автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Управляемые элементы и устройства обработки и формирования сигналов на магнитостатических волнах

Р Г ь ОД

- ь МАР 1995

москобскш государственный институт радиотехники, электроники

и автоматики ( технический университет )

ДУНАЕВ Сергей Николаевич '

управляемые элементы и устройства обработки и формирования' сигналов на магнитостатмческих волнах

Специальность С5.13.05 - Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления

На правах рукописи

\

/ ■

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/

Москва 1994

- Работа выполнена на кафедре Кибернетики Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета)

Научный руководитель: академик РАН

доктор технических наук профессор H.H. Евтихиев

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор А.И. Москалев .

кандидат технических наук доцент А.Б. Исаков

Ведущая организация: Институт проблем передачи

информации РАН

Защита состоится "_" '_1995 г. в_часов на

заседании диссертационного совета Д063.54.01 Московского государственного института радиотехники, электроники 'и автоматики (технического университета) по адресу: .117454 Москва, просп. Вернадского, д.78.

С диссертацией можно ознакомиться в~библиотеке института..

Автореферат разослан "JLZ" 994 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д063.54.01

кандидат технических наук 0/Г7

доцент ^ШХлу Г.И. Хохлов

х

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Современные тенденции в развитии технических средств управления и контроля выдвигают на первый план поиск новых принципов физической реализации элементов и устройств, которые смогут обеспечить дальнейшее увеличение быстродействия, обработку больших массивов информации и гибкость в управлении в сочетании с интегральной технологией изготовления и уменьшением массогаба-ритных параметров для эффективной компоновки с вычислительными комплексами.

Проведенные в последние годы исследования показали перспективность создания и применения широкого спектра различных по назначению элементов и устройств на магнитостатических волнах ( МСВ ).

Высокие рабочие частоты и эффективная зависимость основных параметров и характеристик магнитостатических волн, распространяющихся в тонких пленках феррита железо-иттриевого граната от внешнего магнитного поля в таких элементах и устройствах, позволяет увеличить быстродействие, расширить функциональные возможности и уменьшить массогабаритные показатели автоматизированных • систем управления, измерения и контроля "параметров уда-леннных или нестационарных объектов.

Поэтому, разработка управляемых адаптивных элементов и устройств на МСВ, обладающих уникальной совокупностью свойств является в настоящее время актуальной задачей.

Причем, наиболее эффективным представляется разработка устройств, управление характеристиками МСВ в которых осуществляется при распространении волн в нестационарной среде. Так как появляется возможность оперативного (в реальном масштабе времени) управления и контроля за основными параметрами сигналов в широком диапазоне частот для адекватного быстрого реагирования на изменение условий-^уякщошрования или положения контролируемых объектов.

Одним из перспективных методов создания нестационарной среды является применение дополнительного внешнего переменного намагничивающего поля. Поскольку оно достаточно легко реализуется в устройствах, эффективно воздействует на основные характеристики МСВ, и может Сыть адаптировано под конкретное применение.

Актуальным в таких, устройствах на МСВ является также возможность реализации управления несколькими характеристиками сигналов одновременно, например, длительностью и частотой.

Целью работы является разработка и исследование управляемых элементов и устройств обработки и формирования сигналов на основе распространения и взаимодействия магнитостатических волн в тонкопленочных структурах феррит-гранатов в условиях нестационарного внешнего магнитного поля.

Научная новизна работы.

1. Предложен cnocoö модуляции частоты сигнала в МСВ-элементе в условиях внешнего нестационарного магнитного поля, изменяющегося по закону, обеспечивающему заданное изменение частоты.

2. Обнаружен и исследован эффект согласованной фильтрации (сжатия) немодулированных радиоимпульсов при импульсном изменении во времени напряженности внешнего магнитного поля.

3. Экспериментально обнаружен и исследован эффект преобразования частоты сигналов в наклонно намагниченном МСВ-элементе при параметрическом взаимодействии двух магнитостатических волн в условиях фазового синхронизма в однородном нестационарном магнитном поле.

4. Экспериментально получен и изучен процесс активной синхронизации мод в МСВ линиях передачи при гармонической модуляции по-дмагничивавдего поля.

5. Предложен способ получения коротких когерентных радиоимпульсов в управляемых генераторах на магнитостатических волнах.

Практическая ценность работы

1. Установлена принципиальная возможность создания нового класса управляемых элементов и устройств формирования и обработки сигналов на основе эффектов распространения и взаимодействия магнитостатических волн в тонкопленочных ферритовых структурах с нестационарным внешним магнитным полем.

2. Создан модулятор частоты сигналов на базе управляемого МСВ-элемента, позволяющий оперативно реализовать заданные законы модуляции.

3. Разработаны МСВ-фильтры для согласованной фильтрации(сжатия) частотно-модулированных радиоимпульсов и немодулированных ради-

оимпульсов в условиях нестационарного магнитного поля.

4. Разработан управляемый преобразователь частоты на МСВ, функционирующий в широком диапазоне частот и обеспечивающий, также, частотную фильтрацию сигналов с добротностью 100-300.

5. Предложена методика расчета спектральных и амплитудных характеристик перестраиваемых МСВ-генераторов.

6. Исследованы спектральные плотности фазовых шумов управляемых генераторов с МСВ линиями задержки, работающими в линейном и нелинейном режимах распространения волн, и искажения спектров генерации при нелинейном режиме.

