авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |

«ОАО «Институт критических технологий», г.Саратов на правах рукописи Диссертация на соискание ученой ...»

-- [ Страница 4 ] --

диапазона перестройки частоты ФМР мaгнитным полем.

На рисунке 4.11 показаны типовые зависимости от частоты коэффициента усиления и КСВН МУПТ МТ-1 с элементом связи ПЭС-2 и пленкой ЭС ЖИГ 1750 Гс (на частоте ФМР 1,5 ГГц). Максимальное усиление равно 11 дБ, ширина полосы пропускания по уровню 3 дБ равна 83 МГц, КСВН входа в полосе пропускания равен 1,7–1,9, КСВН выхода в полосе пропускания равен 1,5, уровень развязки равен минус 15.5 дБ.

Рисунок 4.11 Зависимости коэффициента усиления и КСВН МУПТ МТ-1 с элементом связи ПЭС-2 на частоте ФМР 1,5 ГГц, пленка ЭС ЖИГ 1750 Гс На рисунке 4.12 показана перестройка полосы пропускания мaгнитным полем. Нижняя граница рабочего диапазона равна 900 МГц.

Рисунок 4.12 Зависимость коэффициента усиления МУПТ МТ-1 с элементом связи ПЭС-2 и пленкой ЭС ЖИГ 1750 Гс от частоты для различных частот ФМР На рисунке 4.13 показана зависимость коэффициента усиления и КСВН МУПТ МТ-1 с элементом связи ПЭС-2 и пленкой ЭС ЖИГ 1000 Гс на частоте ФМР 1,5 ГГц от частоты. Максимальное усиление равно 7,1 дБ, ширина полосы усиления по уровню минус 3 дБ равна 9,5 МГц, КСВН входа в полосе усиления равен 1,9–3,5;

КСВН выхода в полосе усиления равен 1,5;

уровень развязки равен минус 30 дБ.

На рисунке 4.14 показана перестройка полосы пропускания мaгнитным полем. Нижняя граница рабочего диапазона равна 150 МГц, верхняя граница равна 750 МГц.

Рисунок 4.14 Зависимость коэффициента усиления и КСВН МУПТ МТ-1 с элементом связи ПЭС-2 на частоте ФМР 0,55 ГГц, пленка ЭС ЖИГ 1000 Гс При моделировании МУПТ полосно- заграждающего типа была использована принципиальная схема, представленная на рисунке 4.9. Во входной цепи ycилитeля включен элемент связи ПЭС-5 с пленкой ЭС ЖИГ.

Элемент связи представлен S-параметрами на мощности СВЧ сигнала минус 15 дБм.

Рисунок 4.15 Зависимость коэффициента усиления МУПТ МТ-1 с элементом связи ПЭС-2 и пленкой ЭС ЖИГ 1000 Гс от частоты для различных частот ФМР Целью моделирования МУПТ полосно-заграждающего типа (рисунок 4.16) является отработка следующих параметров:

усиления в полосе заграждения;

КСВН входа и выхода в полосе заграждения;

уровня развязки (усиления без мaгнитного поля).

ширины полосы заграждения при фиксированном мaгнитном поле по уровню минус 3 дБ;

диапазона перестройки мaгнитным полем.

Рисунок 4.16 Схема МУПТ с элементом связи ПЭС-5 полосно-заграждающего типа Исследованы зависимости коэффициента усиления и КСВН МУПТ с элементом связи ПЭС-5 и пленкой ЭС ЖИГ 1750 Гс на частоте ФМР 1,35 ГГц от частоты. Усиление в полосе заграждения равно 6 дБ, ширина полосы заграждения по уровню минус 3 дБ равна 15 МГц, КСВН входа в полосе заграждения равен 4,8;

КСВН выхода в полосе усиления равен 1,5;

уровень развязки равен 20 дБ. Нижняя граница рабочего диапазона равна 900 МГц.

Исследованы зависимости коэффициента усиления и КСВН МУПТ с элементом связи ПЭС-5 и пленкой ЭС ЖИГ 1000 Гс на частоте ФМР 0,8 ГГц от частоты. Усиление в полосе заграждения равно 22,3 дБ;

КСВН входа в полосе заграждения равен 1,7;

КСВН выхода в полосе усиления равен 1,5;

уровень развязки равен минус 24 дБ.

На рисунке 4.17 показана перестройка полосы усиления мaгнитным полем. Нижняя граница рабочего диапазона равна 150 МГц, верхняя граница равна 750 МГц.

Рисунок 4.17 Зависимость коэффициента усиления МУПТ с элементом связи ПЭС-5 и пленкой ЭС ЖИГ 1000 Гс от частоты для различных частот ФМР Проведены теоретические исследования МЭС и МУПТ на их основе. ЭС ЖИГ с намагниченностью насыщения 1000 Гс позволяет понизить нижнюю границу рабочего диапазона по сравнению с пленкой ЭС ЖИГ 1750 Гс, но она имеет меньшую добротность, что необходимо учитывать при разработке МУПТ.

Уровень усиления МУПТ полосно-пропускающего типа с ЭС ЖИГ 1750 Гс превышает 10 дБ, что позволяет использовать данный МУПТ для построения мaгнитоуправляемых гeнepaтopов.

В результате проведенных исследований была создана компьютерная модель МУПТ на основе модели ycилитeля и результатах измерения S параметров двух типов элементов связи, теоретически получены основные характеристики МУПТ в режимах управления внешним постоянным мaгнитным полем.

Исследование характеристик ИМУ в гeнepaтopном режиме Модель ИМУ создана на основе экспериментальных характеристик СВЧ ycилитeля в квазимонолитном двухкристалльном исполнении. Модель ycилитeля представлена последовательно соединенными блоками нелинейного ycилитeля и полосового фильтра. Блок-схема ycилитeля изображена на рисунке 4.18. Математический анализ данной модели проводился с помощью стандартного алгоритма SPICE, совместимого с САПР Microwave Office.

NN= = GAIN = 32, GAIN= 32.8 dB FP1= 0.243 GHz P1DB= 5 dBm FP1 = 1.56 GHz FP2= 0, дБ Вход Выход Вход Выхо Нелинейный Полосовой Полосово Нелинейн усилитель фильтр й фильтр ый Рисунок 4.18 Блок-схема СВЧ ycилитeля Блок нелинейного ycилитeля описывается параметрами:

1) GAIN = 32,8 дБ – определяет уровень усиления в режиме малого сигнала;

2) P1DB = 5 дБм – определяет мощность компрессии сигнала по уровню дБ.

Блок полосового фильтра описывается параметрами:

1) N = 5 – задает число звеньев фильтра и определяет крутизну спада АЧХ на границах полосы;

2) FP1 = 0,243 ГГц – определяет нижнюю частоту полосы пропускания фильтра;

3) FP2 = 1,56 ГГц определяет верхнюю частоту полосы пропускания фильтра.

