Ed_lab

Общиесведоф рритахния

. Ферриты – этогруппасодержащихионы

железаматериалов,которыеобладаютодновремемагнитсвойствнымино

а-

миферромагнетиэлектрическимисвойствамид ков

иков(

εr = 5…20,

s =10× -5 Ом-1

м-1)Свойства. ферритовзначительнойстепениредел

я-

ютсяихструкту.Наибольшееприменой

ениеполучилиферритысострукт

у-

ройшпинелинапример( ,железоникелевыйферрит

NiFe2O3,марганцевый

феррит MnO×Fe2O3)исоструктуройгранатанапример( ,железоиттриевый

гранат Y3Fe5O12 – ЖИГ).

Благодаряналичиюионовжелезаферритыобл

а-

даютбольшоймагнитно

йпроницаеспонтаннойнамагниченностью

остью.

Нарис.

4.1покриваяазн мнаферромгничивматагнитногония

ериала.

B

Вненамагниченномсостоянферр т

представляетсобойконгломератобластей,ма

г-

Bнас

нитныемоментыкоторыхориентированыра

з-

личныхнаправлен

иях.Подвоздперйствием

е-

0

Hс

H

менногомагнитнполямагнитныеогоме

нты

указанных областейотклоняютсяв

аправлении

вектора H, в результапоявлявекматеортся

г-

Рис.4.1

нитнойполяризациивектор(намагниченности,

определямагнитныйкак моедент

иницы

объема),сов

падающийсвекторомнапряженностивнешнегополя,магни

т-

наяпроницаявляскалярнойвеличитсямость.Поэтомусвойстванен

а-

магниченнферритадляпеременныхолюбоголейнаправленияодинак

о-

выираспространениеэлектромагнитныхволннемпрои

сходитта

кже,какв

любойдругойизотропнойсреде.

21

Постоянноемагнитноеполе

Н0 ориентируетмагнимоментыные

о-

мовжелезадольполя,врезультатечегоферритприобретаетанизотропные

z

свойства,

а егомагнитнаяпроницаемостьдля

е-

ременныхэлектр

омагнитныхполей

становится

M0

H0

тензорнойвеличиной.Слабоепеременноема

г-

нитноеполе

h,перпендикулярноенамагничив

а-

у

ющемуполю

Н0, застмавляетгнитныемоме

нты

прецессирвекторвокруг ать

Н0 (рис.

4.2).

Рис. 4.2

Еслипостполенаправленояннвд ль

оси z (Н0 = еzН0),апеременное

поле h емупе

р-

пендикулярно(

h = exhx+eyhy),тензормагнитнойп ицаемостиасыщенн

о-

гоферритаим

еетвид

µ'

-ik

0

,

µ

=µ0

ik

µ'

0

0

0

1

где µ'=1 -

ω0ωм

, k =

ωωм

( ω0 =

eµ0

H0 ,

ωм =

eµ0

M0 , w0 – собственная

ω2 - ω02

ω2 - ω02

me

me

частотапрецессиимагнитногомомэлевпосткроналеянном

Н0; М0

– спиновыймагнитный

оментэлектрона

).

Вектормагнитнойиндукцииэлектромагнитнойволны

b связанве

к-

торомнапряженностимагнитногополя

h соотношением b = ||µ||

h или bx =

Итак,компонентытензора

||µ|| зависятотнапряженностипостоянного

поля,и

этомувектор

ы b и h имеютразличсоотношениямеждукомпые

о-

нентами.Отсюважследсвойствоуетнамагниченногоое феррита

– вра-

щениеплоскостиполяр

изацииэлектромагнитнойволназывается,которое

эффектомФар

адея.

ляреальизацииволнойы

Н11 постепенноповорачмередвиваетсяж

е-

нияволнывдволнов,причемь угповороталда

Q плоскостипол

яризации

пропорцирасстояниюнален

z отвходнойплоскости,

и зависитотнамагн

и-

чивающегополя

Н0, частотыСВЧ

-сигнала w,атакжеотразиматериеров

а-

ла от ферритовогостержня:

Q = hkz, где h - коэффициентпропорциональн

о-

сти,учитывающгеометрическиераз й

мерыидиэлектрическиехарактер

и-

стикиферр

ита, k =

ωωм

.