7. Разработаны конструкции малошумящих электронно перестраиваемых МСВ-генераторов, работающих в различных режимах: многомодо-вом, одномодовом, режиме генерации коротких когерентных радиоимпульсов и перекрывающих широкий диапазон частот (0.5-10 ГГц).

Публикации и апробация

Основные положения диссертации изложены в 18 печатных работах. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных семинарах и конференциях:III и IY Всесоюзных школах "Спин-волновые явления электроники СВЧ"(Львов 1989, Звенигород 1991), Всесоюзной школе "Стабилизация частоты"(Канев 1989), Всесоюзном семинаре "Магнитоэлектронные устройства СВЧ" ( Киев 1989 ), XVI Всесоюзном семинаре "Гиромагнитная электроника и электродинамика" (Куйбышев 1990), 10-th International Conference on Microwave Ferrites(ICMF)(Poland. 1990), Всесоюзной научно-технической конференции "Функциональная электроника"(Ленинград 1990),22-nd European Microwave Conference (Finland 1992), 6-th International Conference on Perrites (Tokyo,Japan 1992), International Conference on magnetism - INTERMAG(Sweden 1993), 24-th European Microwave Conference (Prance 1994).

Кроме того, вошедшие в диссертацию работы докладывались на научных семинарах и конференциях в Московском Институте Радиотехники, Электроники и Автоматики, на секции "Спинволновая электроника СВЧ в Институте Радиотехники и Электроники РАН.

Положения, выносимые на защиту: 1. В управляемом МСВ-элементе осуществляется модуляция частоты сигнала по заданному закону при обеспечении соответствующего закона модуляции напряженности внешнего намагничивающего поля.

- g -

2. При импульсном изменении во времени напряженности внешнего намагничивающего поля в момент возбуждения волн радиоимпульсным сигналом в МСВ линии передачи происходит сжатие (согласованная фильтрация) немодулированных радиоимпульсов.

3. В тонкопленочных структурах феррита железо-иттриевого граната наблюдается эффект параметрического преобразования частоты сигнала при взаимодействии двух МСВ, распространяющихся в условиях фазового синхронизма в пространственно однородном нестационарном магнитном поле. Эффект имеет резонансный характер, что обеспечивает частотную фильтрацию сигнала с эквивалентными доО-ротностями 1GG-30G.

4. При модуляции напряженности внешнего магнитного поля по гармоническому закону с частотой межмодового интервала в МСВ линии передачи происходит процесс активной синхронизации мод магнитостатических волн.

5. Активная синхронизация мод МСВ генератора в многомодовом режиме приводит к генерации коротких когерентных радиоимпульсов. Длительность генерируемых импульсов определяется числом синхронизированных мод, частота повторения обратно пропорциональна времени задержки сигнала в МСВ линии передачи,а форма огибающей радиоимпульса определяется фазовым сдвигом между собственными модами генератора ( нелинейностью дисперсии МСВ ).

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем работы 155 страниц, в том числе 50 рисунков, таблица и библиография 110 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность работы, формулируется цель диссертации, приводятся основные положения, выносимые на защиту, отмечается новизна проведенных исследований, дается краткая аннотация по главам.

Первая глава носит обзорный характер и посвящена анализу современного состояния разработок и исследований элементов и устройств на магнитостатических волнах. Излагаются основные физические принципы построения элементов на МСВ, рассмотрены условия функционирования элементов на поверхностных МСВ(ПМСВ), пря-

?шх объемных МСВ(ПОМСВ) и обратных объемных МСВ (ООМСВ) в зависимости от ориентации внешнего постоянного магнитного поля относительно плоскости МСВ элемента и направления распространения магнитостатических волн.

Приводятся основные параметры МСВ, распространяющихся в тонких пленках железо-игтриевого граната (ЖИГ) Y3Fe5012, помещенных во внешнее постоянное магнитное поле. Анализируются преимущества элементов на МСВ - линий задержки и резонаторов, то сравнению с широко используемыми сейчас элементами на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Во первых, это очень широкий диапазон частот существования МСВ - от 100 МГц до 20 ГГц в структурах чистого и допированного ЖИГ, в зависимости от величины внешнего постоянного магнитного поля HQ, во вторых, природная шрокополосносгь МСВ, при фиксированном значении магнитного поля диапазон частот возбуждаемых МСВ составляет до 1 ГГц. В третьих, сильная зависимость основных параметров и характеристик МСВ от внешнего магнитного поля, что позволяет-создавать устройства с управляемыми параметрами (частота,время задержки).

Рассмотрены конструкции и принципы действия известных на сегодняшний день МСВ устройств, работающих в стационарном внешнем магнитном поле.

Показана актуальность исследований и перспективность разработок нового типа адаптивных элементов и устройств на МСВ, в основе которых лежат эффекты, возникающие при распространении и взаимодействии МСВ в тонкопленочных ферриговых структурах с нестационарными - быстро изменяемыми (модулируемыми) параметрами. Это позволяет оперативно управлять параметрами сигнала, за время прохождения его через МСВ линию передачи (сотни наносекунд ) либо за время длительности сигнала (до десятков микросекунд ), для соответствующего быстрого реагирования на изменение условий, положения контролируемых объектов или на изменение управляющих воздействий в системах, что становится необходимым для обработки постоянно возрастающего потока информации о параметрах того или иного объекта и увеличения быстродействия.