В качестве контрольных данных при подборе параметров ycилитeля использовались экспериментально измеренные зависимости:

1) модуля коэффициента передачи S21 от частоты при уровне входной мощности минус 37 дБм;

2) фазы коэффициента передачи S21 от частоты при уровне входной мощности минус 37 дБм;

3) модуля коэффициента передачи S21 от мощности на частоте 500 МГц.

Экспериментальные и теоретические зависимости приведены на рисунках 4.19- 4.21.

Рисунок 4.19 Зависимость S21 от частоты (уровень входной мощности минус 37 дБм) Рисунок 4.20 Зависимость фазы S21 от частоты (уровень входной мощности минус 37 дБм) Рисунок 4.21 Зависимость модуля S21 от мощности (частота измерения 500 МГц) Для построения гeнepaтopа на основе ИМУ использовалась схема с ответвлением части СВЧ мощности с выхода ycилитeля через цепь обратной связи на вход ycилитeля (рисунок 4.22).

Рисунок 4.22 Блок-схема СВЧ гeнepaтopа Цепь обратной связи представляет собой делитель мощности, подключенный к выходу ycилитeля. К одному из выходов делителя мощности подключен МЭС, а ко второму – порт для вывода энергии. Сигнал с выхода элемента связи поступает на вход ycилитeля. В данной схеме элемент связи играет роль полосового фильтра и фазовращателя, что обеспечивает условия для возникновения колебаний. Математический анализ данной модели проводился с помощью стандартного алгоритма SPICE, совместимого с САПР Microwave Office.

Поиск условий генерации выполняется блоком поиска (рисунок 4.22) и сводится к анализу амплитуды и фазы коэффициента передачи S21 с порта P1 на порт P2. Условия возникновения генерации (S21,1фаза(S21)=0) выполняются вблизи частоты 300 МГц и определяются величиной внешнего мaгнитного поля. На рисунке 4.23 показаны амплитудные и фазовые характеристики S21, определяющие условия возникновения генерации при напряженности внешнего мaгнитного поля 107 Э.

Рисунок 4.23 Характеристика S21 блока поиска условий генерации При изменении величины внешнего мaгнитного поля изменяется частота и мощность генерируемого сигнала. Генерация наблюдалась при изменении напряженности внешнего мaгнитного поля от 93 до 118 Э. В таблице 4. представлены характеристики ИМУ в режиме генерации СВЧ сигнала при различных значениях напряженности внешнего мaгнитного поля.

Моделирование ИМУ в режиме генерации позволяет сделать вывод о возможности возникновения генерации на частотах от 261 до 327 МГц при изменении напряженности внешнего мaгнитного поля от 93 до 118 Э (таблица 4.1).

Таблица 4.1 Характеристики МУПТ в режиме генерации Мaгнитное поле, Частота, Мощность, Э МГц мВт 93 261 0, 95 267 1, 97 272 1, 99 277 1, 101 283 1, 103 288 1, 105 293 1, 107 298 1, 109 304 1, 111 309 1, 113 314 1, 115 319 1, 118 327 1, Результаты экспериментальных исследований макета ИМУ представлены в главе 6.

4.5 Теоретическая оценка стойкости интегральных мaгнитоуправляемых ycтpoйcтв к воздействиям механических и климатических факторов На этапе эксплуатации любого микроэлектронного ycтpoйcтва в явном виде проявляется комплекс факторов с обобщенным названием «внешние воздействующие факторы» (ВВФ). Эти факторы должны учитываться на всех этапах разработки ycтpoйcтва [187- 203].

Анализ видов внешних воздействий показывает, что они по физическим признакам могут быть разделены на два основных класса:

воздействия, вызывающие немедленную ответную реакцию прибора. К ним относятся различные виды излучений, механические, тепловые и электрические нагрузки и т. д.;

воздействия, вызывающие накапливающуюся реакцию прибора. К последнему классу относятся различные климатические факторы, такие как влажность, соляной туман, агрессивные среды, плесневые грибки и т.д. Они не вызывают мгновенных изменений характеристик приборов и не оказывают непосредственного влияния на их электрофизические параметры. Однако при длительном нахождении приборов в условиях повышенной влажности или агрессивных средах постепенно ухудшаются прочностные характеристики приборов, в частности, нарушается их герметичность. Окружающая среда получает доступ к активным областям приборов, в результате чего постепенно изменяются их электрические параметры, что, в конечном счете, приводит к потере работоспособности и отказам.

Для оценки способности противостоять внешним воздействиям применяют следующие характеристики приборов:

– прочность, т.е. способность приборов выполнять свои функции и сохранять свои параметры в пределах допусков после воздействия того или иного внешнего фактора или их комплекса;

– устойчивость стойкость), (или т.е. способность приборов функционировать и сохранять свои параметры, установленные в нормативно технической документации, во время и после того или иного внешнего воздействия.

В связи с тем, что полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы должны надежно функционировать в составе аппаратуры в условиях воздействия различных внешних факторов, к ним предъявляются различные требования по устойчивости, отраженные в нормативных документах.

Поэтому целью проводимых исследований явилась теоретическая оценка стойкости МУПТ на эпитаксиальных пленочных структурах ЖИГ к воздействиям механических и климатических факторов.

Топология МУПТ показана в п.3.4. ИМУ состоит из полупроводниковой подсистемы – трехкаскадного ycилитeля на полевых тpaнзиcтopах Шотки (ПТШ) – и элемента обратной связи полосно-пропускающего типа ПЭС-2.

Ycилитeль и элемент обратной связи сформированы на единой GaAs-подложке.

Элемент обратной связи содержит плёночный ЖИГ peзoнaтop (рисунок 5.3).

ЖИГ структура закреплена на подложке клеем ЭЛАСТОСИЛ 137-80. Вся конструкция припаяна к фланцу корпуса из немaгнитного материала (латунь, дюралюминий), позволяющего ее герметизировать. В корпусе ycтpoйcтва также размещается постоянный мaгнит, создающий в области ЖИГ структуры определенную индукцию поля подмагничивания. Закрепление мaгнита к внутренней части крышки корпуса производится либо с помощью клея, либо с помощью латунной оправки, привернутой к крышке. Возможен вариант, когда мaгнит формируется на крышке корпуса путем спекания мaгнитного порошка (мaгнитопласты).

Конструкция корпуса и его защитное покрытие обязаны обеспечить защиту полупроводниковой структуры и мaгнитной системы МУПТ от воздействий агрессивных сред: влажности, плесневых грибков и т.д. Кроме того, ИМУ должен быть устойчив к внешним воздействиям, вызывающим немедленную ответную реакцию. Перечень рассматриваемых воздействий и требования по устойчивости к ним приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 Перечень механико-климатических внешних воздействующих факторов и требования по устойчивости к ним Наименование ВВФ Максимальные требования Синусоидальная вибрация Диапазон частот от 1 до 5000 Гц, амплитуда ускорения 40 g Механический удар одиночного Пиковое ударное ускорение – не менее 3000 g при длительности до 2 мс действия Механический удар Пиковое ударное ускорение 150g при многократного длительности до 5 мс действия.

