ГИРОМАГНИТНЫЙ КРОССУМНОЖИТЕЛЬ СВЧ Российский патент 1997 года по МПК H03D9/00 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано при разработке, настройке и эксплуатации активных приборов СВЧ для контроля и измерения уровня мощности их излучения на заданных частотах в миллиметровом диапазоне длин волн в случае многосигнальности их режима работы.

Известен феррит-диодный кроссумножитель [1] выполненный на основе изотропного феррит-гранатового резонатора. Однако в миллиметровом диапазоне длин волн он неприменим из-за резкого возрастания габаритов и энергопотребления магнитной системы, обеспечивающей подмагничивание такого резонатора, с ростом рабочей частоты.

Наиболее близким техническим решением является кроссумножитель на магнитоодноосном гексаферрите со спиральной микрокатушкой в качестве модулирующего элемента и с каскадно подключенным кристаллическим детектором [2] Гексаферритовый резонатор, имеющий ось магнитной кристаллографической анизотропии, ориентируют по направлению поля внешнего магнита (угол θ0^o), а с помощью микрокатушки модулируют поле подмагничивания гексаферрита. Однако при продвижении в миллиметровый диапазон длин волн эффективность преобразования (коэффициент преобразования, чувствительность) снижается, равномерность частотной характеристики и коэффициента преобразования в рабочем диапазоне частот ухудшается. Это связано с тем, что модулирующий элемент в виде спиральной микрокатушки, расположенный внутри волновода, представляет собой существенную электродинамическую неоднородность. Кроме того, из-за снижения добротности резонатора с ростом частоты требуется все большая амплитуда тока модуляции при необходимости уменьшать толщину микропровода спиральной микрокатушки, что приводит к ее выгоранию. Указанный кроссумножитель СВЧ не может работать в коротковолновой части миллиметрового диапазона.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении эффективности преобразования мощности (чувствительности, коэффициента преобразования) при продвижении в миллиметровый диапазон длин волн и его коротковолновую часть, обеспечение равномерного коэффициента преобразования в широком рабочем частотном диапазоне.

Это достигается тем, что в известном гиромагнитном кроссумножителе СВЧ, содержащем расположенный в зазоре внешнего магнита отрезок линии передачи СВЧ на основе волновода с помещенными внутри него гексаферритовым резонатором, обладающим осью магнитной кристаллографической анизотропии, модулирующий и демодулирующий элементы, модулирующий элемент выполнен в виде пьезоэлектрического излучателя, имеющего акустический контакт с гексаферритовым резонатором, при этом угол ориентации оси магнитной кристаллографической анизотропии гексаферритового резонатора относительно направления поля внешнего магнита выбран в диапазоне от 20 до 70 градусов.

На фиг. 1 показана конструкция кроссумножителя; на фиг.2 представлены графики зависимостей крутизны изменения резонансной частоты гексаферритовых резонаторов от угла ориентации их кристаллографической оси по отношению к полю внешнего магнита.

Кроссумножитель содержит находящийся в зазоре внешнего магнита 1 отрезок линии передачи СВЧ на основе волновода 2 (например, прямоугольного металлического или волноводно-щелевой линии) с отверстием 3, гексаферритовый резонатор 4, расположенный внутри волновода 2 и имеющий акустический контакт с модулирующим элементом 5 в виде пьезоэлектрического излучателя, и демодулирующий элемент 6. Гексаферритовый резонатор 4 имеет ось магнитной кристаллографической анизотропии, составляющую угол от 20 до 70 градусов с полем внешнего магнита 1. Акустический контакт между пьезоэлектрическим излучателем и резонатором 4 выполнен в виде звукопроводящего элемента 7, входящего в отверстие 3.

Устройство работает следующим образом. В гиромагнитном кроссумножителе происходит частотно-селективное преобразование мощности СВЧ-колебания в колебание высокой частоты, амплитуда которого пропорциональна мощности входного СВЧ-колебания на частоте настройки кроссумножителя. Преобразование осуществляется за счет того, что сигнал высокой частоты, соответствующей частоте акустического резонанса излучателя, поступает на указанный элемент 5, например, пьезокерамическую пластину из титаната бария с металлизированными плоскостями для подачи электрического сигнала, создавая в этой пластине акустическое колебание, которое изменяет (модулирует) угол ориентации оси магнитной кристаллографической анизотропии резонатора 4, имеющего акустический контакт с элементом 5. При этом модулируется частота ферромагнитного резонанса гексаферритового резонатора 4, и, соответственно, изменяется положение его вектора равновесной намагниченности.

Колебание СВЧ, частота которого попадает в пределы ширины линии ферромагнитного резонанса резонатора 4, воздействует на его вектор намагниченности таким образом, что из-за стабильных нелинейных явлений при ферромагнитном резонансе огибающие СВЧ-компонент намагниченности приобретают гармоники частоты модуляции. В результате этого СВЧ-сигнал, промодулированный по амплитуде и фазе, с выхода резонатора 4 поступает на вход демодулятора 6, который в свою очередь, выделяет огибающую этого сигнала, содержащую гармоники частоты модуляции, амплитуда каждой из которых пропорциональна мощности входного СВЧ-сигнала.

