СЕЛЕКТИВНЫЙ ДЕТЕКТОР СВЧ-МОЩНОСТИ Российский патент 2012 года по МПК G01R21/01 

Изобретение относится к СВЧ-технике и может использоваться для измерения непрерывной и импульсной мощности СВЧ-сигнала в системах автоматического измерения, контроля и управления мощностью, при производстве и настройке генераторов, усилителей, преобразователей и других устройств сверхвысокочастотного диапазона.

Основное применение детекторов СВЧ-мощности заключается в измерении уровня мощности СВЧ-сигнала в заданном диапазоне частот или на определенной рабочей частоте с необходимой точностью. Известны устройства для измерения мощности импульсного и непрерывного СВЧ-сигнала, принцип действия которых основан на применении различных методов преобразования энергии СВЧ-поля, таких как калориметрический, болометрический, термоэлектрический, ферромагнитный, метод на эффекте Холла и других [1-9].

Недостатками известных детекторов СВЧ-мощности являются невозможность выполнения большинства из них в микрополосковом исполнении, несовместимость с планарными устройствами, их инерционность и громоздкость, ограниченный динамический диапазон, необходимость в термостабилизации, невысокая рабочая температура и большая погрешность в измерениях.

Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является сверхвысокочастотный селективный датчик, содержащий отрезок линии передачи, короткозамкнутый на одном конце, внутри которого на расстоянии, кратном половине длины рабочей волны от короткозамкнутого конца, установлен ферритовый элемент, размещенный в поле постоянного магнита, и полупроводниковый элемент. Прототип работает следующим образом: в ферритовом диске, намагниченном перпендикулярно поверхности, который находится в пучности СВЧ магнитного поля отрезка линии передачи, на заданной частоте сигнала в постоянном магнитном поле возбуждается однородная прецессия намагниченности, компонента электрического поля которой детектируется распределенным p-n переходом, образованным полупроводниковыми пленками. Сигнал с этого p-n перехода выводится на индикатор с помощью омических контактов, образованных металлическими пленками и подводящих проводов [10].

Недостатком прототипа является медленная перестройка датчика по частоте, осуществляемая изменением величины подмагничивающего поля, и короткозамкнутый конец линии передачи, из-за чего отсутствует возможность интегрировать детектор в реальное СВЧ-устройство.

Задачей изобретения является детектирование СВЧ-мощности наиболее простым и удобным способом, повышение точности и быстродействия частотной перестройки, используя электрическое поле, выполнение конструкции устройства в микрополосковом исполнении, возможность универсального включения детектора мощности в СВЧ-тракт.

Для решения данной задачи предложено использовать в качестве чувствительного элемента слоистый композит в форме диска состава феррит (4) - сегнетоэлектрик (2) с двухсторонней металлизацией (1, 3) - планарный полупроводниковый диод (5-8), помещенный в область постоянного магнитного поля, направленного перпендикулярно поверхности диска. Сегнетоэлектрическая фаза (2) композита поляризована также перпендикулярно поверхности (см. фиг.1а). Полупроводниковые пленки p- и n-проводимости (6, 7) выполняют диодное детектирование сигнала, микрополосковая линия (10, 17) осуществляет коммутацию СВЧ-сигнала по тракту, а полосковые шлейфы (11) длиной λ/2 и λ/4 создают круговую поляризацию магнитного поля проходящего СВЧ-сигнала.

Предлагаемое изобретение позволяет получить следующий технический результат. Осуществляется преобразование энергии СВЧ-поля наиболее оптимальным способом - путем поглощения ферритовой фазой (4) композита СВЧ-мощности в области ферромагнитного резонанса (ФМР) на частоте однородной прецессии. Предложенное устройство позволяет проводить измерения малых значений мощности непрерывного и импульсного СВЧ-сигнала напрямую, а также больших значений мощности с использованием направленных ответвителей и аттенюаторов. Управление детектором и подстройка рабочей частоты устройства осуществляется с помощью электрического поля, т.е. подачей потенциала на поляризованную сегнетоэлектрическую фазу (2) композита, что гораздо эффективнее, точнее и быстрее перестройки частоты путем изменения величины подмагничивающего поля. Полупроводниковые пленки (6, 7) позволяют выполнить детектирование сигнала для выходного отсчетного (индикаторного) устройства. Конструкция устройства (см. фиг.2) проста и совместима с планарной технологией.

Для пояснения предлагаемого изобретения предложены чертежи.