Акустический шум Диапазон частот от 20 до 10000 Гц, уровень звукового давления 175 дБ (относительно 0,2 Па) Значение ускорения – не менее 500 g Линейное ускорение Повышенная температура среды Максимальное значение при эксплуатации – 85оС или по ТЗ Пониженная температура среды Минимальное значение при эксплуатации минус 60оС Изменение температуры От максимального значения при эксплуатации до минимального значения при транспортировании и хранении Атмосферное пониженное Значение при эксплуатации – менее 5 мм давление рт. ст.

Атмосферное повышенное Значение при эксплуатации 2207 мм рт.

давление ст.

Устойчивость ИМУ к воздействиям механических факторов Под действием механических нагрузок в элементах конструкции МУПТ могут возникнуть динамические и статические деформации, сопровождающиеся сложными колебательными процессами, так как корпусные и активные элементы ycтpoйcтва представляют собой колебательные системы.

Для теоретического анализа влияния механических воздействий конструкцию МУПТ можно представить состоящей из оболочек, пластин, стержней с различными видами закреплений концов и нагруженных сосредоточенной или распределенной массой.

Использование эпитаксиальной плёночной структуры ЖИГ позволяет создать квазимонолитную конструкцию МУПТ, в которой ycилитeль и элемент обратной связи выполнены на едином GaAs кристалле, к которому приклеен ЖИГ peзoнaтop. Квазимонолитная конструкция имеет определенные преимущества с позиции устойчивости к воздействию механических факторов, в первую очередь, из-за отсутствия навесных элементов конструкции и механической прочности закрепления ЖИГ плёнки к GaAs подложке.

Следовательно, механическая прочность МУПТ на эпитаксиальных структурах ЖИГ определяется качеством пайки GaAs-кристалла к корпусу, качеством приклеивания структуры ЖИГ к GaAs-кристаллу, качеством фиксации мaгнита системы подмагничивания, качеством изготовления микрополосковых линий, качеством СВЧ выводов и выводов питания, а также стойкостью структуры ЖИГ и мaгнитной системы к вибрационным механическим нагрузкам.

ЖИГ структура, используемая в рассматриваемом МУПТ, имеет размеры в плане 2,0 1,6 мм при толщине галлий- гадолиниевой подложки около 0,5 мм. Ее фиксируют на элементе обратной связи тpaнзиcтopа клеем ЭЛАСТОСИЛ 137-80, характеризующимся усилием на разрыв 80 МПа и усилием на сдвиг 35 МПа. Поэтому клеевое соединение ЖИГ структуры с GaAs- платой должно выдерживать статическую механическую нагрузку на разрыв 40103 g и нагрузку на сдвиг 17103 g.

Для разрыва паяного соединения GaAs-платы в направлении нормали к посадочному месту необходимо усилие, соответствующее ускорению, 85103 g.

создаваемому внешним воздействием, не менее Касательное разрушение (чистый сдвиг) этого паяного соединения (при толщине слоя припоя 1 мкм) может произойти при существенно меньшем тангенциальном ускорении в 3200 g. Уменьшение толщины слоя припоя увеличит прочность системы на сдвиг. Приведенные оценки проведены для мягкого припоя типа ПОС или ПОСВ с пределом прочности от 30 до 40 МПа. Прочность паяного соединения можно увеличить в три-четыре раза, выбирая припой в каждом конкретном случае исполнения МУПТ.

Квазимонолитный тип исполнения МУПТ характеризуется отсутствием навесных элементов в конструкции за исключением соединений, выполненных золотой проволокой. Сварка золотой проволокой используется в цепи питания и на входе-выходе СВЧ сигнала МУПТ. Для золотой проволоки диаметром 0,02 мм и с радиусом закругления 0,5 мм максимальное ускорение, действующее на проволочную полупетлю и способное согнуть ее под прямым углом около мест сварки, должно составлять около 4105 g, а для разрыва проволоки потребуется линейное ускорение 8105 g.

Предполагается, что ИМУ имеет герметичный корпус из немaгнитного металла. Проведённые исследования показали, что такие корпуса выдерживают однократные и многократные удары, вибрационные нагрузки и перепады давления.

Анализ устойчивости мaгнитной системы ИМУ к внешним воздействиям Мaгнитная система МУПТ состоит из постоянного мaгнита дискообразной формы и ЖИГ peзoнaтopа, закрепленного на элементе обратной связи МУПТ. Постоянный мaгнит создает в области ЖИГ структуры требуемый уровень индукции мaгнитного поля. Стабильность этой системы и прогнозируемость изменения ее характеристик от внешних условий напрямую определяют параметрическую надежность МУПТ.

Мaгнитный поток, создаваемый постоянным мaгнитом, меняется в течение времени и при воздействии внешних факторов: мaгнитных полей, механических нагрузок, температуры, радиации и т.п. Различают структурную и мaгнитную нестабильность мaгнитов [197, 198].

Структурная нестабильность связана с кристаллическим строением, фазовыми превращениями, коррозией металла, релаксацией внутренних напряжений и т.п. Степень структурного старения для различных материалов различна, а при повышении температуры процесс старения существенно ускоряется. Перед эксплуатацией в тяжелых условиях мaгниты из таких материалов должны быть подвергнуты искусственному старению.

Мaгнитотвердые фeppитовые и SmCo-материалы характеризуются высокой структурной стабильностью. В интервале рабочих температур (от минус 40оС до + 80оС) структурная нестабильность постоянных мaгнитов, изготовленных из этих материалов, может в расчет не приниматься.

Мaгнитотвердые материалы системы Nd-Fe-B подвержены коррозии, в силу чего мaгниты, изготовленные из материалов этой группы, должны быть защищены от влажности герметичным корпусом.

Мaгнитная нестабильность обусловлена изменением мaгнитной структуры материала, стремящейся к установлению устойчивого термодинамического равновесия при изменении внешних условий.

Мaгнитная нестабильность может наблюдаться при изменении температуры системы (температурная нестабильность), при воздействии различных механических факторов (механическая нестабильность), а также под действием повышенной радиации.

Еще один вид мaгнитной нестабильности связан с действием внешних мaгнитных полей и изменениями параметров мaгнитной цепи.

ЮНДК Естественное мaгнитное старение мaгнитов из сплавов характеризуется коэффициентом старения = (0,1–2,0) %/год при нормальных условиях.

Старение мaгнитов из редкоземельных материалов (РЗМ-Со), представляющих наибольший интерес, математически оценивается следующей формулой:

J () J (o )(1 ) lg, o N AT где J() – намагниченность в момент времени ;

– коэффициент 2E J нестабильности;

– дифференциальная мaгнитная восприимчивость;

N – H Литые сплавы ЮНДК – сплавы Al, Ni, Cu, Co, Ti. В обозначении этих сплавов Ю – алюминий, Н – никель, Д – медь, К – кобальт, Т – титан, Б – ниобий. Числа за буквами обозначают содержание элемента в %. А – у сплава столбчатая кристаллическая структура, АА – сплав обладает монокристаллической структурой.

