Файл: Пузырев В.А. Тонкие ферромагнитные пленки в радиотехнических цепях.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 04.07.2024

Просмотров: 105

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

дольной оси фильтра .

У п р а в л я ю щ е е поле

в обоих,

слу ­

чаях прикладывается

вдоль трудного направления

н а ­

магничивания пленки.

Принцип действия

СВЧ ключа

V

6

Ри с . 2.30

дл я двух случаев расположения пленки в полосковой

линии

поясняется на рис. 2.30, а

и б.

 

Д л я

анализа ключа

на неоднородной линии

способ

расположения пленки не

имеет

принципиального

значе-

113

/

ния, поэтому рассмотрим один из них. Пусть тонкая маг­ нитная пленка помещена в индуктивном участке таким

образом, что ее легкая ось

п а р а л л е л ь н а оси

полосково-

го резонатора . Угол ' м е ж д у

направлением

намагничен ­

ности (при отсутствии внешних с м е щ а ю щ и х полей) и высокочастотным магнитным полем равен я/2 . При этом взаимодействие м е ж д у полем и намагниченностью мак­ симальное, в результате чего реализуется закрытое со­ стояние ключа. Механизм взаимодействия можно пред­ ставить в виде следующей модели. В первую четверть периода высокочастотного поля намагниченность откло­ няется под действием поля от легкой оси и пленка отби­ рает энергию от внешней цепи. В течение второй четвер­ ти периода, когда высокочастотное поле уменьшается, намагниченность в о з в р а щ а е т с я к легкой оси и отдает энергию во внешнюю цепь. При этом во внешней цепи

наводится

ток, который

направлен

навстречу току,

воз­

б у ж д а ю щ е м у

магнитное

поле

в резонаторе, и, следова­

тельно, создает отраженную волну. Во

вторую

половину

периода процесс повторяется. Так как

колебания намаг ­

ниченности

совершаются

с некоторым

«трением»,

т. е.

с релаксационными

потерями

в самой

пленке,

то

отра­

ж е н н а я волна

не компенсирует

п а д а ю щ у ю

и часть

высо­

кочастотной

энергии

приходит

на

выход

ключа.

Н а и ­

большее отклонение вектора намагниченности от легкой оси под действием поля имеет место при резонансе, т. е. при совпадении частоты изменения поля и частоты фер­

ромагнитного

резонанса

( Ф М Р ) . Этот режим и

исполь­

зуется в ключе, для чего

выбираются пленки с таким

Нк,

чтобы частота

естественного Ф М Р была равна

частоте

высокочастотного поля.

 

 

 

 

В различных точках неоднородной пленки из-за нали ­

чия, /неоднородных локальных анизотропных полей

(мик­

ро- и м а к р о м а с ш т а б о в )

частоты Ф М Р отличаются

и

ко­

лебания векторов намагниченности в отдельных точках имеют различные фазовые сдвиги. П р и этом происходит «расфазировка» отраженной волны, которая будет в меньшей степени компенсировать падающую, в резуль­ тате чего на выход ключа будет проходить дополнитель­ ная энергия.

Таким образом, уменьшение затухания ключа в за­ крытом состоянии связано не только с потерями энергии в пленке, но и с интерференцией отраженных от неодно­ родностей волн.

114

Открытое

состояние ключа

реализуется при подаче

с м е щ а ю щ е г о

поля Ни — Я т в трудном

направлении

(при

подаче

тока

в у п р а в л я ю щ у ю

цепь) . В идеальной

одно­

родной

пленке при

поле Я т ^

Я к

вектор намагниченно­

сти устанавливается

вдоль трудной

оси, т. е. п а р а л л е л ь н о

высокочастотному полю, и перестает

взаимодействовать

с ним; ослабление в этом случае зависит только от по­ терь во внешней цепи.

В неоднородной пленке векторы намагниченности от­ дельных участков образуют при поле Я т = Я к еще до­ вольно большие углы с трудной осью и, следовательно, взаимодействуют с высокочастотным полем. Д л я умень­ шения углов отклонения областей от направления, пер­

пендикулярного

высокочастотному полю,

приходится

прикладывать смещающие поля, в несколько

раз превы­

ш а ю щ и е поле

анизотропии, что значительно

у с л о ж н я е т

у п р а в л я ю щ у ю цепь.