Проанализированы способы создания нестационарности среды распространения МСВ. Показано, что наиболее приемлемым и удобным является метод изменения напряженности внешнего намагничивающего поля, так как он позволяет эффективно управлять характеристиками МСВ (частота волн перестраивается полем на десятки ГГц,

— о -

длина волны, величина групповой скорости меняются на один-два порядка при изменении поля, не превышающего сотни эрстед) и, в то же время, просто осуществим технически и технологически.

Вторая глава посвящена разработке и исследованию управляемого элемента (линии передачи) на различных типах магнитостатических волн, распространяющихся в тонких пленках ЖИГ во внешнем нестационарном подмагничивающем поле. Определены основные параметры и характеристики, правильный выбор которых позволяет осуществлять наиболее эффективную работу МСВ элемента в заданном диапазоне рабочих частот и мощностей при изменении внешнего магнитного поля по рассчитанным законам и в пределах, определяемых конкретным применением МСВ элементов в различных устройствах.

Все созданные МСВ устройства с модулируемым во времени внешним магнитным полем строились на основе разработанного базового управляемого МСВ элемента (линии передачи), одна из конструкций которого приведена на рис.1. МСВ элемент представлял собой тонкую пленку чистого (Y3Fe5012) с намагниченностью насыщения 1750 Гс (1 rc=10-i Тл) или замещенного железо-иттриевого граната состава CY_HFe ' Sc 3tEe, Ga Ю.„ (4иМ от 380 до 1000 Гс),

о с—у у х 1 с.

размерами 3x15 мм, напыленную на подложку из галий-гадолиниево-го граната (ИТ), толщиной 400-500 мкм методом жидкофазной эпи-таксии. Толщина пленки ЖИГ (d=7-20 мкм) выбиралась в зависимости от требований к виду дисперсии МСВ, и определялась конкретным применением МСВ-элемента в устройствах. Для возбувдения и приема МСВ, распространяющихся в ферритовых пленках использовались одиночные микрополосковые преобразователи (МЛН) (при создании широкополосных МСВ-элементов) или многоштыревые МПП типа "решетка", "меандр" ( для узкополосных элементов ) шириной W = 50-100 мкм, напыленные на поликоровую подложку толщиной 1-2 мм на расстоянии 1=0.4-0.8 см друг от друга.

Тонкопленочная структура ЖИГ-ИТ размещалась и приклеивалась на поликоровой подложке с преобразователями. Вся система ЖИГ-ГГГ-поликор помещалась во внешнее магнитное поле, создаваемое электромагнитной системой или постоянными SmCo5 магнитами. Направление внешнего магнитного поля выбиралось в зависимости от типа возбуждаемых волн ( ПМСВ, ООМСВ, ПОМСВ). На рис.1 показаны три основных направления внешнего намагничивающего поля Н1, Н2, Н3 для возбуждения этих типов волн.

Для создания нестационарного во времени и однородного в про-

- о -

Рис.1. Конструкция управляемого МСВ-элемента (линии передачи)

странстве внешнего намагничивающего поля, той же ориентации,что и постоянное магнитное поле, применялись различные типы низкоиндуктивных катушек и полосковых структур. Закон изменения во времени электрического тока, пропускаемого через катушки или полоски определялся видом конкретного устройства, реализуемого на основе управляемого МСВ элемента. Наличие в конструкции МСВ элемента дополнительного проводника тока в виде катушек или по-лосков, напыленных на поликоровой подложке является принципиально необходимым (наряду с наличием постоянного магнитного поля ), поскольку это позволяет оперативно изменять подмагничивающее поле по заданным законам, и, соответственно, управлять параметрами МСВ, при их возбуждении, распространении или взаимодействии в тонкопленочной ферритовой структуре, и, в конечном итоге, управлять параметрами электромагнитного сигнала(фазой,частотой, временем задержки, амплитудой).

Проведены расчеты вносимых потерь элемента на поверхностных МСВ с учетом реальной дисперсионной характеристики. Исследованы амплитудная (динамический диапазон), амллтудно-частотная(АЧХ) и

фазочастотная(ФЧХ) характеристики широкополосных и узкополосных МСВ элементов. Фазо-частотная характеристика элементов определяется, в основном, дисперсией МСВ, а амплитудно-частотная характеристика -как частотной зависимостью потерь распространения МСВ, так и частотной зависимостью возбуждения и приема волн.

Показано, что зависимость волнового числа к МСВ от величины внешнего намагничивающего поля Н приводит к изменению фазы (частоты) сигнала, распространяющегося в МСВ-элементе на длине L: Ф=к(Н)Ь (длина распространения задается расстоянием между вход: ным и выходным микроголосковыми преобразователями) при измене-• нии напряженности магнитного поля во времени. Зависимость набега фазы МСВ от напряженности магнитного поля позволяет осуществлять плавное управление фазой ( частотой ) выходного сигнала.

Измерены и по дисперсионным характеристикам рассчитаны зависимости фазы и частоты сигнала, прошедшего через МСВ линию передачи от внешнего магнитного поля (характеристика управления).

Приведена принципиальная схема разработанного устройства формирования заданного закона модуляции подмагничиващего поля во времени. Экспериментально подобранная по рассчитанному закону зависимость изменения во времени модулирующего магнитного поля h(t) обеспечивала линейную частотную модуляцию со скоростью а= 2.5 МГц/мкс прошедших МСВ линию передачи радиоимпульсов длите! льностью от 2 до 8 мкс с точностью не хуже ±5 %. По уровню вносимых потерь МСВ элемента Ъ = -30 дБ база сформированных таким способом сигналов составляла от 5 до 200.