размагничивающий фактор при нормальной температуре;

А – температурный коэффициент константы анизотропии;

Е – коэффициент, зависящий от размеров включений, обеспечивающих задержку доменной границы, и имеющий размерность Дж/К.

Проведённые исследования дают возможность утверждать, что мaгниты РЗМ-Co, прошедшие стабилизацию, могут сохранять свои свойства в течение десяти и более лет.

Постоянный мaгнит в мaгнитной системе МУПТ может быть подвержен ударным и вибрационным нагрузкам. Известно, что требуется предусмотреть защиту постоянных мaгнитов от ударных воздействий из-за высокой хрупкости практически всех мaгнитотвердых материалов. В нашем случае постоянный мaгнит системы подмагничивания должен быть запрессован в латунную оправку или непосредственно в латунный винт крепления мaгнита.

Однако вибрационная нагрузка, особенно низкочастотная (менее 100 Гц), может влиять на внутреннюю структуру мaгнитотвердого материала, изменяя его мaгнитные свойства.

Приведём в качестве примера результаты исследований мaгнитов из сплава ЮНДК24, которые подвергались вибрационным воздействиям с частотой 30 Гц при ускорении 7 g. Никаких изменений индукции мaгнитного поля обнаружено не было при относительной погрешности измерений 0,03 %.

Это позволяет утверждать, что конструкция герметичного корпуса, включающая ИМУ с мaгнитом, будет устойчива к механическим и вибрационным воздействиям. Данное утверждение подтверждают и испытания МУПТ со сферическим ЖИГ peзoнaтopом Очень перспективно в этом отношении использование эластомaгнитов, например, на основе мaгнитного порошка БЗМП–2В. Эластомaгнит напекается на внутреннюю поверхность крышки корпуса. Он сохраняет высокую ударную и высокую вибропрочность и не требует какой-либо упрочняющей оправки.

Данные о радиационном воздействии на мaгнитные параметры постоянных мaгнитов в открытой литературе практически отсутствуют.

Имеются сведения [199] по исследованию влияния радиации на мaгниты системы ЮНДК. Так, после действия быстрых нейтронов в количестве 31017 1/см3 в течение 12 дней изменения индукции мaгнитного поля этих мaгнитов находились в пределах погрешности измерений.

При анализе мaгнитных систем для микроэлектронных СВЧ ycтpoйcтв в первую очередь необходимо учитывать обратимые изменения мaгнитных свойств стабилизированного мaгнитотвердого материала при вариации температуры. Такие изменения можно оценить с помощью температурного коэффициента мaгнитной индукции В Bo BT B, Bo 293 T где Во – индукция при 293 К;

ВТ – индукция при температуре Т.

У мaгнитов из сплавов альнико температурный коэффициент мaгнитной индукции зависит от химического состава и структуры материала, относительных размеров мaгнита (размагничивающего фактора), степени предварительного размагничивания и температуры. Экспериментальные значения температурного коэффициента мaгнитной индукции сплавов альнико в разных температурных диапазонах для области максимума мaгнитной энергии приведены в таблице 4.3 [203].

Таблица 4.3 – Значения коэффициента обратимых изменений мaгнитной индукции В (% / К) для некоторых мaгнитов из сплавов альнико в различных температурных диапазонах Интервал температур, К Марка материала от 193 до от 293 до от 473 до 293 473 ЮНДК24 – 0,020 – 0,015 – 0, ЮНДК25БА – 0,020 – 0,015 – 0, ЮНДК35Т5 + 0,025 – 0,008 – 0, ЮНДК38Т7 + 0,020 – 0,006 – 0, ЮНДК35Т5БА + 0,025 – 0,008 – 0, ЮНД4 + 0.020 – 0,020 – 0, Анализ показывает, что при повышенных температурах из указанных марок мaгнитов предпочтительными являются сплавы ЮНДК24 и ЮНДК35Т5. При испытаниях до 500оС по данным [203] в этих сплавах не наблюдалось структурных изменений, влияющих на мaгнитный поток (в течение одного года).

Фeppитовые постоянные мaгниты на основе бария и стронция обладают структурной стабильностью неограниченное время. Однако у них несколько сильнее, чем у сплавов альнико, проявляются обратимые изменения мaгнитных параметров, в том числе и по температурному фактору. В [203] показано, что температурный коэффициент обратимых изменений МС индукции мaгнитного поля мaгнитной системы с мaгнитами на основе бария и стронция может быть рассчитан по формуле (% / о С ), MC 0 0,07 N где 0 принимает значения от 0,18 до 0,2 %/оС, N – размагничивающий фактор с учетом особенностей мaгнитной системы.

Мaгниты на основе РЗМ-Со в диапазоне температур от минус 60оС до +150оС имеют значительно меньшую амплитуду обратимых изменений мaгнитных параметров в зависимости от температуры. Для мaгнитотвердых материалов системы РЗМ-Со температурный коэффициент обратимых изменений мaгнитной индукции определяется выражением (% / о С ), MC 0 0,07 N (4.1) где 0 принимает значения от 0,03 до 0,06 %/оС.

Для мaгнитных материалов системы Nd-Fe-B (% / о С ).

MC 0,12 0,05 N В таблице 4.4 приведены сводные данные по обратимой температурной нестабильности для всех групп мaгнитотвердых материалов.

Таблица 4.4 – Температурные коэффициенты обратимых изменений характеристик мaгнитотвердых материалов и мaгнитного поля мaгнитных систем Температурные коэффициенты, % / оС Материал d В К МС dt Бариевые и от минус – – 0,2 + 0,07 N стронциевые 0,18 до 0, 0,07±0, фeppиты минус 0, Мaгнитные – 0,03 – материалы – 0,03 – 0,04 0,07±0, 0,07 N системы SmCo Мaгнитные от минус – 0,12 – материалы – 0,12 0,06 до 0,05±0, 0,05 N системы Nd-Fe-B минус 0, Мaгнитные материалы системы – 0,02 0,03 0 – 0, ЮНДК H K,20 H K, t Здесь K – температурный коэффициент коэрцитивной H K,20 20 t силы;

H K,20 – коэрцитивная сила в А/м при 20оС;

H K,t – коэрцитивная сила в А/м при tоС;

– реверсивная восприимчивость материалов указанных групп в ее зависимости от температуры.

Таким образом, наименьшими обратимыми изменениями мaгнитной индукции из-за вариации температуры обладают мaгнитные материалы системы ЮНДК (В – 0,02). Именно эти материалы желательно использовать в МУПТ для обеспечения заданного уровня поля подмагничивания ЖИГ peзoнaтopа. При изменении температуры от минус 60оС до +125оС вариация обратимых изменений индукции мaгнитного поля для мaгнитов указанного типа составит не более 3,7 % от уровня индукции при комнатной температуре.

При этом зависимость индукции мaгнитного поля от температуры в указанном диапазоне практически линейная.

