СВЧ-резонатор на прямых объемных магнитостатических волнах Советский патент 1992 года по МПК H01P7/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в различной приемопередающей аппаратуре СВЧ.

Известен СВЧ-резонатор, в котором для повышения развязки между входом и выходом и сужения полосы пропускания входной и выходной преобразователи, выполненные совместно со входной и выходной резонансными полостями, установлены на феррито- вой пленке ортогонально, а элементом связи между ними является наклонная под углом 45° к каждому преобразователю отражающая решетка - зеркало.

Недостатками такого резонатора являются повышенные значения потерь (15-20 дБ) и слабое подавление уровней внеполос- ных колебаний (12-15 дБ).

Известен резонатор, в котором использовано явление полного внутреннего отражения (ПВО) при наклонном падении прямой объемной магнитостатической волны (ПОМСВ) на границу раздела металл - ферритовая пленка из области, где ПОМСВ , распространяется с меньшей фазовой скоростью.

, Недостатками этого резонатора являются отсутствие подавления внеполосных колебаний и невозможность селекции рабочей моды (он предназначен для измерения параметров ферритовых пленок).

Наиболее близким к предлагаемому является СВЧ-резонатор на прямых объемных магнитостатических волнах, содержащий первый диэлектрический слой, одна сторо- .

VI

сл

(Л 0

fc

на которого металлизирован, а на другой соосно и с зазором установлены два преобразователя, ферритоеую пленку и магнитную систему.

Недостатками известного резонатора являются слабое затухание вне полосы пропускания, значительный уровень вносимых потерь, низкая добротность.

Целью изобретения является увеличение затухания вне полосы пропускания, снижение вносимых потерь и увеличение добротности.

Указанная цель достигается тем; что в СВЧ-резонаторе на ПОМСВ, содержащем первый диэлектрический слой, одна сторона которого металлизирована, а на другой соосно и с зазором установлены два преобразователя, ферритовую пленку и магнитную систему, ферритовая пленка установлена одной стороной на преобразователи через введенный второй диэлектрический слой, а на другую сторону которой нанесен введенный проводящий слой, преобразователи выполнены в виде отрезков копланарной линии передачи с общими заземленными проводниками, расстояние в между которыми выбрано равным b - лг/Ki, а толщина da второго диэлектрического слоя определяется из решения системы трансцендентных уравнений

2 5i + (1 - 5i2) tg(KiS)(di +

+d2)(5i-(1-(5i2)tg(/eiS)

(di + d2)-2(1 +

+ (5i2)rg(/ciS)(di - d2) 0;

2 & + (1 -&2)tg(K2S)(di +

+d2)()tg(sS)

expf-K2(di + d2)-2(1 +

+ )tgteS)(di-d2) 0 при выполнении условия

Qz Јfc Qi,

где Qi и Qz - нормированные частоты первой и второй мод резонатора;

Он и Q - нижние нормированные частоты границы существования ПОМСВ в ферритовой пленке в свободном пространстве в области над заземленными проводниками отрезков копланарной линии передачи, соответственно;

KI и К.2 - волновые числа соответственно на частотах QI и

di и S - толщины первого диэлектрического слоя и ферритовой пленки соответственно

(,/Qi2- ),

«- uKi, ( 1,2.

Предлагаемый резонатор отличается совместным введением в торого диэлектрического и проводящего слоев предлагаемой формы и размеров, выполнением входного

и выходного преобразователей в виде отрезков копланарных линий, а также соотношением геометрических размеров первого и второго диэлектрических слоев и ферритовой пленки. Указанные конструктивные отличия приводят к новому качеству - ПВО при нормальном падении ПОМСВ на границу раздела комбинированных сред, что позволяет улучшить согласование в системе,

исключить потери на излучение от граней пленки, значительно подавить внеполосные колебания.

Кроме того, не требуется тщательной шлифовки боковых граней резонатора.

Предлагаемый резонатор выполняется в едином технологическом цикле методом фо- толитографии и при повышенных рабочих характеристиках резонатора существенно уменьшаются требования к точности выполнения его частей, что позволяет снизить стоимость изготовления предлагаемого резонатора.

Существенный эффект от применения такого резонатора определяется еще с тем,

что он заменяет несколько резонаторов в фильтрующих системах, а использование его в цепях обратной связи генераторов позволяет расширить диапазон их одномодо- вой перестройки.

На фиг. 1 и 2 изображен СВЧ-резонатор на прямых объемных магнитостатических волнах (ПОМСВ).

