СВЧ-ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК H01P1/11 H01P1/218 

Предлагаемое изобретение относится к области техники СВЧ и может использоваться при создании радиоаппаратуры для связи, радиолокации, радионавигации, в измерительной технике, медицине и т.д.

Широкое применение в СВЧ-технике находят устройства, работающие с гиромагнитными резонаторами (ГР) [1]. При этом нередко устройства одинаковых или общих конструкций могут быть отнесены к различным функциональным классам в зависимости от того, какие их характеристики являются основными в конкретной аппаратуре.

Хорошо известны ферритовые СВЧ-фильтры, основным элементом которых является ферритовый гиромагнитный резонатор [2]. Линейная зависимость резонансной частоты резонатора от напряженности внешнего магнитного поля позволяет менять полосу пропускания фильтра в широких пределах. Таким образом, включением - выключением внешнего магнитного поля можно управлять СВЧ-сигналом, т. е. использовать устройство в режиме СВЧ-выключателя. Конструктивно такие выключатели как правило выполняют на прямоугольных волноводах либо на полосковых линиях передач.

Наиболее близким аналогом является полосковая конструкция фильтра [3]. Он состоит из двух взаимно перпендикулярных петель, соединенных одним концом с входной и выходной микрополосковыми линиями передачи, а другим с контактной площадкой, обеспечивающей короткое замыкание концов петель. В данной конструкции связь между линиями передачи отсутствует, так как магнитное поле одной петли не пересекает плоскость второй петли и не наводит в ней ЭДС. Если внутри петель поместить ГР (например, ферритовую сферу) и увеличивать внешнее магнитное поле, то вблизи ферромагнитного резонанса в нем возникает магнитное поле круговой поляризации, благодаря которому возникает взаимная связь между петлями. Таким образом сигнал, поступающий во входную линию передачи будет распространяться и в выходной линии передачи. При изменении внешнего магнитного поля условия ферромагнитного резонанса нарушаются, входная и выходная линии передачи становятся несвязанными и входной сигнал не проходит через устройство. Т.е. устройство работает как выключатель СВЧ- сигнала.

Главным недостатком такого выключателя является сравнительно большое (t ≈ 1 мс) время переключения, связанное с инерционностью электромагнита, создающего внешнее магнитное поле.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение - создание выключателя СВЧ-мощности управляемого с помощью оптического излучения. Технический результат, который достигается при реализации изобретения заключается в возможности дистанционного управления выключателем оптическим излучением, кроме того, появляется принципиальная возможность модулировать СВЧ-мощность оптическим сигналом.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном СВЧ- выключателе, содержащем две взаимно ортогональные петли связи, соединенные одним концом с микрополосковыми СВЧ- линиями передачи, другим с контактной площадкой, обеспечивающей короткое замыкание концов петель, внутри петель расположен гиромагнитный резонатор под воздействием внешнего магнитного поля, особенность заключается в том, что гиромагнитный резонатор выполнен из ферромагнетика (CH₃NH₃)₂CuCl₄, работающего в режиме нелинейного магнитного резонанса и снабжен источником импульсного оптического излучения, управляющего работой гиромагнитного резонатора.

В предполагаемом изобретении в качестве ГР впервые используется монокристалл (CH₃NH₃)₂CuCl₄ (традиционно используются ГР из монокристаллов железоиттриевого граната Y₃Fe₅O₁₂ и некоторых гексаферритов), работающий в режиме нелинейного СВЧ-поглощения. Такой режим по своему характеру подобен классическому нелинейному резонансу ангармонического осциллятора. Критическая величина СВЧ- мощности, выше которой наблюдается нелинейный режим для предлагаемого ГР, относительно невелика ≈ 50 мВт. Традиционные ГР в таком режиме не работают, поскольку при мощностях, меньших критической, лавинообразно возбуждаются группы спиновых волн, отбирающих энергию основного колебания намагниченности, что ведет к резкому уменьшению добротности резонатора и, как следствие, к уменьшению связи между линиями передачи.

Кроме того, в устройство добавлен источник импульсного излучения, который позволяет переключать режим отсутствия пропускания СВЧ-мощности на режим пропускания оптически индуцированным переходом между двумя состояниями в бистабильном режиме при нелинейном магнитном резонансе.

Все вышесказанное поясняется чертежами. На фиг. 1а изображена конструкция устройства, на фиг. 1б показана линия поглощения СВЧ-мощности P_свч при нелинейном ферромагнитном резонансе для монокристалла (CH₃NH₃)₂CuCl₄ [4]. СВЧ-выключатель содержит: 1,2 - соответственно входную и выходную линии СВЧ-передачи; 3 и 4 - взаимно перпендикулярные петли, обеспечивающие связь линий передачи с гиромагнитным резонатором 5; 6 - контактная площадка для короткого замыкания концов петель; 7 - источник импульсного оптического излучения; 8 - электромагнит, создающий внешнее магнитное поле.