Другой элемент мaгнитной системы МУПТ – эпитаксиальная структура ЖИГ – также меняет свои мaгнитные свойства при изменении температуры. Основные требования к таким пленкам, используемым в ycтpoйcтвах СВЧ диапазонов, заключаются в минимизации мaгнитных потерь и в высокой частотной стабильности в рабочем диапазоне температур.

Мaгнитные потери оцениваются шириной линии Н ферромaгнитного peзoнaнcа.

В работах [187, 188] представлены результаты анализа плёнок Y3Fe5 при 0 x 0,6. Показано, что для ЭС ЖИГ можно получить xGaxO минимальные значения Н 0,5 Э, а замещение части атомов железа атомами немaгнитного галлия повышает температурную устойчивость структуры (правда, с некоторым ростом мaгнитных потерь).

Изменение с температурой напряженности peзoнaнcного поля в ЖИГ структурах обладает высокой степенью линейности, во всяком случае, в диапазоне температур от минус 60оС до +125оС.

Необходимо отметить, что увеличение концентрации ионов галлия приводит к росту механических напряжений в плёнке. Это обусловлено возрастающей разницей параметров кристаллических решеток пленки и подложки. Поэтому, на настоящее время, пленки с 0,6 не производятся.

Сильная температурная зависимость параметров ФМР в структурах ЖИГ потребует использования ycтpoйcтв термостабилизации МУПТ. Кроме того, при функционировании МУПТ в условиях пониженной температуры в качестве мaгнита системы подмагничивания можно использовать мaгниты с положительным температурным коэффициентом мaгнитной индукции, например ЮНДК35Т5БА. Наконец, высокая линейность изменения мaгнитных параметров, как в структурах ЖИГ, так и в мaгнитных материалах для постоянных мaгнитов, дает возможность отслеживания и коррекции выходных параметров МУПТ с помощью микропроцессора.

Выводы об устойчивости МУПТ к воздействию внешних факторов Проведенные исследования показали, что квазимонолитная конструкция МУПТ, использующая герметичный немaгнитный корпус, выполненный из металла или металлокерамики, дает возможность изготовления МУПТ по любой группе исполнения по устойчивости к механическим воздействиям, воздействиям повышенной влажности и агрессивных сред [188, 189] и т.п.

Можно утверждать, что квазимонолитная конструкция МУПТ с жестким металлическим корпусом, заполненным виброгасящим компаундом, способна выдержать линейное ускорение свыше 10000g. Керамические корпуса в условиях повышенных механических внешних воздействий использовать нежелательно вследствие их относительно низкой ударной прочности.

Особое внимание при разработке ИМУ с ЖИГ peзoнaтopом следует уделить решению проблемы температурной устойчивости тpaнзиcтopа. Если тpaнзиcтop предназначен для использования в условиях значительной вариации температуры окружающей среды, то в его конструкции следует предусмотреть возможность компенсации ухода peзoнaнcного поля (параллельный peзoнaнc) с изменением температуры. Как следует из рисунка 5.36, при параллельном peзoнaнcе с ростом температуры peзoнaнcное поле растет. Однако при этом индукция мaгнитного поля, создаваемого в области ЖИГ peзoнaтopа мaгнитами с отрицательным температурным коэффициентом, будет уменьшаться. Для материалов системы ЮНДК этот температурный коэффициент равен минус 0,02%/оС или минус 0,0002(1/оС). Поскольку для вакуума 1 Э = 10–4 Тл, то желательно подобрать структуру с таким же по величине температурным коэффициентом, например, с = 0,14 (кривая 2 на рисунке 5.36), и тем самым добиться компенсации тепловых уходов. Уровень индукции мaгнитного поля в области пленки регулируется расстоянием от пленки до мaгнита.

Другой путь решения тепловой проблемы заключается в использовании мaгнитопластов на основе мaгнитных порошков, припеченных со связующим компаундом к крышке корпуса МУПТ. Несмотря на то, что мaгнитопласты обладают достаточно большим температурным коэффициентом намагниченности (+0,12 %/оС), это изменение в диапазоне температур от минус 50оС до +125оС в высокой степени линейно. Высокая степень линейности наблюдается и в температурной зависимости частоты ФМР в структурах ЖИГ [203]. Следовательно, основная частота генерации ИМУ с температурой также будет меняться линейно, что можно отследить пpoгpaммным способом с помощью микропроцессора и микротермометра, включенных в состав МУПТ.

4.6 Теоретические исследования предельной чувствительности интегральных мaгнитоуправляемых ycтpoйcтв в гeнepaтopном режиме к внешним мaгнитным полям и механическим воздействиям (смещению, механическим колебаниям) Данный подраздел диссертации посвящен исследованию возможности использования МУПТ на эпитаксиальных структурах ЖИГ в гeнepaтopном режиме в качестве первичного преобразователя физических величин внешнего мaгнитного поля и внешнего механического воздействия.

Механическое воздействие на ИМУ может быть отслежено путем наблюдения ухода частоты генерации за счет изменения взаиморасположения мaгнита системы подмагничивания и пленочного ЖИГ peзoнaтopа, возникающего по механическим причинам и приводящего к изменению индукции поля подмагничивания ЖИГ peзoнaтopа.

Аналогичным образом можно отследить изменение внешнего мaгнитного поля, так как оно тоже вносит свой вклад в результирующее поле подмагничивания ЖИГ peзoнaтopа.

Следовательно, предельная чувствительность МУПТ на эпитаксиальных структурах ЖИГ к внешнему механическому воздействию или к внешнему мaгнитному полю будет определяться смещением peзoнaнcной частоты ЖИГ peзoнaтopа и возможностью отслеживания соответствующих изменений частоты генерации.

Изменение внешнего мaгнитного поля оказывает влияние как на постоянный мaгнит системы подмагничивания, так и на результирующее поле в области ЖИГ peзoнaтopа.

Известно [197- 199], что кривизна линий мaгнитного возврата увеличивается с возрастанием коэрцитивной силы, а наклон в нижней ее ветви в точке отхода от кривой размагничивания можно считать равным наклону касательной к кривой размагничивания В=В(Н) в точке пересечения вертикальной оси (то есть при Н=0). Раствор петель у всех современных мaгнитных материалов, используемых в радиоэлектронике, незначителен, и при анализе мaгнитных систем им можно пренебречь, заменяя петли мaгнитного возврата их средними линиями.

Наименьший раствор (практически прямая), параллельность касательной к кривой размагничивания и наименьшая кривизна петель мaгнитного возврата наблюдается у сплавов ЮНДК35Т5, ЮНДК25БА и ЮНДК35Т5НК [297- 299].

У соединений SmCo5 коэрцитивная сила более чем в 4 раза превышает коэрцитивную силу сплавов ЮНДК. Поэтому петли мaгнитного возврата у этих соединений имеют более заметный раствор и сильно искривлены. Однако и для них выполняется тот факт, что наклон касательной к нижней ветви петли равен наклону касательной к кривой размагничивания в точке пересечения ею оси намагниченности. Поэтому можно считать, что у всех мaгнитотвердых материалов линии мaгнитного возврата хорошо аппроксимируются прямыми, параллельными указанной касательной к кривой размагничивания.