В конце главы суммированы основные результаты исследований МСВ-элементов в условиях нестационарного магнитного поля.

В третьей главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований характеристик и параметров разработанных согласованных МСВ фильтров для частотно-модулированных радиоимпульсных сигналов и адаптивных фильтров с нестационарным магнитным полем для немодулированных сигналов.

Принцип согласованной фильтрации (сжатие) частотно-модулированных радиоимпульсных сигналов основан на естественной дисперсии МСВ (зависимости групповой скорости волн, а, потому, и времени задержки сигнала в МСВ фильтре от частоты). При подаче на вход МСВ-фильтра частотно-модулированного сигнала разные фрагменты входного радиоимпульса приобретают в МСВ фильтре разные групповые скорости (т.е. задерживаются на разные времена ). При

согласовании закона изменения частоты во времени f(t) в радиоимпульсе и закона изменения времени задержки сигнала от частоты тд(Я в МСВ-фильтре на выходе последнего задний фронт импульса догоняет передний, и происходит сжатие.

Исследовалось сжатие широкополосных JT4M радиоимпульсов с длительностями 0.1-0.5 мкс, девиацией частоты до 120 МГц и мощностью до 10 мВт. Скорость изменения частоты ЛЧМ сигналов варьиро-ровалась от а=110 МГц/мкс до 180 МГц/мкс.

Структурно согласованный МСВ фильтр состоял из базового управляемого ПМСВ (для убывающей ЛЧМ) или ООМСВ ( для возрастающей ЛЧМ) элемента. Внешнее постоянное магнитное поле, создавалось постоянным магнитом, расположенным под поликоровой пластиной, если фильтр работал на фиксированной частоте в диапазоне 3-4 ГГц (частоту выбирали изменением зазора между магнитом и структурой ЖИГ-ГГГ ) или электромагнитной системой - для перестройки рабочей частоты фильтра в диапазоне 2.6 - 4.5 ГГц. Минимальные потери фильтра составляли Ь=-5.-8 дБ в зависимости от централь-ральной частоты, ширина АЧХ - ДР=300 МГц.

Проведены измерения зависимости времени задержки от частоты в созданных ПМСВ и ООМСВ фильтрах при изменении управляющего магнитного поля. Экспериментально измерены и рассчитаны зависимости длительности сжатого радиоимпульса гвых от длительности вхо-ного ЛЧМ радиоимпульса т:вх для 0^=180 МГц/мкс -наилучшее согласование законов ЛЧМ i(t) и хз(1) ПМСВ фильтра и а2=110 МГц/мкс.

На зависимости существует характерный минимум, подтверждающий теоретические расчеты и соответствующий длительности входного импульса, для которого обеспечено наилучшее согласование закона Г( t ) и т (Г). По зависимости т„„,(т„) рассчитан коэффициент

3 ВЫ 2. ВХ —

сжатия К „„' от базы сигнала В=алг „. Максимальный коэф-

СЗК са ВЫл в л.

фициент сжатия составлял 15 при минимальной длительности сжатого импульса 12 не.

Показаны возможность и преимущества согласованной обработки (сжатия во времени) немодулированных радиоимпульсных сигналов в разработанном адаптивном фильтре на МСВ, при осуществлении импульсной модуляции внешнего подмагничивающего поля.

Для модуляции поля использовались: в случае фильтра на поверхностных МСВ проводник в виде полоски шириной 2 мм, для фильтра на обратных объемных МСВ - катушка с низкой индуктивностью. На них подавали импульсы тока пилообразной формы с регулируемой

амплитудой, что позволяло модулировать напряженность магнитного поля на 30 Э (1Э = 79.6 А/м) со скоростью а=100 Э/мкс.

Причем, в силу особенностей дисперсионных характеристик ПМСВ и ООМСВ согласованная фильтрация возможна, в первом случае, только при увеличивающемся со временем значением магнитного поля ан/аг>0, а во втором случае только при убывающем поле дЕ/дКО. Сжатие смодулированных радиоимпульсов при использовании МСВ фильтров происходит из-за того, что отдельные фрагменты радиоимпульса при преобразовании его в волну приобретают различные групповые скорости, вследствие изменения величины магнитного поля. Изменяя поле таким образом, чтобы последующие фрагменты имели возрастающие значения групповой скорости получаем сжатый импульс на выходе адаптивного фильтра. В случае ПМСВ фильтра на вход подавались импульсы с частотой в диапазоне от 4 до 10 ГГц, длительностью от 100 до 400 не и мощностью до 10-15 мВт.

Минимальная длительность импульса на выходе ПМСВ фильтра составляла 13 не. Максимальный коэффициент сжатия - 14.Уменьшение длительности импульса при сжатии сопровождалось увеличением его амплитуды. Полные потери сигнала, прошедшего фильтр уменьшались до -10 дБ по сравнению с потерями -20 дБ в случае стационарного магнитного поля. Для фильтра на ООМСВ в диапазоне частот от 3 до 5 ГГц минимальная длительность сжатых импульсов равнялась 15 не, а максимальный коэффициент сжатия Ксж=12.

