализа устройства, описан принцип его работы, условия

Ж

ш

Модилмтве НО

г<рр

Аттенюатор

~7-

Фено*/-¿ятор

Узштло*-усилит-длок

Индикатор

сотЛ. мни* <РМР

Л

^'кР(и)

Ш

Лодмимсг нз Л/Л/Лг-"уви/ггг

Рис.3. Автомодуляционный преобразователь

Магнитная а/стена Велю/ад

Аолх/и* Холла/

¡/ст.

'Дотк/ах Хал*сг£

Рис.4. Преобразователь на ГФР с двумя датчиками Холла Аизлек/фик _____ ^Магни/ггюл аис/пемсг

ЛьезохерамцАгег

хсюсуиог

■ГФР льезопАог/г?ц#м

Рис.5. Модулятор на ГФР с пьезопластиной

возбуждения автоколебания в нем. При соблюдении условий баланса амплитуд и баланса фаз в системе возбуждаются автоколебания на промежуточной частоте, определяемой частотой настройки узкополосного блока в цепи обратной связи. При перестройке ГФР по частоте наблюдаются зоны генерации, ширина каждой зоны оказывается пропорциональной мощности входного мм колебания на данной частоте. Расчет ширины зоны генерации в зависимости от параметров ГФР и мощности входного мм сигнала на заданной частоте • осуществляется с помощью составленной программы.

Представлены также результаты экспериментального исследования автомодуляционного преобразователя. Роль модулятора принадлежит ГФР со спиральной микрокатушкой. Демодулятор представляет собой кристаллический детектор. Получены зоны генерации, соответствующие колебаниям от генератора 8-мм диапазона. Показаны функциональные возможности применения этого устройства: (I) для допускового контроля уровня мощности (т.е. с его помощью можно определять, превосходит ли уровень мощности на данной частоте установленный нормативами контрольный уровень); (2) для измерения мощности мм колебаний по измерению ширины зоны генерации. Исследованы основные метрологические характеристики преобразователя, в том числе, его коэффициент преобразования, чувствительность, односигнальная избирательность и т.д.

Показано, что выполнение демодулятора на основе второго ГФР с элементом съема (например, спиральной микрокатушкой) смещает динамический диапазон преобразователей в область более высоких уровней мощности, обеспечивает из-за резонансных свойств ГФР некритичность к перегрузкам по мощности; повышает стабильность коэффициента преобразования в широком рабочем частотном диапазоне.

Исследована возможность частотно-селективного преобразования мощности с помощью структуры "ГФР - полупроводниковый элемент". В качестве такого полупроводникового элемента рассматривается датчик Холла. Выделены и систематизированы основные физические процессы, происходящие при преобразовании мощности с помощью такой структуры.

Показано, что основной механизм, проявляемый при преобразовании мощности - тепловой, инерционный. Малоинерционный эффект, связанный с наведением ЭДС в датчике Холла при изменении вектора намагниченности ГФР, при имевшихся в наличии уровнях мощности (до 100 мВт) выявлен не был. ГФР при ФМР разогревается и

передает тепло полупроводниковой пластине с током, находящейся в постоянном магнитном поле. За счет суммарного действия многих термомагнитных и термогальваномагнитных эффектов, сопровождающих эффект Холла, в пластине наводится ЭДС, дополнительная к ЭДС Холла в постоянном магнитном поле и пропорциональная мощности входного мм колебания на частоте ФМР ГФР.

С помощью уравнения теплового баланса в системе "ГФР-полупроводник-воздух" определена температура нагрева ГФР при ФМР, рассчитан коэффициент преобразования структуры "ГФР - датчик Холла".

Предложен и экспериментально исследован тепловой преобразователь на ГФР с двумя датчиками Холла: одним -находящимся в волноводе и имеющим тепловой контакт с ГФР , а другим- вне волновода, но расположенным соосно с первым в точке с той же напряженностью постоянного магнитного поля. Экспериментально исследован также преобразователь на ГФР с бескорпусным кремниевым транзистором в качестве термочувствительного элемента. Исследованы коэффициент преобразования, ширина полосы пропускания, минимальный уровень преобразуемой мощности. Получены вольт-ваттные характеристики преобразователей в 8-мм диапазоне. Исследован процесс установления температуры ГФР при поглощении мощности мм колебаний. Результаты экспериментальных исследований сопоставляются с теоретическими выводами и подтверждают их.

Экспериментально показана возможность выполнения для автомодуляционного преобразователя модулятора с акустическим "угловым" управлением резонансной частотой ГФР. Это управление осуществляется с помощью пьезокерамической пластины из титаната бария. Исследуется несколько вариантов конструкции модулятора: с помещением ГФР в различные точки поляризации поля в волноводе, в капсулу из кварцевого стекла и без нее, при жестком закреплении ГФР в капсуле и в свободном состоянии, когда ГФР сам ориентируется во внешнем магнитном поле. Экспериментально исследованы гармоники частоты модуляции сигнала,

продетектированного на выходе такого модулятора. Показано, что глубина модуляции увеличивается при помещении ГФР в капсулу и закреплении ГФР так, что угол его ориентации оптимален. Получено согласование результатов экспериментов и расчетов.

Конструкции предложенных преобразователей защищены патентами, что подтверадает их мировую новизну и

-КЗ-

конкурентоспособность. Приведено сравнение параметров предложенных преобразователей с аналогами.

В конце главы сформулированы выводы, касающиеся возможности технической реализации частотно- селективных преобразователей мощности мм диапазона на основе предложенных принципов и их перспективности для продления диапазона измерителей энергетических параметров в область мм длин волн.