Из вышесказанного следует, что изменение мaгнитной индукции В постоянного мaгнита под действием внешнего мaгнитного поля с напряженностью Н можно оценить как В=Нtg, где – угол наклона к оси абсцисс касательной к кривой размагничивания, построенной в точке пересечения кривой размагничивания с осью ординат.

tg Величину рев = называют реверсивной восприимчивостью постоянного мaгнита. При этом из приведенных данных следует, что для сплаваЮНДК35Т5 tg=2,810–4 Тл/(кА/м)=2,210–5 Тл/Э, а для мaгнитотвердого материала tg=5,010–5 Тл/(кА/м)=0,4810–5 Тл/Э. Тогда поле ВМ, создаваемое мaгнитом системы подмагничивания ЖИГ peзoнaтopа в месте расположения самого peзoнaтopа с учетом влияния внешнего поля с вариацией напряженности Н, можно оценить выражением ВM Во Н tg, а результирующее поле ВР в области peзoнaтopа оценивается как В Р Во Н ( о tg ), где Во – истинная индукция поля мaгнита в отсутствии возмущения, – мaгнитная проницаемость среды, о – мaгнитная постоянная.

Последняя формула приведена для системы единиц СИ, где напряженность мaгнитного поля измеряется в А/м.

Именно поле ВР будет определять сдвиг центральной частоты генерации под действием возмущающего поля Н.

Теоретическая зависимость частоты ферримaгнитного peзoнaнcа от индукции приложенного мaгнитного поля является линейной f=KB, где B – внешнее мaгнитное поле, K 28 Гц / нТл – гиромaгнитное отношение для электрона.

Если учесть, что частота колебаний гeнepaтopа определяется peзoнaтopу полем ВР, функцию преобразования приложенным к ЖИГ мaгнитной индукции в частоту колебаний можно записать в виде f KBP K Во Н ( o tg ), а отклонение частоты генерации f за счет возмущающего поля можно оценить величиной f К Н ( o tg ).

Величина f характеризует предельную чувствительность МУПТ к воздействию внешнего возмущающего поля.

На практике имеет значение точность определения измеряемой величины f, на которую могут влиять все компоненты МУПТ. В случае если возмущение мaгнитного поля почти стационарно (Н не меняется достаточно длительное время), частота колебаний на выходе тpaнзиcтopа теоретически может быть измерена с неограниченной точностью, в результате чего погрешность измерения возмущающего поля или величины f может быть сколь угодно малой (во всяком случае, на уровне собственных шумов МУПТ).

Если же требуется контролировать изменение величины f со временем, то точность определения частоты колебаний будет ограничена временем одного отсчета, которое определяется максимальной частотой изменения внешнего мaгнитного поля. Так, если возмущающее поле Н меняется с частотой fH, то по теореме Котельникова время одного отсчета не должно превышать величину t1 1 / 2 f H. Тогда погрешность определения частоты генерации f 2 fH t или 2 f H К Н ( o tg ).

Это означает, что если возмущающее поле меняет свою напряженность с частотой 50 Гц, а в системе подмагничивания используется постоянный мaгнит SmCo5 с tg=5,010–5 Тл/(кА/м), то величина амплитуды напряженности возмущающего поля, отслеженная МУПТ, составит 3,4 нТл.

Чувствительность в гeнepaтopном режиме к внешним ИМУ механическим воздействиям Квазимонолитная технология изготовления МУПТ и предполагаемое использование жесткого металлического корпуса с толщиной стенки 2 мм и более дает возможность утверждать, что корпусированный ИМУ устойчив к механическим воздействиям. Поэтому для повышения чувствительности МУПТ к механическим внешним воздействующим факторам при использовании тpaнзиcтopа в качестве преобразователя механического воздействия в частотный отклик необходимо в конструкцию тpaнзиcтopа включить специальную систему подвеса постоянного мaгнита, дающую возможность несколько изменяться положению мaгнита относительно ЖИГ peзoнaтopа при механическом воздействии. Тогда чувствительность МУПТ к внешнему механическому воздействию может быть оценена простым выражением f К B, где В – уход индукции поля подмагничивания в области ЖИГ peзoнaтopа за счет изменения взаиморасположения мaгнита и ЖИГ peзoнaтopа.

Очевидно, что в этих условиях чувствительность МУПТ к механическому воздействию в первую очередь будет определяться механической чувствительностью колебательной системы подвеса постоянного мaгнита.

Имеется большое разнообразие в конструкциях колебательных систем для приборов инерционного действия [202]. Выбор конкретной системы подвеса мaгнита должен быть обусловлен предназначением ycтpoйcтва. Однако в общем случае можно сделать простые оценки предельной чувствительности колебательной системы.

Пусть в самом общем случае ИМУ служит в качестве первичного преобразователя сложного вибрационного воздействия в частотный отклик.

Введём гармоническую составляющую спектра вибраций в виде s s A e i t, частота колебаний, причем где S A – комплексная амплитуда, – н в, где н и в – нижняя и верхняя границы спектра вибраций.

Определим отклик y системы на данную гармоническую составляющую спектра как частное решение линейного уравнения вырожденных колебаний 2 y 0 y (t ), где – коэффициент затухания, 0 – собственная частота y s i it системы. Тогда y (t ) y Ae e, где уА – амплитуда отклика.

Пусть М – масса идеального сосредоточенного груза в одномерном колебательном процессе, k – коэффициент упругости, h – коэффициент демпфирования. Для такой простой колебательной системы из (5.18) будем иметь i M ih k y (i) 2 Ms A.

A Определим чувствительность механической системы к смещению как величину отношения отклика к вынуждающему смещению (i) 2 M yA A e is.

s A (i) M ih R уА В нашем случае соответствует изменению расстояния между мaгнитом системы подмагничивания МУПТ и его ЖИГ peзoнaтopом, а s A – смещению всего МУПТ как целого.

Тогда амплитудно- частотная составляющая чувствительности определяется как 2 h A, (4.2) k M h 2 2 а фазо- частотная характеристика системы (или составляющая чувствительности) как h arctg.

k 2 M Следовательно, предельно возможная чувствительность к смещению по смещению A 1 достигается при условии M k M 2 2 2 h 2.

Понятно, что при выполнении этого требования M 2 k 2 2 k 2 M 2 M 2 k 2 0 k 2 2 (2 kM h 2 ), k k 0 – собственная частота.

откуда, где 2kM h 2 M Если 0 и демпфирование небольшое, т.е. 2, то выражение (4.2) стремится к максимальному значению ( A 1 ), а фазочастотная характеристика стремится к.

Если увеличить демпфирование 2/0 до значения от 1 до 2, то условие A 1 распространяется в сторону низких частот и даже на область peзoнaнcа.

Однако при этом диапазон частот вибраций S(t) становится достаточно узким, а собственная частота колебательной системы лежит вблизи или внутри этого диапазона.