Начальный угол ориентации оси анизотропии q выбран в диапазоне от 20 до 70 градусов в зависимости от параметров резонатора 4, которые определяются его константами анизотропии, намагниченностью насыщения, шириной линии ферромагнитного резонанса, величиной внешнего поля подмагничивания, расстройкой между частотой контролируемого колебания СВЧ и начальной частотой ферромагнитного резонанса. При этом угол q рассматривается только в пределах первого квадранта системы координат, в которой осью ординат является направление внешнего магнитного поля H₀, а ось абсцисс параллельна оси распространения СВЧ-волны в волноводе, хотя угол может лежать в любом из четырех квадрантов в зависимости от направления поля анизотропии H_A по отношению к положительному направлению внешнего магнитного поля H₀, как показано на фиг. 1.

В этом диапазоне углов крутизна зависимости частоты ферромагнитного резонанса резонатора 4 от угла начальной ориентации (производная резонансной частоты по углу ориентации df/dθ для гексаферритов с любыми параметрами достигает максимума, как видно из приведенных графиков для гексаферритов с полями анизотропии H_A= 11 кЭ (кривая I); H_A=17 кЭ (кривая II); H_A=25 кЭ (кривая III). При максимальной крутизне зависимости частоты ферромагнитного резонанса от угла ориентации достигается наибольшая девиация резонансной частоты резонатора 4 при заданной амплитуде модулирующего акустического колебания, и, соответственно, повышается коэффициент преобразования и чувствительность устройства в миллиметровом диапазоне длин волн.

При углах ориентации, меньших, чем 20 градусов, крутизна зависимости резонансной частоты от ориентации кристаллографической оси линейно стремится к нулю с уменьшением начального угла ориентации. Это связано с устойчивостью положения вектора равновесной намагниченности гексаферрита при малых отклонениях его от нулевой ориентации в силу минимума магнитной энергии кристалла.

При углах ориентации оси кристаллографической анизотропии, больших 70 градусов, малое отклонение оси анизотропии от ее начального положения за счет модуляции практически не изменяет угол между этой осью и равновесной намагниченностью, определяющий изменение резонансной частоты, в результате чего указанная крутизна мала (линейно уменьшается с ростом начального угла ориентации), и, соответственно, эффективность модуляции за счет такого "углового" управления резонансной частотой резко снижается.

Звукопроводящий элемент 7, осуществляющий акустический контакт между модулирующим элементом 5 и резонатором 4, выполняют в виде подложки или штока из материала, проводящего акустические колебания (например, ЦТС (цирконат+титанат свинца), кварц, ниобат лития, пьезокерамика), на котором закрепляют резонатор 4. При этом отверстие 3, сквозь которое введен резонатор 4 на звукопроводящем элементе 7 в волновод 2, имеет малый размер, соизмеримый с диаметром резонатора 4. Поскольку размеры резонатора 4, отверстия 3 и диаметр звукопроводящего элемента 7 много меньше длины СВЧ-волны, они не оказывают существенного влияния на электродинамические параметры волновода 2 и не нарушают равномерности частотной характеристики устройства, что обеспечивает постоянство коэффициента преобразования в рабочем диапазоне частот.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания на изобретение.

1. Феррит-диодный кроссумножитель/ Л.К.Михайловский и др. //Тр. Моск. энерг. ин-та. 1975. Вып.261. С.150-156.

2. Исследование работы магнитного детектора на магнитоодноосном гексаферрите в режиме кроссумножения./ Михайловский Л.К. Чемакин С.В. Чепарин В.П. // Сб. научн. трудов МЭИ N 159. 1988. С.6-11. (Прототип).

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для повышения эффективности преобразования мощности излучений на заданных частотах при продвижении в миллиметровый диапазон длин волн и его коротковолновую часть. Устройство содержит находящийся в зазоре внешнего магнита 1 отрезок линии передачи СВЧ на основе волновода 2 с отверстием в стенке 3, в которое вводится гексаферритовый резонатор 4 с осью магнитной кристаллографической анизотропии, ориентированной под углом 20-70^o по отношению к полю внешнего магнита 1, резонатор 4 имеет акустический контакт с модулирующим элементом 5 в виде пьезоэлектрического излучателя. Модулятор 5 создает акустические колебания и изменяет ориентацию кристаллографической оси резонатора 4 и его резонансную частоту, модулируя СВЧ-сигнал. Демодулятор 6 выделяет огибающую этого сигнала, содержащую гармоники частоты модуляции, амплитуда каждой из которых пропорциональна мощности входного СВЧ-колебания. 2 ил.

Гиромагнитный кроссумножитель СВЧ, содержащий расположенный в зазоре внешнего магнита отрезок волновода с помещенным внутри него гексаферритовым резонатором, обладающим осью магнитной кристаллографической анизотропии, модулирующий и демодулирующие элементы, отличающийся тем, что в стенке волновода выполнено отверстие, в котором расположен модулирующий элемент, выполненный в виде имеющих акустический контакт пьезоэлемента и расположенного между ним и гексаферритовым резонатором звукопровода, пьезоэлемент подключен к источнику высокочастотных колебаний, угол ориентации оси магнитной кристаллографической анизотропии гексаферритового резонатора относительно направления поля внешнего магнита выбран в диапазоне 20 70^o.