Измерены и рассчитаны зависимости длительности сжатого радиоимпульса т от длительности входного радиоимпульса т и коэ-

ВЫХ Ва

ффициента сжатия от базы входного радиоимпульса, роль которой в нестационарном магнитном поле играет величина В=СГ(11.(1;))т ,где - изменение частоты МСВ в фильтре, вызванное изменением поля за время длительности входного сигнала. Коэффициент сжатия зависит от базы существенно нелинейно уже при значениях В>20.

Даны оценки предельно достижимых значений длительности сжатого импульса и коэффициента сжатия МСВ фильтров.

Четвертая глава посвящена исследованию и разработке параметрического преобразователя частоты непрерывных сигналов на эффекте взаимодействия двух МСВ при параметрической накачке внешним магнитным полем. Экспериментально исследовано влияние изменения ориентации внешнего магнитного поля на дисперсию и амплитудно-частотную характеристику элемента на ОМСВ. При наклонном намагничивании в ОМСВ-элементе могут распространятся сразу две

волны ООМСВ и ПОМСВ, которые имеют коллинеарные направленные навстречу друг другу групповые скорости. При этом происходит трансформация дисперсионной характеристики(ФЧХ) и АЧХ элемента. Обе волны ( ПОМСВ и ООМСВ ) эффективно возбуждаются одиночными МПП (потери -13..-15 дБ). Дисперсионная характеристика наклонно намагниченнго ОМСВ элемента хорошо описывается уравнением вида:

|fiSln2p+Cos2p| f_ г |i+1

М = —-—--^ +агс^[ ~—; * ЗдКнБИг|3+Созср^| (1)

где: М + С/н/м)/^"/2). /Н=ТВ, Ти=*(М, 7=2.8 МГц/Э, ^=0,1,2.. - номер моды, Я и (3 - величина и угол внутреннего магнитного поля относительно направления распространения падающей волны.

Эффективное взаимодействие волн, распространяющихся в такой линии передачи может иметь место только при выполнении условий фазового синхронизма. Если параметры линии передачи однородны в пространстве и изменяются во времени, то для двух взаимодействующих волн условия фазового синхронизма принимают вид:

*2 = ^ + Р , = (2)

( к.,, ), (Г , Г2) - соответственно волновые векторы и частоты волн, Р - частота изменения внешнего магнитного поля.

Наблюдали появление волны с частотой4 Г2распространяющейся в противоположном направлении к падающей волне ( к входному МП преобразователю) с частотой 1 =3.3-4 ГГц и модуляцией внешнего магнитного поля с частотой Р = 29-400 МГц при выполнении условий фазового синхронизма.

Преобразователь частоты представлял собой описанную выше МСВ линию передачи.которая помещалась между полюсами электромагнита в однородное поле напряженностью 1.95 кЭ, направленное под углом 17° к нормали к плоскости пленки. Для модуляции поля использовали низкоиндуктивную катушку, намотанную на структуру, по которой пропускали переменный ток с частотой Р.

Приведена методика расчета коэффициента преобразования т), который может быть выражен через измеренные значения мощности входного сигнала Р(1), мощности боковой составляющей в спектре отраженного сигнала Р (Г+Р) и АЧХ линии передачи Ь(Г) в наклонном магнитном поле.По экспериментальным данным были рассчитаны зависимости т) от волнового числа к взаимодействующих волн в ус-

ловиях точного синхронизма (F-const) и зависимость т] от частоты модулирующего поля F при фиксированном значении к. Максимальное значение коэффициента преобразования составляло Ч7тах= 4%.

Поскольку данный эффект имеет четко выраженный резонансный характер, то МСВ преобразователь частоты наряду с преобразованием обеспечивает частотную фильтрацию сигнала с дооротностями 100-300. Ширина полосы частот взаимодействия при уменьшении коэффициента преобразования на ЗдБ составляла ÖF=40 МГц. С ростом к наблюдалось сужение полосы частот взаимодействия до минимального значения 6Р=20 МГц (что эквивалентно росту добротности резонансной фильтрации МСВ преобразователя ). Мощность преобразованной частоты на входном преобразователе в спектре отраженного сигнала P1(I+F) нелинейно увеличивалась от нуля до максимального значения с возрастанием амплитуды модулирующего поля h. (тока в катушке).

На рис.2 показан спектр частот отраженого сигнала и зависимость коэффициента преобразования т] (штриховая линия) от частоты входного сигнала.

В конце главы суммированы основные результаты исследований и сделаны краткие выводы..

В пятой главе представлены результаты исследований принципов построения, особенностей и основных характеристик созданных управляемых генераторов на различных типах МСВ, перекрывающих диапазон 0.5-10 ГГц.4 Определены условия возникновения генерации, учитывающие специфику частотно-селективного элемента на МСВ.