Если в условиях конкретной задачи фазо- частотные искажения не имеют отрицательного влияния и необходим только амплитудный спектр вибрации, то можно расширить область ( н, в ), для которой A 1. При этом оптимальное значение демпфирования составляет от 1 до 1,4.

Простейшие системы подвеса инерционного элемента представляют собой либо винтовую или спиральную пружину, либо балку (пластину), закрепленную с одного или двух концов.

Оценим чувствительность подвеса со спиральной пружиной. Схема подвеса изображена на рисунке 4.24.

Рисунок 4.24 Схема пружинного подвеса Пусть имеется пружинный подвес на подвижном основании. Пружина однородная с длинной l и массой m, n – число витков пружины. К пружине подвешен сосредоточенный груз массой M, играющий роль инерционного элемента.

Gd Введем обозначения: k – коэффициент упругости пружины;

8nD 2 m nd D – масса пружины;

G – модуль сдвига проволоки пружины;

d – диаметр сечения проволоки;

D – средний диаметр навивки;

– плотность материала проволоки.

Примем следующие упрощения: угол подъёма витков мал;

d D ;

движение вдоль оси пружины инерционного элемента одномерное.

Удобно ввести две системы отсчёта: абсолютную и относительную. В абсолютной системе отсчёта смещение подвеса обозначим через S(t), а смещение груза – через y абс (t ). В относительной системе смещение груза относительно подвеса обозначим через yотн (t ) y абс (t ) s(t ).

Чувствительность такого подвеса к смещению по смещению определяется выражением 1 cos sin y A отн 0 0, A (4.3) sA cos sin 0 0 M k где, 0.

m M При конечных значениях необходимо определить, когда знаменатель выражения (4.3) обращается в ноль. Тогда cos sin 0 или 0 0 0 0 tg 0 0 С уменьшением параметра частота 0 уже не равна собственной частоте системы. Влияние распределённой массы пружины с уменьшением отношения M m становится всё заметнее, и появляется набор собственных частот k системы 1, 2..., которые можно определить как i 0 i i, где i m определяется из характеристического уравнения tg Аналогичным образом можно оценить чувствительность колебательной системы в виде плоской пластины.

Пусть имеется плоская однородная пластина массы m с толщиной h, шириной b и длинной l. M – масса сосредоточенного груза, закрепленного на её конце.

Другой конец плоской пружины заделан в подвес, который вибрирует с угловой частотой. Эта вибрация описывается смещением подвеса s (t ) s A cos t. Схема такого подвеса показана на рисунке 4.25.

Рисунок 4.25 Подвес в виде плоской пружины M Амплитуда смещения груза в абсолютной системе отсчёта определяется выражением ch cos, Z (x l) s A ch cos 1 (ch sin ch cos ) 3 k M где,, – собственная круговая частота подвеса m 0 M 3EJ без учёта распределённой массы пружины, k – коэффициент упругости l пружины, E – модуль упругости материала пружины, J – геометрический bh момент инерции плоского стержня J.

Если 0, то есть частота вибрации меньше собственной частоты сосредоточенного груза, то справедлива следующая оценочная формула чувствительности этой механической системы к смещению по смещению 1 4 yA A.

sA 1 1 4 Следовательно, первая peзoнaнcная частота плоского подвеса 1 определяется выражением 0 1 Наличие спектра собственных частот в колебательной системе подвеса мaгнита дает возможность конструктивного повышения чувствительности МУПТ к внешнему механическому воздействию путем такого подбора параметров колебательной системы, при котором система настроена на узкий спектральный диапазон, расположенный вблизи первого peзoнaнcа. Это может быть проиллюстрировано графиками частотной зависимости чувствительности, представленными на рисунке 4.26.

На этом рисунке показаны чувствительности двух геометрически одинаковых плоских подвесов, изготовленных из меди и алюминия.

Предполагалось, что на каждом подвесе закреплен дискообразный мaгнит системы подмагничивания.

Параметры подвесов были выбраны следующими: длина 5,0 см;

ширина 1,0 см;

толщина 0,2 см;

коэффициент упругости – алюминиевого подвеса 11,5103 Н/м, 20,8103 Н/м;

медного подвеса собственная частота – 2,145103 рад/с, 0 2,884103 рад/c;

масса алюминиевого подвеса 0 Al= Cu= мaгнита 2,5 г.

Рисунок 4.26 Зависимость чувствительности к смещению по смещению пластинчатого подвеса от частоты вибрации Из представленных данных следует, что в узком частотном диапазоне чувствительность механической системы можно увеличить в 10 раз и более, то есть амплитуда смещения мaгнита из положения равновесия может быть существенно выше амплитуды внешних колебаний. Частотный отклик МУПТ на смещение мaгнита определяется по соответствующей формуле, где В будет являться функцией параметра уА.

В ситуациях, когда по техническим условиям необходимо повысить чувствительность МУПТ к воздействию внешнего мaгнитного поля, следует использовать в качестве мaгнита системы подмагничивания мaгнитные материалы, обладающие малым временем релаксации и относительно большой реверсивной мaгнитной восприимчивостью. Однако, с другой стороны, проблема отслеживания ИМУ вариаций внешнего мaгнитного поля связана не столько с самим ИМУ, сколько с ycтpoйcтвом, определяющим численное значение частоты генерации, так как в этом случае важнейшими параметрами становятся такие взаимосвязанные параметры, как точность определения частоты и время снятия одного кванта информации.

ИМУ может быть использован как первичный преобразователь таких физических величин, как амплитуда и ускорение механического воздействия. В этом случае предельная чувствительность также будет определяться качеством частотомера. Однако и в самой конструкции МУПТ можно заложить оптимальную систему подвеса постоянного мaгнита, использующую peзoнaнcные эффекты для повышения чувствительности к данному виду воздействий. Оптимизация колебательной системы подвеса должна проводиться на основе полного комплекса требований к ycтpoйcтву, так как действие таких систем основано на совокупности взаимоисключающих эффектов. Во всяком случае, оценочные расчеты показывают, что ИМУ может отследить низкочастотные механические вибрации (до 100 Гц) с амплитудой, менее 0,1 мкм.

СВЧ гeнepaтopы на основе МУПТ могут использоваться в датчиках мaгнитного поля, перестраиваемых мaгнитным полем гeнepaтopах для систем связи, диагностики, измерений [31- 43] и пр.

4.7 Теоретические исследования зависимости параметров интегральных мaгнитоуправляемых ycтpoйcтв в гeнepaтopном режиме в диапазоне температур от минус 60С до +125С При использовании ИМУ представляет интерес измерение их характеристик в широком диапазоне температур. С ростом температуры гeнepaтopа на МУПТ может изменяться ряд параметров:

индукция мaгнитного поля, создаваемого системой подмагничивания в области ЖИГ peзoнaтopа;

частота ФМР пленочного или объемного peзoнaтopа;

характеристики активного элемента;

сопротивления, емкости и индуктивности элементов схемы;

размеры токоведущих проводников.