ω2 - ω02

ω

m

é

æ

ω

ö2 ù

ω

é

æ 1

H

0

ö2 ù

Для w>>w0,

k

0

ú,такчто

Θ(ω,H0)η1+

м

ú z .

ê1+

ç

÷

µê

ç

0

÷

ω

ω

ω

ê

è

ω ø

ú

ê

è m

ø

ú

ë

û

ë

û

Следуотметить,чтонаправвращелоскостиполниеяризации

независитотнаправдвиженияэлектромагнитн

ойэнергииповолнов

-

ду,т.

е.ферр

итовыйвращательплоскостиполяризацииявляетсяневзаимным

устройством.

4.2. Описаниеэ

кспериментальной установки

Блок-схемалабораторнойустановкидляизученияэффектавращения

плоскостиполяризацииэлектромагнитнойво

лны,проходящейчерезл

инию,

содержащуюферрит,

приведена нарис.

4.5Источником. СВЧ

-колебаний

служитгене

раторГ4

-83 (1),работающийврежимевнутреннейамплитудной

модуляциимеандром.Сигналсвыходагенераторачерезкоаксиальный

а-

бель(2)поднается

выходотрезкацилиндрическоговолн(3),девода

р-

жащегоферритстержень.Повыйстоянноемагнитноеполе

Н0,намагнич и-

вающее фервпродольномитнаправлении,создаетсякатушкой,черезкот

о-

руюпропускаетсяуправляющийток

I отисточнипос (4)каянного.

СВЧ-сигнал,излучаемыйоткрытогоконцацилиндрическоговолновода(3)

принимарупорнантенной(5)итсядетследетекторомктирования(7)

регистнаэкосциллрируетсяане

ографа(6).

2

3

5

7

2

1

6

I

4

24

Рис.4.5

Намагничиваферритапостояполнитнымем

Н0,создава е-

мымто

ком I вкатушке

, приводиткповоротунаугол

Q плоскостиполяриз

а-

цииэлектромагнитнволны,излучаемокружающуюсредуизоткрытй

о-

гоконцацилиндрическ

оговолновода.Угп плоскостиворполяризациита

Q зависитот

силы

тока

I,протчекатушккающегорез

у,ичастоты

СВЧ-сигнала.

Уголповорплоскостиполяризациитаволныф ксируется

з-

мерениемуглаповоррупприемноантеннытавокругризой

нтальной

оси,прикоторомнаблюдаетсямаксимумреги трируемого

гнала.

4.3Поряд. выпработылненияк

1. Собратьсхемувсоответствиирис.

4.5.

2Устано. ручкиприборовслить

едующиеположения:

§генераторСВЧ

-сигналовГ4

-83:

- кнопкиуправ

ленияамплисигналаот;удойжаты

- ручку «Уровень»крайнее

левоеположение ;

- частота9

.4ГГц;

§ блокпитанияпос оянного

ока:

- ручку «Усиление»вположени

е,соответствующе е минимальнойчу

в-

ствительности.

3Включдать. прибоимпры

огретьсявтечение5

…10ми н.

4На.панелигенератораГ4

-83н

ажатькнопку .

5Увеличивая. выхмоднующность

генератручкУровень« »ичувствйра

и-

тельностьосциллог,устаннаэкорасциллографавитьнеразвертку

и-

бающейСВЧ

-сигнпределахме( )вандрполовиныэкр

ана.

6Пе. ремещаяупорприемантеннывдольаправляющейой,найтиполож

е-

нияминимумамаксимума

принимаемогосигнала.

7Установи. рупорприемнойнатрасенныь,сотответствующемянии

максимуприн .гналамаемогоу

8Измерить. зависимосреги игналатрируемуглаповорьрупогота

ора

(0…180°).

9Измерить. зависпр мостьниотгналамаемогоугл

аповорота упораи

трехзначенияхтокауправления(10

; 30; 60мА).

10Выключить. ток.Установитьугповорруп,соответствующийтарм

и-

нимальномаемомупринс

гналу.

25

11Измерить. зависимуглаповоротасть

Q рупора,соответствующегомин

и-

мальномусигна

лу,оттокауправл

ения(0 ; 10; 20; 40; 60мА).

12Изменить. направлениетока.П

овторитьизмеренияпо

п. 9 -11.

13Вернутьручки. првборовсхо

дноеположение.