Предложены методики расчета амплитудных и спектральных характеристик МСВ-автогенератора, содержащего твердотельный полупроводниковый усилитель, направленный ответвитель и линию задержки (ЛЗ) на МСВ (базовый МСВ-элемент), включенный в цепь внешней обратной связи (ОС) усилителя. Получено выражение для максимальной мощности, которую можно получить от генератора с заданными коэффициентом усиления усилителя KQ и потерях I в цепи ОС при оптимальном коэффициенте ответвления мощности в цепь обратной связи ßonT=ln(KL)/(KL-1):

Кж = С 1 - 1/КЬ - ln(KL)/KL 1 (3)

ген max нас

Показано, что при использовании широкополосной ЛЗ реализуется многомодовый режим генерации, а в случае узкополосной-одномодо-вый. Возможность плавной практически линейной электронной пере-

мощность Р (дБм)

Ч %

О ■10 ■20 ■30 •40 ■50

- /

- 1 \

/ \

1 V

1 \

1 \

1 V

1 \

/ \

/ V

/ \

г / .... -1_ . 1 . 1 _.. , _1__

частота

f+F

О

Рис.2. Спектр отраженного сигнала и зависимость коэффициента преобразования (штриховая линия) от частоты входного сигнала (F - const) МСВ-преобразователя частоты

стройки частоты генераторов на МСВ обусловлена зависимостью основных параметров МСВ (частота, групповая скорость, задержка) от напряженности внешнего магнитного поля (тока в катушках электромагнитной системы).

Для генераторов с широкополосными МСВ ЛЗ в процессе перестройки (для отдельной моды) наблюдались скачки частоты ( участки непрерывной перестройки до 500 МГц), а для генераторов с узкополосными ЛЗ срывы генерации через интервалы 700-1000 МГц, обусловленные частотной зависимостью сдвига фазы в линиях связи вне ЛЗ, приводящей к нарушению баланса фаз. Изменение уровня мощности генераторов в интервалах непрерывной перестройки не превышало 3 дБ.

Измеренный температурный уход частоты для ПМСВ генератора составлял -2..-5 МГц /°С и был обусловлен в основном нестабильностью МСВ линии задержки. Методом выбора угла ориентации внешнего магнитного поля tg(2a)=2/(1+4ö[/H) в ШСВ линии задержки

- 1b -

температурную стабильность генератора на фиксированной частоте удалось по высить до -0.1 МГц /°С.

Проведены исследования спектральной плотности мощности фазовых шумов МСВ-генераторов, содержащих различные типы линий задержки на МСВ (ПМСВ, ООМСВ, ПОМСВ), перекрывающих диапазон 0.510 ГГц. При этом в линиях задержки использовались пленки ЖГ с намагниченностью насыщения от 380 Гс для диапазона частот <1ГГц до 1750 Гс для частот свыше 3 ГГц. Измерения проводились при отстройках от несущей частоты на величину Р от 1 до 1000 кГц. Для сравнения измерялись также фазовые шумы стандартного серийно выпускаемого клистронного генератора Г4-80.

Типичные значения уровня шумов МСВ-генераторов составляли S( 10 кГц ) = -95..-100 дБ/Гц и S(100 кГц)= -120..-123 дБ/Гц, что меньше уровня шумов генератора Г4-80 при тех же отстройках от несущей и одинаковой мощности генерации в среднем на 10 дБ/Гц. Минимальный измеренный уровень шума МСВ-генератора составил при отстройке на 1 МГц от несущей -143 дБ/Гц.

Показано, что спектр фазовых шумов МСВ-генераторов хорошо описывается моделью шума Лисона. Для МСВ-генераторов получено выражение, описывающее зависимость спектральной плотности мощности фазовых шумов от частоты отстройки от несущей.

Эксперименты и теоретические расчеты показали, что уровни фликкерного и частотного шумов МСВ-генераторов, в отличие от кварцевых и ПАВ-генераторов определяются величиной времени задержки в цепи обратной связи, а не добротностью или значением частоты генерации в отдельности.

Установлено, что белый частотный шум занимает в МСВ-генера-торах область частот от 40 кГц до 2.1 МГц. Большая, по сравнению с ПАВ-генераторами ширина области белого частотного шума обусловлена меньшими временами задержки МСВ. При отстройках от несущей частоты генератора до 40кГц преобладает фликкерный частотный шум. Уровень шумового фона МСВ-генераторов составляет -148 дБ/Гц. Проведены экспериментальные исследования S(P) различных типов МСВ-генераторов при перестройке рабочей частоты в пределах АЧХ широкополосных октавных усилителей с фиксированным значением частоты анализа Р=100кГц.

Реализован и исследован нелинейный режим работы линии задержки в ООМСВ-генераторе на частотах ниже 3.3 ГГц. Так как МСВ относятся к сильно нелинейным волнам, то в ООМСВ линиях задерж-

ки на частотах Г < 4тсМ/3 ( 3.3 ГГц при 4иМ =1750 Гс - чистый ЖИГ) и ПМСВ ЛЗ на частотах Г < "¡2Ш (4.9 ГГц - для чистого ЖИГ) при уровнях возбуждающей СВЧ мощности Р=0.1—1 мВт законы сохранения разрешают трехволновые параметрические процессы распада МСВ на коротковолновые магноны. Эти нелинейные процессы приводят к обогащению (зашумлению) спектра частот при ограничении уровня мощности сигнала, прошедшего через МСВ линию передачи, что значительно ухудшало шумовые характеристики генератора ( на 15-20 дБ/Гц ).

Проведены теоретические оценки влияния на уровень фазовых шумов МСВ-генераторов нестабильности в электромагнитной системе управления, с помощью которой осуществляется перестройка частоты, и показано, что при рациональном выборе параметров ( сопротивления обмотки, крутизны характеристики управления ) нестабильность электромагнитной системы практически не влияет на спектр фазовых шумов генераторов. Сформулированы способы уменьшения уровней спектральной плотности фазовых шумов генераторов при решении конкретных задач уменьшения шумов в ближней или дальней ( Р>2 МГц ) зонах, т.к. в МСВ-линиях задержки два параметра, влияющие на уровень фазовых шумов (задержка и потери) взаимосвязаны.