 

Р и с . 2.31

Теоретическое исследование ключа было проведено Волощенко Ю. И. и Злочевским Е. М. [22]. Конструк­ ция ключа такова, что электрическое и магнитное поля в нем фактически разделены и сосредоточены в различ­ ных участках, поэтому для анализа ключа можно вос­ пользоваться моделью пленки в виде эквивалентной схе­ мы с сосредоточенными, параметрами . Эквивалентную схему ключа можно представить в виде, показанном на

рис. 2.31, где С] и

Сг — емкости широких отрезков филь­

тра; L — эквивалентная индуктивность

узкого

участка;

г — сопротивление

потерь, учитывающее

потери

в индук­

тивном

участке; zmi

— сопротивление, вносимое

пленкой.

Д л я

исследования ключа в открытом

и закрытом

со­

стояниях воспользуемся теорией волновых матриц.

К а к

известно, функция

рабочего затухания

четырехполюсни­

ка определяется

элементом

волновой матрицы передачи

[37]:

Й5Р = [ Г ц ] 2 . Д л я

схемы,

представленной

на

рис.

2.31, имеем

 

 

 

 

1 1

 

2/RZ,-Z3

 

• ( _

>

115

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

где использованы

следующие

обозначения: Z , =

l/JwC^,;

Z 2

=

(jvL,

+ Z B 1 1

+

r)/p,;

Z 3

= l/ywCapf,

= p 2 / P l ;

Z B 1 I =

=

- ^ D H +

 

JXBH.

 

 

 

симметричной, т. е. С\ —

 

Примем

схему

фильтра

=

С2

=

С,

а волновые сопротивления подводящих ли­

ний

на

входе

и

выходе

коммутатора

равными р =

=р, = р 2 . В ы д е л я я действительную и мнимую части

элемента Гц

(2.72)

и

 

взяв

модуль,

получим

в ы р а ж е н и е

д л я

функции

рабочего

 

затухания:

 

 

 

 

 

Хр

=

N {\

+

 

^

-

шСА'В11

-

»*LC

+

 

+

4 ^

+

Х™

+

 

+ 2

* в „ ) ] } ,

(2-73)

г д е

N = 1 +

р 2 ш 2 С 2 ;

 

Rs

=

RBll +

г;

 

г — сопротивление

учитывающее

потери

в

индуктивном

участке .

 

 

К а к это следует

из

уравнения

(2.73), затухание оп­

ределяется не просто вносимым сопротивлением, а от­ ношением вносимого сопротивления к волновому сопро­ тивлению внешней цепи. Зависимостью затухания от волнового сопротивления объясняется, в частности, силь­

ное влияние з а з о р а

в

полосковой

линии

на

рабочее за­

тухание

так как, несмотря на то, что

при

увеличении

з а з о р а

в полосковой

линии поле

изменяется

незначи­

тельно,

затухание

резко падает

вследствие

 

возраста­

ния р. Поэтому д л я

увеличения затухания м о ж н о исполь­

зовать широкую полосковую линию с м а л ы м зазором, которая неизбежно будет иметь низкое волновое со­ противление.

Если рассматривать устройство в целом, то

т а к а я

конструкция потребует согласующих переходов

между

низкоомиым участком полосковой линии и передающей линией со стандартным волновым сопротивлением. Оче­ видно, в дециметровом диапазоне волн такое устройство д о л ж н о иметь значительные размеры .

Д р у г и м в о з м о ж н ы м вариантом внешней цепи являет­ ся неоднородная полосковая линия, состоящая из широ­ ких и узких участков с одинаковым зазором . Э т а кон­ струкция и принята в качестве внешней цепи, рассмат ­ риваемого здесь ключевого устройства. Преимуществом такой конструкции является то, что размеры всего уст­

ройства

значительно

сокращаются .

 

В ы р а ж е н и е (2.73)

позволяет определить

параметры

ключа в

открытом и

з а к р ы т о м состояниях.