Фиг.1а - конструкция чувствительного элемента, вид сбоку.

Фиг.1б - конструкция чувствительного элемента, вид сверху.

Фиг.2 - конструкция селективного датчика СВЧ-мощности.

Устройство состоит из диэлектрической подложки (9) с минимальными потерями в области рабочих частот, на которой сформирована микрополосковая линия передачи (10, 17). На плате полосковыми шлейфами (11) длиной λ/2 и λ/4 создается область круговой поляризации магнитного поля СВЧ-сигнала. Чувствительный элемент помещен в область пучности магнитного поля и представляет собой слоистый композит состава сегнетоэлектрик-феррит-планарный полупроводниковый диод в форме диска. Ориентация полей показана на фиг.1а. С обратной стороны платы прикреплен постоянный магнит в форме диска, создающий резонансное подмагничивающее поле (18). Разделительные конденсаторы (12), представляющие собой разрыв микрополосковой линии передачи, предотвращают распространение управляющего электрического сигнала Е_упр. в СВЧ-тракт. Фильтры низких частот (13, 14), сформированные последовательно соединенными полосковыми линиями с разным волновым сопротивлением, предотвращают распространение СВЧ-сигнала к входу отсчетного устройства.

Устройство работает следующим образом. СВЧ-сигнал, уровень мощности которого необходимо детектировать, подается на вход устройства. Чувствительный элемент располагается в области круговой поляризации магнитной компоненты СВЧ-поля, созданной полосковыми шлейфами (11) длиной λ/2 и λ/4 соответственно. Измерение мощности СВЧ-сигнала на основе резонансного поглощения энергии СВЧ-поля в ферритовом материале в области ферромагнитного резонанса на частоте однородной прецессии намагниченности является одним из наиболее простых и, в то же время, наиболее эффективных способов. Перпендикулярно направлению вектора магнитной компоненты СВЧ-поля создается постоянное подмагничивающее поле Н₀ - необходимое условие возникновения ФМР.

Когда чувствительный элемент находится в условиях ФМР, его ферритовая компонента активно поглощает энергию проходящего СВЧ-сигнала. При этом поглощение с наименьшими потерями, а следовательно, и максимальная чувствительность детектора СВЧ-мощности, наблюдается на частоте однородной прецессии ФМР.

Резонансная частота однородной прецессии композита выражается как

где f₀ - частота однородной прецессии, [МГц];

Н₀ - постоянное подмагничивающее поле, [Э];

М₀ - намагниченность насыщения ферритовой компоненты, [Гс];

N_z - размагничивающий фактор формы;

ΔH_E - изменение намагниченности, вызванное воздействием управляющего электрического поля, [Э].

где α_E - коэффициент МЭ взаимодействия в композите, [Э·см/В];

E₀ - управляющее электрическое поле, [В/см].

Величина подмагничивающего поля выражается как

где N_z - размагничивающий фактор формы;

М₀ - намагниченность насыщения материала, [Гс].

Электрическая компонента однородной прецессии намагниченности детектируется распределенным p-n переходом. С омических контактов планарного диода, образованных металлизированными проводящими пленками (5, 8), подводящих шин и фильтров низких частот (13, 14), сигнал поступает на выходное отсчетное устройство, где детектируется постоянное выходное напряжение, пропорциональное падающей мощности. Вместо полупроводниковых пленок различного типа электропроводности (6, 7) для детектирования электрической составляющей однородной прецессии намагниченности может быть использован переход системы металл-полупроводник (барьер Шоттки).

Управление и подстройка рабочей частоты устройства осуществляется подачей управляющего напряжения Е_упр. на электроды (1, 3) поляризованной сегнетоэлектрической фазы (2) композита, тем самым сдвигая линию ФМР, благодаря магнитоэлектрическому (МЭ) взаимодействию в феррит-сегнетоэлектрическом материале. Это происходит в результате резонансного магнитоэлектрического (МЭ) эффекта в слоистом композите на СВЧ, проявляющегося в сдвиге линии магнитного резонанса под действием управляющего электрического поля, т.е. возникает намагниченность в ферритовой фазе композита во внешнем электрическом поле. При приложении электрического поля в сегнетоэлектрической компоненте (2) композита вследствие пьезоэлектрического эффекта возникают механические напряжения, которые передаются в магнитную компоненту (4). За счет магнитострикции механические напряжения приводят к изменению намагниченности магнитной компоненты (4), что приводит к сдвигу линии ферромагнитного резонанса.

