Ферритовые материалы характеризуются в отсутствие внешнего магнитного поля отличным от нуля вектором намагниченности М-, равным сумме собственных магнитных моментов электронов всех атомов в единице объема вещества. На рис. 11.19 показано вращение вектора намагниченности ферримагнетика в постоянном магнитном поле. При наложении на образец феррита постоянного магнитного поля с вектором H0- в феррите возникает внутреннее постоянное магнитное поле с вектором Hвн.- В результате взаимодействия внутреннего постоянного магнитного поля феррита с вектором намагниченности М- последний начинает вращаться вокруг направления вектора Hвн.- с частотой гиромагнитного резонанса fH [МГц]=0,035 Hвн.[А/м].
Из-за взаимодействия электронов между собой и с атомами кристаллической решетки феррита вращательное движение вектора М- затухает, угол θ между векторами Hвн.- и М- стремится к нулю и вектор намагниченности совпадает по направлению с вектором Hвн.- Если теперь в ферримагнетике создать высокочастотное магнитное поле с вектором Hвч.-, перпендикулярным вектору Hвн.- , то вращательное движение вектора намагниченности М- в результате взаимодействия с полем Hвч.- опять возобновится. Вращение вектора М сопровождается поглощением энергии высокочастотного поля. Это поглощение особенно сильно возрастает на частоте гиромагнитного резонанса.
Собственная добротность ЖИГ-резонатора зависит от материала, формы, размеров резонатора и чистоты обработки поверхности. Для повышения добротности необходима однородность подмагничивающего поля Н0 в объеме материала ЖИГ-резонатора. Наилучшая однородность подмагничивающего поля достигается в резонаторах сферической или эллипсоидальной формы. С уменьшением размеров резонатора его добротность возрастает. Нагруженная добротность используемых ЖИГ-резонаторов достигает нескольких тысяч в сантиметровом диапазоне волн.
Рис. 11.19. Вращение вектора намагниченности ферримагнетика
в постоянном магнитном поле
Для связи ЖИГ-резонатора с коаксиальными и полосковыми линиями передачи используются петлевые элементы. Конструкции микрополоскового и волноводного фильтров на ЖИГ-резонаторах показаны на рис. 11.20.
Микрополосковый полосовой фильтр на основе ЖИГ-резонатора (см. рис. 11.20, а) состоит из двух взаимно перпендикулярных проводящих петель 7 и 2, соединенных одним концом с входной и выходной линиями передачи, а другие их концы короткозамкнуты через площадку 4 на подложку микросхемы. В общем центре петель находится сферический ЖИГ-резонатор 3. На частотах, далеких от резонанса, магнитные поля токов петлевых элементов не взаимодействуют с ЖИГ-резонатором. При этом переменное магнитное поле входной петли 1 параллельно плоскости выходной петли 2 и не наводит в ней ЭДС. На частотах, близких к резонансной частоте fНв ЖИГ-резонаторе высокочастотным магнитным полем петли 1 возбуждается магнитное поле круговой поляризации. Это поле имеет переменную составляющую, которая пересекает площадь петли 2 и наводит в ней ЭДС, пропорциональную входному сигналу. Таким образом, между входной и выходной линиями возникает взаимная связь в узкой полосе частот гиромагнитного резонанса.
Волноводный фильтр на основе ЖИГ-резонатора представляет собой два одинаковых соосных прямоугольных волновода, развернутых на 90° один относительно другого (см. рис. 11.20, б). В отверстии общей торцевой стенки волноводов размещен сферический ЖИГ-резонатор, подмагничиваемый внешним постоянным полем H0 -. Вдали от собственной частоты ферромагнитного резонатора обмен энергией между волноводами отсутствует из-за ортогональности поляризации их собственных волн. В полосе частот вблизи резонанса в ЖИГ-резонаторе полем входного волновода возбуждается магнитное поле круговой поляризации. Благодаря этому полю между волноводами возникает связь и
Рис. 11.20. Конструкции микрополоскового (а) и волноводного (б) фильтров на
ЖИГ-резонаторах: 1,2— проводящие петли; 3 — ЖИГ-резонатор; 4 — площадка
входной сигнал передается в выходной волновод.
В ферримагнитных резонаторах могут возникать высшие типы волн, которые уменьшают их добротность, однако их энергия падает при уменьшении размеров резонатора. Поэтому чем меньше диаметр сферы ЖИГ-резонатора, тем выше его добротность. Добротность ненагруженного ЖИГ-резонатора растет до частоты 5...10 ГГц, а затем почти не меняется вплоть до частот в несколько десятков ГГц, сохраняя приемлемые значения и на частоте 60 ГГц.
Кроме малых размеров важным достоинством ЖИГ-резонаторов является возможность электронной перестройки резонансной частоты по линейному закону в широких пределах и с высокой скоростью. Это достигается изменением подмагничивающего поля H0. Линейность настроечной характеристики особенно удобна для перестраиваемых в широком диапазоне частот фильтров, усилителей и генераторов СВЧ.
Недостатком ЖИГ-резонаторов является сравнительно высокое значение минимальной резонансной частоты из-за наличия в резонаторе внутреннего размагничивающего поля. Для ЖИГ-резонатора сферической формы минимальная частота равна 1,6 ГГц. Уменьшить резонансную частоту до значения 700 МГц удается с помощью замещения в структуре ЖИГ части атомов иттрия атомами галлия.
В диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых (<1 мм) волн применение закрытых объемных резонаторов становится нецелесообразным или вообще невозможным. При увеличении резонансной частоты в N раз с сохранением основного вида колебаний все размеры резонатора уменьшаются также в N раз, его объем и запасенная в нем энергия снижаются в N3раз, а добротность падает в √Nраз. Уже в миллиметровом диапазоне размеры резонатора уменьшаются настолько, что технологически трудно обеспечить их с требуемой точностью.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.