В заключении представлены основные результаты и выводы диссертационной работы. Разработанные принципы преобразования мощности перспективны для создания широкодиапазонной аппаратуры измерения энергетических параметров СВЧ-излучений, создаваемых аппаратурой среднего и высокого уровня мощности на основной частоте и на гармониках, в рабочем диапазоне частот и вне его. Применение предложенных преобразователей позволяет снизить требования к фильтрам-преселекторам на входе измерительной аппаратуры, повысить надежность измерений и допускового контроля уровня мощности на заданных частотах и удовлетворить требованиям, предъявляемым к активным приборам СВЧ современными нормативами по ЭМС.

В Приложении приведены математические выкладки решения задачи о колебании вектора намагниченности ГФР при переменной резонансной частоте за счет изменения угла ориентации ГФР и при воздействии на ГФР модулированных колебаний, а также акт о практическом использовании результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Получены выражения для компонент вектора намагниченности произвольно ориентированного ГФР с управляемой резонансной частотой за счет изменения как поля подмагничивания, так и угла ориентации оси кристаллографической анизотропии ГФР с использованием "квазистатического" и "квазидштмичаского" подходов.

2. Проанализированы условии оптимального рожимн модуляции и ориентации кристаллографической оси ГФР для получения наибольших амплитуд гармоник частоты модуляции в огибающих компонент намагниченности.

3. Получены формулы для коэффициентов прохождения, отражения и модуляции сигнала СВЧ на выходе ГФР с переменной резонансной частотой при "полевом" и "угловом" управлении , при "квазистатическом" и "квазидинамическом" подходах.

4. Получены выражения для компонент вектора намагниченности ГФР, находящегося в постоянном поле подмагничивания и при постоянном угле ориентации кристаллографической оси, если на ГФР воздействует сигнал, модулированный по амплитуде и фазе.

5. Разработана математическая модель автомодуляционного преобразователя, позволяющая анализировать условия возбуждения в нем автоколебаний, ширину зоны генерации, пропорциональной мощности воздействующего мм сигнала, коэффициент преобразования и чувствительность устройства в зависимости от параметров ГФР.

6. Разработанные математические модели реализованы в виде пакета прикладных программ, позволяющих рассчитать необходимые данные для проектирования ГФР-модуляторов и демодуляторов и выявить их наиболее эффективный режим работы.

7. Предложенные способы частотно-селективного преобразования мощности мм диапазона на основе ГФР и следующие устройства защищены авторским' свидетельством и патентами: (I) автомодуляционный преобразователь, построенный по схеме "модулятор - демодулятор" с обратной связью по промежуточной частоте; (2) "тепловой" преобразователь на основе ГФР и двух датчиков Холла; (3) "тепловой" преобразователь на основе ГФР и бескорпусного транзистора или диода; (4) модулятор с акустическим управлением резонансной частотой ГФР.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Патент РФ N 2007791 "Частотно- селективный преобразователь мощности СВЧ"/ Китайцев A.A., Колединцева М.Ю.// По заявке N 4944466/09 ОТ 14.06.91. Бюл. N 3 ОТ 15.02.94.

2. Устройство для частотно-селективного преобразования мощности СВЧ/Китайцев A.A., Колединцева М.Ю.// Решение ВНИИГПЭ о выдаче патента от 14.06.95 по заявке N 93-038323/09 , приоритет 27.07.93

3. Китайцев A.A..Колединцева М.Ю. О возможности измерения мощности колебаний миллиметрового диапазона с помощью гексаферрит- полупроводниковой структуры.// XI МГМК'92. Алушта, 16-21 октября 1992. Тез. докл. Т.5. С.150-152.

4. Китайцев A.A., Колединцева М.Ю. Частотно- селективный гексаферритовый преобразователь мощности с обратной связью (англ.)// Труды 12 МГМК'94, Гюлечитца, Болгария, 20-23 сент. 1994. С.240-245.

5. Колединцева М.Ю. Модулятор миллиметровых волн на основе гексаферритового резонатора для частотно- селективного

преобразователя мощности.// Труда 4-й Крымской конф. "СВЧ-техника и спутниковый прием", г.Севастополь, 26-28 сент.19Э4г. T.I. C.I7I-I76.

6. Колединцева М.Ю. Модуляция поля СВЧ с помощью акустически управляемого гексаферритового резонатора (англ.)// Труды 15 Межд. Симп. по электромагнитной теории ЕМТ'95, С.-Петербург, Россия, 23-26 мая 1995. С.735-740.

7. Китайцев A.A., Колединцева М.Ю. Перспективные частотно-селективные методы преобразования мощности в миллиметровом диапазоне длин волн с использованием гексаферритов (англ.)// Труды 5 Мезвд. симпозиума по новейшим достижениям в микроволновой технологии, ISRAMT'95. Киев, Украина, II-I6 сент. 1995. T.I. С.71-74.

8. Китайцев A.A., Колединцева М.Ю. Динамические процессы при взаимодействии электромагнитного поля СВЧ с гексаферритовым резонатором с модулированной резонансной частотой.// Гиромагнитная бестоковая электроника. Труды Междунар. конф. ICCSE'95, 19-23 декабря 1995. М.: МЭИ. 1995. С.469-478.

9. Колединцева М.Ю., Китайцев A.A. Миллиметровый гексаферритовый преобразователь мощности с автомодуляцией для частотно-селективного допускового контроля и измерения мощности (англ.)// Труды 13 Мевд. Вроцлавского Симп. по электромагнитной совместимости емс-96, Вроцлав, Польша, 25-28 июня 1996. С.372-374.

Печ. л. Тираж /00 Заказ

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.