Измерение мощности проходящего СВЧ-сигнала может осуществляться как непрерывно с подачей СВЧ-сигнала на вход устройства, так и только в определенный момент при подаче постоянного управляющего электрического сигнала Е_упр. на металлизированные контакты (1, 2) поляризованной сегнетоэлектрической фазы композита, что позволяет снизить энергопотребление детектора.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет детектировать уровень СВЧ-мощности простым и эффективным способом, обладает совместимостью с планарными устройствами, широким температурным диапазоном, простой конструкцией, низким энергопотреблением, частотной избирательностью и высоким быстродействием частотной перестройки, управляемой электрическим полем.

ЛИТЕРАТУРА

1. Билько М.И., Томашевский А.К., Шаров П.П. Измерение мощности на СВЧ. М.: «Советское радио», 1976. - 166 с.

2. Фомин О.Г. Устройство для измерения мощности СВЧ-колебаний / Авторское свидетельство СССР №1004904, кл. G01R 21/06, 1983.

3. Курчук Б.А. Датчик СВЧ-мощности / Авторское свидетельство СССР №1231472, кл. С01R 21/04, 1984.

4. Богданов Г.Б. Устройство для измерения СВЧ-мощности / Авторское свидетельство СССР №135524, кл. G01R 21/71, 1961.

5. Михайловский Л.К., Балаков В.Ф., Волков М.А., Пучков B.C., Радченко В.Ф. Устройство для селективного по частоте измерения пикового значения мощности СВЧ-сигналов / Авторское свидетельство СССР №376727, кл. G01R 21/06, 1973.

6. Долгачев Г.И., Блинов П.И. Сверхвысокочастотный детектор / Авторское свидетельство СССР №656138, кл. Н01Р 1/32, 1979.

7. Румянцев Л.С., Маньковская Т.А., Сомов В.В., Шендерович С.Х., Майоров В.Ф., Пучков B.C., Радченко В.Ф. Устройство для селективного по частоте измерения пикового значения мощности сигналов СВЧ / Авторское свидетельство СССР №376727, кл. G01R 21/06, 1983.

8. Марчук Л.А., Поповский В.В., Великих С.А., Шульженко Н.А. Измеритель проходящей мощности СВЧ / Авторское свидетельство СССР №1500948, кл. G01R 21/04, 1986.

9. Богданов Г.Б. Основы теории и применения ферритов в технике измерений и контроля. М., «Сов. радио», 1967 г., с.340-343.

10. Вашковский А.В., Зубков В.И., Кильдишев В.Н., Кузнецов П.И. Сверхвысокочастотный селективный датчик / Авторское свидетельство СССР №813284, кл. G01R 21/90, 1981 - прототип.

Изобретение относится к СВЧ технике и может использоваться для измерения непрерывной и импульсной мощности СВЧ сигнала в системах автоматического измерения, контроля и управления мощностью, при производстве и настройке генераторов, усилителей, преобразователей и других устройств сверхвысокочастотного диапазона. Сущность изобретения заключается в том, что селективный детектор СВЧ мощности, состоящий из диэлектрической подложки, чувствительного элемента, размещенного в поле постоянного магнита и полупроводникового элемента, при этом чувствительный элемент выполнен в форме диска из композита состава феррит - сегнетоэлектрик - планарный полупроводниковый диод, причем круговая поляризация магнитного СВЧ поля создана полосковыми шлейфами длиной λ/2 и λ/4, при этом подмагничивающее резонансное поле создано постоянным магнитом в форме диска, прикрепленным с обратной стороны платы, а на подложке установлены разделительные конденсаторы, фильтры низких частот, а также шины управляющего и выходного сигналов. Технический результат - повышение точности и быстродействия частотной перестройки детектора. 2 ил.

Селективный детектор СВЧ-мощности, состоящий из диэлектрической подложки, чувствительного элемента, размещенного в поле постоянного магнита, и полупроводникового элемента, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в форме диска из композита состава феррит - сегнетоэлектрик - планарный полупроводниковый диод, причем круговая поляризация магнитного СВЧ-поля создана полосковыми шлейфами длиной λ/2 и λ/4, при этом подмагничивающее резонансное поле создано постоянным магнитом в форме диска, прикрепленным с обратной стороны платы, а на подложке установлены разделительные конденсаторы, фильтры низких частот, а также шины управляющего и выходного сигналов.