Устройство работает следующим образом. В кристалле (CH₃NH₃)₂CuCl₄ при мощностях СВЧ-излучения больше 50 мВт наблюдается нелинейный магнитный резонанс, подобный классическому нелинейному резонансу ангармонического осциллятора. А известно, что при нелинейном магнитном резонансе в определенном интервале магнитных полей реализуются динамические состояния, которые в стационарных условиях остаются метастабильными.

В нашем случае (см. фиг. 1б) в диапазоне внешних магнитных полей от H₁ до H₂ на кривой резонансного поглощения реализуется бистабильный режим. Значения полей H₁ и H₂ зависят от частоты f и мощности P СВЧ-излучения (для f= 10 ГГц и P=100 мВт H₁=2.90 кЭ, H₂=3.02 кЭ). Если подходить к этому интервалу со стороны меньших полей, в системе реализуется состояние, соответствующее нижней ветви резонансной кривой C-D, со стороны больших полей - состояние, соответствующее верхней ветви резонансной кривой A-B. По линии передачи 1 к устройству подводится СВЧ-излучение. При фиксированном магнитном поле гиромагнитный резонатор находится в состоянии 1, в этом случае взаимной связи между петлями 3 и 4 нет и, следовательно, СВЧ-энергия не проходит в линию передачи 2. Если теперь облучить гиромагнитный резонатор импульсом света, происходит увеличение СВЧ-поглощения и при некотором значении мощности W^* (W^*≈30 кВт в импульсе, длительность импульса 10 нс) оптического излучения гиромагнитный резонатор переходит в состояние, соответствующее нижней ветви резонансной кривой (состояние 2), и уже не возвращается на верхнюю ветвь. В этом состоянии резко возрастает амплитуда прецессии намагниченности в гиромагнитном резонаторе, благодаря чему возникает взаимная связь между петлями и СВЧ-энергия поступает в линию передачи 2. Снова попасть на верхнюю ветвь можно только, выйдя за пределы резонансной кривой в большие поля, и вернуться назад при уменьшении магнитного поля. Если W<W^*, то система переходит в состояние 2 и остается там в течение времени τ, которое определяется величиной W. В этом случае связь между линиями передачи 1 и 2 устройства осуществляется только в течение времени τ.
Таким образом, устройство предлагаемой конструкции позволяет осуществлять включение - выключение проходящей СВЧ мощности как в прототипе при помощи изменения внешнего магнитного поля. В то же время получено такое новое качество, как возможность включения прохождения СВЧ- сигнала при помощи импульса оптического излучения. Кроме того, появляется возможность модуляции СВЧ-мощности оптическим сигналом, используя мощности оптического излучения W<W^*.

Источники информации
1. С. В.Беляков, Э.Ф.Долич, В.Г.Калина. СВЧ-устройства на основе ферритовых резонаторов. Обзоры по электронной технике. Серия 1 "Электроника СВЧ", в. 14 (757), 61 с.

2. В. В.Рогозин, В.И.Чуркин Ферритовые фильтры и ограничители мощности. М.: Радио и связь, 1985, 264 с.

3. А.Д.Григорьев. Электродинамика и техника СВЧ. М.: Высшая школа, 1990, с. 314-316.

4. Г.С.Патрин, Н.В.Волков, Н.В.Федосеева, Е.М.Николаев. Нелинейный магнитный резонанс в кристаллах. Письма в ЖЭТФ, 1993, т.57, в. 3, с. 183 - 186.

Изобретение относится к технике СВЧ и может использоваться при создании радиоаппаратуры для связи, радиолокации, радионавигации, в измерительной технике, медицине и т.д. Технический результат, который достигается при реализации изобретения, заключается в возможности дистанционного управления выключателем оптическим излучением, кроме того, появляется принципиальная возможность модулировать СВЧ-мощность оптическим сигналом. Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном СВЧ-выключателе, содержащем две взаимно ортогональные петли связи, соединенные одним концом с микрополосковыми СВЧ-линиями передачи, другим - с контактной площадкой, обеспечивающей короткое замыкание концов петель, внутри петель расположен гиромагнитный резонатор под воздействием магнитного поля, особенность заключается в том, что гиромагнитный резонатор внполнен из ферромагнитика (СН₃NН₃)₂СuCl₄, работающего в режиме нелинейного магнитного резонанса, устройство снабжено источником импульсного оптического излучения, управляющего работой гиромагнитного резонатора. 1 ил.

СВЧ-выключатель, содержащий взаимно ортогональные петли связи, соединенные одним концом с микрополосковыми СВЧ-линиями передачи, другим - с контактной площадкой, обеспечивающей короткое замыкание концов петель, внутри петель расположен гиромагнитный резонатор под воздействием внешнего магнитного поля, отличающийся тем, что гиромагнитный резонатор выполнен из монокристалла ферромагнетика (CH₃NH₃)₂CuCl₄, работающего в режиме нелинейного магнитного резонанса, и снабжен источником импульсного оптического излучения, управляющего работой гиромагнитного резонатора.