СВЧ-резонатор на ПОМСВ содержит первый диэлектрический слой 1 толщиной

di, на одной стороне которого нанесено проводящее основание 2, а на другой стороне установлены входной 3 и выходной 4 пре- образователи, выполненные в виде отрезков копланарных линий, центральные

проводники которых установлены симметрично на продольной оси симметрии резонатора. Эти отрезки копланарных линий имеют общие заземленные проводники, расстояние между которыми выбрано равным о, Между торцами центральных поло- сков отрезков копланарных линий имеется зазор 5, являющийся элементом связи между входом и выходом СВЧ-резонатора.

Поверх преобразователей 3 и 4 установлен второй диэлектрический слой б толщиной d2, на котором размещена ферритовая пленка 7 толщиной S. Ферритовую пленку 7 сверху полностью покрывает второй проводящий слой 8.

СВЧ-резонатор на ПОМСВ находится во внешнем магнитном поле Ню, создаваемом с помощью комбинированного электромагнита (не показан). Внешнее магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости ферритовой пленки 7, что обуславливает работу СВЧ-резонатора на ПОМСВ, Рассмотрим работу СВЧ-резонатора на ПОМСВ.

Работа СВЧ-резонатора основана на явлении полного внутреннего отражения (ПВО) ПОМСВ. распространяющейся в области между заземленными проводниками отрезков копланарных линий, т.е. феррито- вая пленка 7 - второй диэлектрический слой б - проводящий слой 8 (Ф - Д - П), от границы раздела с областью, образованной структурой, проводящий слой 8 - феррито- вая пленка 7 - второй диэлектрический слой б - общий заземленный проводник отрезков ко планарных линий - диэлектрический слой 1 - проводящий слой 2 (П - Ф - Д - П - Д - П).

ПОМСВ падает на границу раздела областей под углом, близким к нормальному.

Резонатор работает следующим образом.

Пусть на вход входного преобразователя 3 поступает многохроматическая волна с нормированной частотой QI йл/(у 4я Mo), где аи - круговая частота; у- гидромагнитное отношение; 4 лМо - намагниченность насыщения материала ферритовой пленки.

Входной преобразователь 3 возбуждает в области Ф - Д - П, ограниченной внешними проводниками отрезка копланарной линии 3, ПОМСВ. Частота QI выбирается выше нормированной нижней граничной частоты ПОМСВ в области Ф - Д - П.

Так как при Qi выполняются условия распространения ПОМСВ в области Ф - Д - П, магнитостатическая волна распространяется по обе стороны от центрального полоска входного преобразователя 3 в направлениях, перпендикулярных его продольной оси, и падает на границу раздела с областью П-Ф-Д-П-Д-П. Для выполнения условий ПВО от границы раздела необходимо, чтобы область П - Ф - Д - П - Д - П была запредельной для ПОМСВ с QL Это условие будет выполнено, если Qi будет лежать ниже нормированной нижней граничной частоты Q ПОМСВ в области П-Ф-Д-П-Д-П. Экспериментально установлено, что при выполнении этого условия коэффициент отражения ПОМСВ практически равен единице. Угол падения ПОМСВ на границу раздела сред несколько отличается от 90° за счет замедления и наличия потерь в системе, что приводит к небольшому наклону волнового фронта относительно продольной оси резонатора,

При выполнении на границе раздела условия ПВО (Qi Q) ПОМСВ отражается от нее в сторону центрального полоска входного преобразователя 3, Условие ПВО

ПОМСВ от границы раздела областей является необходимым условием работы резонатора, но не достаточным. Для того, чтобы СВЧ-резонатор работал на Qi также необходимо, чтобы парциальные волны, распространяющиеся по обе стороны от центрального полоска преобразователя 3, после отражения синфазно складывались на нем, Отсюда следует, что расстояние между заземленными проводниками коплапарной линии b должно определяться из условия размерного резонатора для рабочей (первой) моды резонатора b jr/Ki(Qi), где Ki(fii) - значение волнового числа ПОМСВ в области Ф - Д,- П при частоте fii.

-.- После входного преобразователя 3 через зазор 5 ПОМСВ поступает на выходной, преобразователь 4 и на выходе резонатора появляется СВЧ-сигнал, частота которого совпадает с собственной частотой резонатора. Так как в областях зазора 5 и преобразователя 4 также выполняются условия размерного резонанса, за счет многократных отражений в системе (углы падения близки к нормальным) в резонаторе формируется структура поля высокодобротного основного колебания.