Получен и изучен процесс активной синхронизации мод МСВ генератора, работающего в многомодовом режиме, позволяющий реализовать генерацию коротких когерентных радиоимпульсов.

Экспериментально реализован и исследован режим многомодовой генерации в генераторе с ООМСВ линией задержки с центральной частотой 3.57 ГГц. Наблюдалась устойчивая многомодовая генерация до 15 частот. Расстояние между частотами генерации возрастало от Af=17 МГц до 22 МГц с увеличением частоты, т.е. формировался неэквидистантный спектр генерации. Частоты генерации рассчитывались из условия баланса фаз с использованием известного дисперсионного уравнения для ООМСВ. Показано, что неэквидистантность генерируемой сетки частот обусловлена главным образом нелинейностью фазовой характеристики ООМСВ линии задержки.

Рассмотрены особенности реализации процесса синхронизации мод в МСВ-генераторах. С помощью гармонической модуляции магнитного поля вида: H(t)=HQ+li cos(2"!tFt) с частотой Р, совпадающей с величиной межмодового интервала Д1 и амплитудой h осуществляли активную синхронизацию мод. Число синхронизированных мед огра-

ничивалось неэквидистантностью расположения частот в спектре многомодовой генерации и зависело от ширины интервала синхронизации: 28ГЫ=(ГН/0И)(А^_1/АН), где - амплитуда Ы-й моды,

± пР)-амплитуда п-й Соковой составляющей соседней моды, О^тсГ^д - эквивалентная добротность линии задержки, ты -время задержки на Ы-й частоте.

Частота накачки Р в экспериментах изменялась в пределах 2-50 МГц с амплитудой до 11=20 Э. В многомо'довом режиме при Р=19 МГц, близкой к межмодовому интервалу между центральными составляющими спектра, имеющими наибольшие амплитуды, наблюдали трансформацию спектра и формирование когерентных радиоимпульсов на выходе МСВ-генератора.

Период следования импульсов равнялся 53 не, а длительность на полувысоте составляла 7 не. Средняя мощность генерации достигала 3.5 мВт. Отличительной особенностью данного режима в МСВ генераторах является ассимметрия формы огибающей генерируемого импульса.Разность начальных фаз синхронизированных мод, обусловленная неэквадисгантностью спектра собственных частот, позволяет удовлетворительно объяснить ассимметрин формы импульсов.

Форма огибающей радиоимпульсов на выходе генератора рассчитывается по следующей формуле:

Г ■.. и2 2

Р(Ю= | ^ А^ Ие[ехр({2тсРШ-1Г)+ф*)] } , Л,<Г<Ы2 , (4)

где А^ - амплитуды синхронизированных мод, ср*-строго определенные, отличные от нуля фазы синхронизированных мод, Ы2- -число синхронизированных мод.

Длительность сформированных импульсов определяется числом синхронизированных мод М, 1;И=1/МД1, М- интервал между модами. При синхронизации формировался эквидистатантный спектр генерации с Д1 = Р (частота накачки). Центральную частоту когерентных радиоимпульсов перестраивали в пределах полосы частот усилителя, изменяя только напряженность Н0 внешнего постоянного магнитного поля, без изменения структуры МСВ-линии задержки.

Показана возможность управления длительностью сформированных радиоимпульсов (от 7 до 12 не) при изменении амплитуды модулирующего магнитного поля, так как от нее зависит ширина полосы синхронизации, а следовательно и число синхронизированных мод.

В конце главы сделаны краткие выводы и суммированы основные результаты описанных исследований.

В заключении перечислены основные результаты диссертации:

1. Разработаны конструкции управляемых элементов на основе тонкопленочных ферритовых структур ЖИГ на различных типах магнито-стастатических волн, распространяющихся в условиях нестационарного внешнего намагничивающего поля.

2. Предложен способ модуляции частоты сигнала в управляемом МСВ элементе по заданному закону при обеспечении модуляции внешнего магнитного поля по определенному закону. Разработанный модулятор обеспечивает изменение частоты радиоимпульсов длительностью 1-10 мкс до 10 МГц.

3. Созданы ПМСВ- и ООМСВ-фильтры для согласованной фильтрации (сжатия) модулированных радиоимпульсов и немодулированных радиоимпульсов при импульсном изменении напряженности внешнего намагничивающего поля.

4. Разработан управляемый преобразователь частоты сигналов на взаимодействии двух МСВ при параметрической накачке внешнего магнитного поля. Преобразование возможно в широком диапазоне частот существования МСВ без изменения структуры преобразователя за счет управления его рабочей частотой внешним магнитным полем.

5. Установлено, что эффект параметрического преобразования частоты имеет резонансный характер, поэтому МСВ-преобразователь осуществляет частотную селекцию сигналов с эквивалентными доб-ротностями 100-300 вместе с преобразованием частоты сигнала.

6. Предложены и проверены экспериментально методики расчета спектральных и амплитудных характеристик разработанных МСВ-ге-нераторов, перекрывающих диапазон частот от 0.5 ГГц до 10 ГГц. Исследованы спектральные плотности фазовых шумов различных типов МСВ-генераторов с линиями задержки, работающими в линейном и нелинейном режимах распространения магнитостатических волн.