14Выключить. приборы.

4.4Содержание. отчета

1Схем.

а экспериментальнойуст

ановки.

2Графики. за

висимостиамплог СВЧтудыбающей

-сигналаотуглаповор

о-

тарупораазлизначенияхтокачерезныхкатушку

частоте 9.4ГГц.

3Гр. завфиугласимплоскостиповкполяризациитаэлектрома

г-

нитнойволныотуправляющеготоканача

стоте9.

4ГГц.

4Вы. воды.

Лабораторнаяработа5

. ИССЛЕДОВАНИЕ

ШИРОКОПОЛОСНОГОСОГЛ

АСОВАНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ

НАГРУЗКИСВЧ

-ГЕНЕРАТОРА

Цельработы:

Расчет схемы согласующеготракта

наосновемикроп

о-

лосковойлиниипередачи

,обеспечивающегоширокопол

осогласованиеное

источника СВЧ-сигналанагру

зки.

5.1Осн. положениявные

Согласовансопротивлени

й является однойизважнзадачтейших

х-

никиСВЧ

изаключаетсявобеспечениинаиболэффективнойредачи

сигналаизисточника

СВЧ-мощностивполезнуюна

гр,вузкусл, овияхгда

ихсопротивленияазличны

. Такоеразличиесопротнагрузкивлений

с-

точникаведётотражениючастипадающмощности,,слейдовательно,

снижениюэффективностипередачи.З

адачасогласования вобщемслучае

можбытьресоздшенан

ием согласующих схем наосновеактивныхр

е-

активныхсосредоточенэлементов,апримекСВЧыхительно

наоснове

трансформаторовсопротивлений,разработанныхиспользованиемтеории

длиннийых

. Согласование нагрузки иподводящейлиниипередачи,им

е-

ющихс

опротивления ZН и ZЛ соответс,можетбывыпольвенснено

о-

мощью L/4 (четвертьволнового)трансформат.Трансформпредстаратор

в-

ляетсобойодиночныйотрезокилипоследоватсоединельноение

N отрезков

линиипередачи,

длинакаждогоихкоторых

равна L/4 (э лектрическаядлина

– p/2),где L – длинаволныотрезкенномлиниипередачи,сопротивл

е-

ниекаждогоизкоторых

ZТРk (k = 1,2…N) рассчитывается

использованием

телеграфныхуравне

ний.

Длялиниипередачи

(спренебрежмалымипотерямо

ми) длиной l с ха-

рактеристическим сопротивлением Z0,нагруженнойсопротивление

ZН

(рис. 5.1 ),справедливаформулатрансформациисопроти

влений:

ZВХ

= Z0

ZН + i Z0 tg(bl )

(5.1)

Z0

+ i ZН tg(bl )

гдеβ = 2π/ L –постояннаяраспростр

анения.

Zвх

Z0

ZН

l

Рис. 5.1

Когдалинииравна

l = L/4в

ыражение(

5.1)упрощается

до:

Z

2

ZВХ =

0

.

(5.2)

ZН

Извыраже(5вид.,что2)снияопротивлнагрузкиможбытьение

трансфоксопротивлеподводящеймировалиниипередачис июм

о-

щьюотрезкадлиной

L/4 ,сопркотивлениеорого

ZТР находитсязам

еной ZВХ

на ZЛ ввыражении(5как.2)

ZТР =

.

(5.3)

ZН ZЛ

Изусловывыражеияода(5вид.,что2)пнсогласованиеиялное

помощьюодиночногоотрезкадостигаетсянаединственнойчастоте

f0,для

которой L/4 = l.Вомногихслуровеньчаяхрассог

ласования,вызванный

т-

клонениемчасзаданногототызначения,недопустим.Поэтомувозникает

задачаширокосоглас,полкоторриваниябеспечиваетсяснполосамго

частот,впределахкото неажпройезаданноговышаетниезнач

ения.Эта

задачарешаетсяп

римемногоступенчатогоением

L/4-трансформатора.

Теориядлиннийых

показывает,чтопридвухкаскадном

(N = 2) со-

единетрансформаторовии

(рис.5.2)

волновыесопротивлениякаждогоиз

нихмогутбытьопределены

, исходяизследующихсоотн

ошений:

ZТР1

ZТР2 = 4

= 4

Z Л3 ZН

.