Основными

116

п а р а м е т р а м и ключа в открытом состоянии являются: ко­ эффициент отражения, который зависит от степени со­ гласования фильтра с передающей линией, и потери на пропускание £ £ р о , которые при отсутствии дисперсии оси легкого намагничивания состоят из мощности потерь на

токи проводимости

и мощности потерь

в диэлектрике,

з а п о л н я ю щ е м зазор

м е ж д у пластинами

фильтра, при­

чем главную роль играют омические потери в индуктив­ ном отрезке фильтра . Д л я нормальной работы ключа в открытом состоянии коэффициент отражения и вели­ чина рабочего затухания ЗС р о д о л ж н ы иметь минималь ­ ные значения. Принимая, что в открытом состоянии клю ­

ча полное

вносимое сопротивление

Z B

n

в идеальном

слу­

чае равно

нулю,

в ы р а ж е н и е

(2.73)

преобразуем

к

виду

 

г , - ( 1

+ « [ | + ( |

+

 

^ ) ' +

 

 

 

+ ( «

£ . _ ! ) • +

4 ( * : •

+

£ ) ] .

(2.74)

Это в ы р а ж е н и е позволяет рассчитать частотную харак ­

теристику

ключа

 

в открытом

состоянии,

определить

резонансную частоту и потери на

пропускание.

 

 

П о л о ж и м

г =

0.

Р а б о ч е е

затухание имеет

три экстре­

мума на

частотах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ш1 =

0,

 

ш2 =

у ( 2 Р 2 С —

 

L)/p2LC2,

 

 

 

 

 

ш3

=

V(2Р2С

-

Z)/3p 2 ZC 2 .

 

 

Д в а из них

имеют

минимальное значение и один — мак­

симальное:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

•ро

 

• j ^ j - (L — 2 p 2 C ) 2 > 0

—минимум,

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

da*

 

 

 

(L

— 2p2 C)2 >

0

— минимум,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

da1

 

= - f - p3

(L — 2 P 2 C ) 2

<

0 — максимум.

 

 

 

 

 

 

 

Теоретическая зависимость рабочего затухания от

частоты показана на рис. 2.32,

а.

Экстремум

на частоте

coi

не представляет

интереса.

И з

оставшихся

двух

час­

тот

значение затухания

£6ро

д л я нас

представляет

инте­

рес

на

частоте

« 2 .

Без учета потерь (/- = 0) на этой

частоте

она

имеет

минимальное

значение, равное

еди-

117

нице. С учетом сопротивления г в ы р а ж е н и е для потерь в открытом состоянии на резонансной частоте co2 запи­ сывается как

^ Р О = ( 1 + - ^ ) 2 .

(2.75)

^Pib /

Р и с . 2.32

где $^=УЫС — волновое сопротивление фильтра. Н а рис. 2.32, б приведены теоретическая и экспериментально-

снятые зависимости потерь

на пропускание от

частоты.

В ключе д л я реализации

закрытого состояния

исполь­

зуется активная составляющая вносимого сопротивления на частоте ферромагнитного резонанса пленки, с о в п а ­ д а ю щ е й с резонансной частотой фильтра . С учетом того,

что

на частоте Ф М Р реактивная

с о с т а в л я ю щ а я

вноси­

мого

сопротивления равна нулю,

выражение д л я

затуха -

118

ния

ключа (2.73)

в закрытом

состоянии

можно

записать

к а к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

# , =

( 1 + р ^ - ) 2 .

 

(2.76)

К а к

правило,

величина

сопротивления

затухания г

мно­

го меньше величины вносимого сопротивления

RBll,

т. е.

выполняется

условие г «С Rm,

которое

может

быть

ис­

пользовано для упрощения в ы р а ж е н и я

(2.76).

 

 

И з выражений

(2.75)

и

(2.76) видно, что

волновое

сопротивление фильтра

р( |(

о к а з ц в а е т существенное

вли­

яние на величину затухания в открытом и закрытом со­ стояниях £б0 и : £ 3 соответственно. Н а рис. 2.33, а при-

Р и с . 2.33

ведены зависимости ослабления в открытом и закрытом состояниях от волнового сопротивления фильтра . При уменьшении р,|, ослабление в закрытом состоянии воз­ растает, но при этом одновременно .растет и 2£/0. Обычно необходимо получить максимальное затухание Л#э при минимальном ослаблении i60, поэтому рф необходимо выбирать минимально в о з м о ж н ы м по допустимому ££>0.

После

этого можно определить требуемую

величину /?в н

по заданному £С3.

 

Н а

рис. 2.34 приведены теоретические

и эксперимен­

тальные зависимости функции рабочего затухания от частоты дл я различных значений вносимого сопротив­ ления.

Вопрос влияния неоднородностей пленок на парамет ­ ры ключа был исследован Злочевским Е. М. [22]. По -

119

Смотрите также файлы