При поступлении на вход СВЧ-резонатора сигналов с частотами, отличающимися от рабочей, парциальные волны, для которых не выполняются условия размерного резонанса, на преобразователях 3 и 4 не складываются в фазе, затухают в зазоре 5 и на выход резонатора поступают ослабленные на величину, определяемую избирательностыо и развязкой между входом и выходом резонатора.

Ослабление СВЧ-сигналов. частоты которых совпадают с собственными частотами

высших мод резонатора (для которых выполняется условие размерного резонанса b (2п - 1) ;тг/Кп(ОО, п 2, N). обеспечивается выбором таких параметров области П - Ф-Д-П-Д-П, чтобы вторая и последующие высшие моды СВЧ-резонатора не претерпевали отражения от границы раздела, т.е. должно выполняться условие, чтобы нормированная частота второй моды резонатора Qj ЈV.

Такая селекция высших мод достигается при определении толщины da второго диэлектрического слоя из решения системы трансцендентных уравнений

2 (5i + (1 - di2)tg(/ciS)(di +

+d2)()tg(iS)

expL-Ki(di + d2)-2(1 +

+ (5i7)tg(A:iS)(di - d2) 0;

2 62 + (1 - 522)tgfa S)(di +

+d2) - 2 h - (1 - &2)tg(K2S)J

expr-K2(di + a2)-2(1 +

ь ufygteSMMdi d2) - 0 при выполнении условия

Q QcB p,. где (5, W(Q,2- a2),

tt(5iKi, 1 1,2,

а Он - нормированная нижняя частота границы существования ПОМСВ в ферритовой пленке в свободном пространстве. Учитывая, что в силу симметрии относительно продольной оси входного 3 и выходного 4 преобразователей четные моды в резонаторе не возбуждаются, достигается дополнительное очищение спектра резонатора.

Перестройка СВЧ-резонатора на ПОМСВ по частоте осуществляется изменением величины внешнего магнитного поля.

Формула изобретения СВЧ-резонатор на прямых объемных магнитостатических волнах {ПОМСВ), содержащий первый диэлектрический слой, одна сторона которого металлизирована, а на другой соосно и с зазором установлены два преобразователя, ферритовую пленку и магнитную систему, отличающийся тем, что, с целью увеличения затухания вне полосы пропускания, снижения вносимых потерь и увеличения добротности, феррито- вая пленка установлена одной стороной на

преобразователи через введенный второй диэлектрический слой,а на другую ее сторону нанесен введенный проводящий слой, преобразователи выполнены в виде отрез- ков копланарной линии передачи с общими заземленными проводниками, расстояние b между которыми выбрано равным b - У/Ki, а толщина d2 второго диэлектрического слоя определяется из системы трансцендентных уравнений

+ (1 - 5i2)tg(/ciSyiexp Ki(di + + 52)(1-di7).tg(KiS)J (di + d2)-2(5i2 + +1)tg(iS) (di-d2)°0; 2 62 + (1 -&fitg1tc2S)(di + +d2) (52-()tg(Af2S) exp(-K2(di + d2)-2(1 + + d2)ig( fbS). (di - d2) - 0 при выполнении условия Qi Q Qi, где c5i QH/(fi,2- Q,2) к d|Ki, 1 1,2j

Qi и Qi - нормированные частоты первой и второй мод резонатора; Q, и Q - нижние нормированные

частоты границ существования ПОМСВ в ферритовой пленке в свободном пространстве и в области над заземленными проводниками отрезков колланарных линий передачи соответственно;

KI и К2 - волновые числа соответственно на частотах Qi и

di и $ - толщины первого диэлектрического слоя и ферритовой пленки соответст- венно.

6

фигЛ

Изобретение предназначено для приемопередающей аппаратуры СВЧ. Цель изобретения -увеличение затухания вне полосы пропускания, снижение вносимых потерь и увеличение добротности, СВЧ-резонатор содержит ферритовую пленку 7, установленную через второй диэлектрический слой 6 на два преобразователя 5 и 3, которые выполнены в виде соосных отрезков копланарной линии. Выбор (в соответствии с приведенными в формуле уравнениями) расстояния между заземленными проводниками копланарной линии и толщины второго диэлектрического слоя 6 обеспечивает (при многократных отражениях) передачу сигнала на выход на основном колебании и распространении второй и других более высоких мод прямых магнитоста- тических волн в ферритовой пленке 7 в области над заземленными проводниками копланарной линии практически без отражения, 2 ил.

&

/

/ f S / / S /

1ХХХххххХжкХХХЕ

и

/ S /

ХХЕ

и

Л -А