Z Л3 ZН

.

(5.4)

Zвх

Z1

Z2

Zн

ВинтегральныхсхемахСВЧ

спользуютсяпланарныелиниипередачи,

плоскиепроводникикотформнаыхповерхностируютсядиэлектр

ической

подложкиметодамиинтегральнтехнологииспримененфотолйитогрем

а-

фиидля

получениянеобходимогорисункатопологНаибольшее. примен

е-

ниенашламикропололинияМПЛ(),попсечениековаякоторойчное

представленонарис.

5МПЛ.3относит. ккатеглинийсолоистымяриид

и-

электрикдиэлектрическая( подложкам

– воздух),длякоторы

хвводитсяп

о-

нятиеэффективнойдиэлектрпрон ческойцаемости

: eэф = (l/L)2,где

l = с/f –

длинаволны

всвободномпространстве

начастоте f; L – длинавов ны

и-

ниипереднатойжечастотечи

f. Введение eэф позволяетописыватьрассма

т-

риваемуюликакнию

которуюэквивалентную,имеющуютакиежег оме

т-

h

w

εr=1

εr

Рис. 5.3

Влитературеприводитмножеаналитическвыраженятводля ихй

расчётапараметрМПЛ,полученныхпутёмбвработкиезультатовлибо

экспериментального исс,ледованияибочисленногомод

елированиянаЭВМ.

СледувыдсистемывелитьуравненийдлярасчётапараметровМПЛн

е-

обходимыхдлярешениязадачисогласо.Вуравходятхарактненияания

е-

ристическоесопротивлениеМПЛ

Z0, ширинаполоска

w,толщинаподложк

и

h, диэлектрпроническиецаемости

er и eэф. Выражения(5(.пригодны5.)6)

длярасчётаприусловии0.05

< w/h <20, er < 16,

w/h < 1

ì

60

æ

8h

w

ö

ïZ0 =

ç

+

÷

lnç

÷

w

4 h

eэф

ï

è

ø

,

(5.5)

í

e

+1

e

+1

æ

12 h ö-1 2

w ö2

ö

ï

r

r

æ

æ

e

=

+

ç

ç1 +

÷

+ 0.041ç1

-

÷

÷

2

2

w

ï

эф

ç

è

ø

è

h ø

÷

î

è

ø

и w/h ³ 1

ì

120p æ w

æ w

ö

ö-1

ïZ0 =

ç

+

1.393 +

0.667lnç

+

1.4444÷

÷

ï

eэф è h

è h

ø

ø

.

(5.6)

í

12h ö-1 2

ïe

= er +1 + er +1æ1 +

÷

ï эф

2

ç

î

2 è

w ø

Полагизвестнымипая

раметрыдиэлектрическойподложки

er

и h , а

такжетребуемоезначение

Z0, рассчидляэлеметанраноетовсформатора

повыражениям(5(5.из3)систем.4),(5(.можно5.)найти6)ге метрич

е-

скиепараметрытрансформаторанаосновеМПЛ:ширинуполоска

w идл ину

отрезка l = L/4 ,где

L = l

начасогласованиятоте.

eэф

5.2Поряд. выпработылненияк

1. В соответствиивариизантом

блицы (поуказаниюпреподавателя)

рассчитать:а)одноэлементнуюсогласующуюцепь;б)двухэлементную

согласующуюцепь

длясоглнасгрузксопротивлениемован я

Zн и

подводящейлиниипередачиссопротивлением

ZЛ = 50 Ом. Поформ

улам

(5и.(53)о.4)

пределить волновыесопротивлениятрансформ

аторов.

Вариант

Zн,Ом

f,ГГц

h, мм

er

1

70

2

0.5

9.8

2

30

3

1

4

3

110

4

0.25

9.8

4

10

5

1

4

5

90

6

0.5

9.8

Вариантызадкл нийбораторнойработе

2.

Решитьдлязаданныхпараметровсистемыуравнений(5(.опр5.)6),

е-

делить физические длинуширину

отрезковМПЛ,составляющихтран

с-

форматоры.

3.

Провестимодел рован

иерассчитанныхтрансфвпрорматоровграмме

численногосчёта,оценитьточностьрасчётапараметровМПЛпосист

е-

мам(5и(.5.)6).