Проведены оценки величины нестабильности электромагнитной системы управления и ее влияние на уровень шумов МСВ-генераторов.

7. Экспериментально получен и изучен процесс активной синхронизации мод в МСВ-линиях передачи. Показано,что в МСВ линии передачи наиболее эффективной является активная синхронизация мод при гармонической модуляции напряженности внешнего магнитного поля.

8. Предложен способ получения коротких когерентных радиоимпульсов в МСВ-генераторе, работающем в многомодовом режиме при синхронизации собственных мод генератора внешним гармоническим магнитным полем. Установлено, что длительность сформированных радиоимпульсов зависит от числа синхронизированных мод и определяется полосой синхронизации, а форма огибающей импульсов зависит от фазового сдвига между синхронизированными модами и определяется нелинейностью дисперсионной характеристики МСВ.

Показана возможность управления длительностью когерентных радиоимпульсов изменением амплитуды модулирующего магнитного поля.

Публикации по теме диссертации

1. Дунаев С.Н., Фетисов Ю.К. Управляемый генератор на магнито-статических волнах. // В кн.: Вопросы кибернетики. Устройства и системы, М.: МИРЭА, 1988. С.130-140.

2. Дунаев С.Н., Фетисов Ю.К. Разделение магнитостатических мод в пленке феррита при пространственно-временной фокусировке. //В кн.: Тезисы докл. Всес. Конф. "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниковыми и диэлектрическими структурами", Саратов, 1988. Ч.З. С.49-50.

3. Дунаев С.Н., Преображенский В.Л.v Рыбаков В.П., Фетисов Ю.К. Сжатие широкополосных ЛЧМ импульсов МСВ. // В кн.: Тез.докл. IV Всес.семин. "Спинволновая электроника СВЧ",Львов, 1989.С.50-51.

4. Дунаев С.Н., Фетисов Ю.К. Перестраиваемый генератор со стабилизирующим элементом на магнитостатических волнах // Стабилизация частоты : Тез.докл.межотр.н.т.конф., совещаний, семинаров, 4.2 ВИМИ 1989. С.82-85.

5. Dunaev S.N., Rybakov Y.P., PetlsoY Y.K. Wideband, linearly modulated, pulse compression in magnetostatic waves delay line. // Proc. or the 10-th Internat. Coní. on Microwave Ferrites (ICMF), Poland 1990. Part 2. P.307-311.

6. Дунаев С.Н., Фетисов Ю.К. Транзисторный автогенератор с линией задержки на магнитостатических волнах.//Электронная Техника. Сер. Электроника СВЧ, 1990. вып.4(428). С.8-12.

7. Дунаев С.Н., Грязных И.В., Мясоедов А.Н., Рыбаков В.П., Фетисов Ю.К. Модулятор частоты радиоимпульсов на магнитостатических волнах. // Радиотехника и Электроника, 1990. Т.35. No 11. С.2543-2545.

3. Дунаев G.H., Фетисов ¡O.K. Фазовая синхронизация магкитоста-тических волн в нестационарном магнитном поле.//В кн.:Тез.докл. V Всесоюзн. Школы по спин-волновой Электронике СВЧ, Звенигород 1991. С.19-20.

9. Дунаев G.H., Преображенский В.Л., Рыбаков В.П., Фетисов Ю.К. Сжатие пакета магнитостатических волн в нестационарном магнитном поле.// Журнал Технической Физики, 1991 Т.61. No11, С.6-15.

10. Дунаев С.Н,, Фетисов Ю.К. Многочастотная генерация и синхронизация мод в генераторе на магнитостатических волнах. // Радиотехника и Электроника, 1992. Т.37. No 2. С.290-295.

11.Дунаев С.Н., Фетисов Ю.К..Токарев В.Г., Васильев В.П. Экспериментальные исследования фазовых шумов МСВ-генераторов. // Радиотехника и Электроника, 1992. Т.37. No 7. С.1274-1280.

12.Dunaev S.N., Fetisov Y.K. Conversion of magnetostatic waves frequency In a ferrite film in nonstationary magnetic field. // Digest of the 6-th International Conference on Ferrites (ICP), Tokyo 1992. P.37.

13.Dunaev S.N., Fetisov Y.K. Multlmode oscillation and mode locking of magnetostatic wave delay line oscillatoi:.// Electronics letters, 9th April 1992. V.28. No 8. P.789-791. U.Dunaev S.N., Fetisov Y.K. Coherent microwave pulses oscillation by magnetostatic wave delay line mode-locked oscillator.// Proced. of 22-d European Microwave Conference, Finland 1992. V.I. P.588.

15.Dunaev S.N., Petisov Y.K. Parametrical interaction of magnetostatic waves in uniform nonstationary-magnetized garnet film. // Electronics Letters, 8th October 1992. V.28. No 21. P. 1998-2000.

16.Dunaev S.N., Fetisov Y.K. Microwave pulse frequency modulator based on magnetostatic waves. // Electronics Letters, 24th June 1993. V.29. No 13. P.1216-1217.

17.Dunaev S.N., Petisov Y.K. Reversal of magnetostatic volume waves group velocity in a nonstationary magnetic field.// IEEE Transactions on Magnetics, Nov.1993. V.29. No 6. P.3449-3451.

18.Dunaev S.N., Petisov Y.K. Frequency selective tunable mixers using magnetostatic waves // Proceed, of 24-tli European Microwave Conference, France 1994. V.1. P.304-303.