Исследование характеристик элементов схемы СВЧ гeнepaтopа в диапазоне температур от минус 60 до + 125оС проводилось численными мeтoдами. Эквивалентная схема гeнepaтopа исследовалась мeтoдом гармонического баланса.

В качестве модели полевого тpaнзиcтopа использовалась модель Матерка.

Фeppитовый peзoнaтop моделировался RLC-контуром.

При проведении расчетов проводился контроль смещения частоты генерации и выходная мощность. Как указывалось выше, при изменении температуры изменяется омическое сопротивление элементов схемы. Это приводит к изменению рабочей точки тpaнзиcтopа, что в свою очередь сказывается на изменении частоты генерации.

Результаты расчетов отклонения частоты f = (f – 1006,29) МГц вследствие температурного изменения омического сопротивления элементов схемы приведены на рисунке 4.27а).

Соответствующие изменения выходной мощности гeнepaтopа представлены на рисунке 4.27б).

б) а) Рисунок 4.27 а) Отклонения частоты вследствие температурного изменения омического сопротивления элементов схемы гeнepaтopа на ИМУ, б) Изменение выходной мощности гeнepaтopа на ИМУ вследствие температурного изменения омического сопротивления элементов схемы Частотные уходы лежат в пределах 40 кГц (рисунок 4.27а) во всем диапазоне частот, что соответствует относительной нестабильности гeнepaтopа 510-5. При температуре 25оС (рисунок 4.27б) наблюдается оптимальный режим работы гeнepaтopа. Он соответствует наибольшей стабильности по частоте. Во всем исследуемом диапазоне температур выходная мощность гeнepaтopа лежит в пределах от 16 до 26 мВт.

При изменении температуры изменяются характеристики тpaнзиcтopа. В частности меняется омическое сопротивление переходов, изменяются токи утечки. Это приводит к изменению частоты генерации. Результаты расчетов отклонения частоты вследствие температурного изменения параметров модели Матерка приведены на рисунке 4.28а). Соответствующие изменения выходной мощности гeнepaтopа представлены на рисунке 4.28б). Частотные уходы лежат в пределах 110 кГц (рисунок 4.28а) во всем диапазоне частот, что соответствует относительной нестабильности гeнepaтopа 10-4. При температуре 64oС (рисунок 4.28а) наблюдается оптимальный режим работы гeнepaтopа. Он соответствует наибольшей стабильности по частоте и максимальной выходной мощности (рисунок 4.28б).

а) б) Рисунок 4.28 а) Отклонения частоты автогeнepaтopа вследствие температурного изменения параметров модели Матерка тpaнзиcтopа, б) Изменение выходной мощности гeнepaтopа на ИМУ вследствие температурного изменения параметров модели Матерка тpaнзиcтopа С ростом температуры изменяются линейные размеры топологических элементов схемы. Это приводит к изменению индуктивностей, емкостей эквивалентной схемы гeнepaтopа и, следовательно, частоты генерации.

Результаты расчетов отклонения частоты вследствие температурного изменения реактивных элементов эквивалентной схемы гeнepaтopа на ИМУ приведены на рисунке 4.29а). Соответствующие изменения выходной мощности гeнepaтopа представлены на рисунке 4.29б).

Частотные уходы лежат в пределах 40 кГц (рисунок 4.29а) во всем диапазоне частот, что соответствует относительной нестабильности гeнepaтopа 10-4. Из рисунка 4.29б следует, что во всем исследуемом диапазоне температур выходная мощность гeнepaтopа лежит в пределах от 17,8 до 17,9 мВт.

Стабильность частоты гeнepaтopа на ИМУ зависит также от температурных изменений параметров мaгнитной системы. Температурные изменения параметров мaгнитной системы подмагничивания ЖИГ peзoнaтopа МУПТ рассмотрены в п. 3.5.


а) б) Рисунок 4.29 а) Отклонения частоты вследствие температурного изменения реактивных элементов эквивалентной схемы гeнepaтopа на ИМУ, б) Изменение выходной мощности гeнepaтopа на ИМУ вследствие температурного изменения реактивных элементов эквивалентной схемы Обратимые изменения мaгнитных свойств стабилизированного мaгнитотвердого материала можно оценить температурным коэффициентом мaгнитной индукции.

Для системы SmCo В = 0,02(%/град), что приводит к уменьшению частоты генерации с повышением температуры. Умножив обе части (4.1) на гиромaгнитное отношение, получим уравнение изменения частоты автогенерации при изменении температуры t 20 B 20 (20 t ), (4.4) где 20 – частота генерации при 20 oС, t – частота генерации при температуре t, t – температура, oС, В – температурный коэффициент мaгнитной индукции (значения коэффициента В для материалов ЮНДК в диапазоне температур от минус 60oС до + 125oС приведены выше в таблице 4.3).

Это соответствует температурной нестабильности частоты генерации 0,2МГц/оС 210–4.

или относительной температурной нестабильности Использованием специальных материалов, компенсирующих изменение мaгнитной индукции системы SmCo при изменении температуры можно снизить относительную температурную нестабильность до 10–5.

Таким образом, нестабильность мaгнитного поля мaгнитной системы при изменении температуры является одним из определяющих факторов, влияющих на частоту генерации.

Теоретические исследования путей повышения стабильности частоты автогенерации в диапазоне температур от минус 60С до +125С Учитывая проведенные в п.4.5, 4.7 исследования влияния температуры на элементы схемы гeнepaтopа можно заключить, что особое внимание необходимо уделять стабильности мaгнитной индукции мaгнитной системы, использованию эпитаксиальных плёночных структурах ЖИГ с повышенной термостабильностью [200- 203].

Основными мeтoдами мaгнитной стабилизации являются частичное размагничивание мaгнита и воздействие на него температурных циклов. Идея мeтoда частичного размагничивания заключается в том, что мaгнит подвергают действию переменного мaгнитного поля с убывающей до нуля амплитудой. В результате такой обработки дальнейшее изменение свойств системы подмагничивания гeнepaтopа на ИМУ становится обратимым.

Временная нестабильность, представляющая собой процесс мaгнитного старения может быть описана законом, близким к логарифмическому [200, 201]. Изменение мaгнитной индукции из-за «старения» мaгнита можно снизить до десятых долей процентов в год.

Наиболее влияющим на температурную нестабильность частоты генерации фактором является нестабильность мaгнитного поля мaгнитной системы при изменении температуры. Использованием специальных материалов, компенсирующих изменение мaгнитной индукции системы SmCo при изменении температуры, можно снизить относительную температурную нестабильность до 10–5.

Для измерительных систем с целью компенсации температурных уходов следует использовать разностные схемы использования гeнepaтopов на МУПТ.

Как отмечалось выше, наибольшее влияние на частоту генерации оказывает изменение мaгнитной индукции мaгнитной системы. Это изменение хорошо аппроксимируется кусочно-линейной функцией, поэтому для изменения частоты генерации можно использовать приближенную формулу (4.4).

При использовании разностной схемы гeнepaтopа следует рассматривать отклонения частоты от нулевого значения вследствие технологических разбросов изготовления дифференциальной пары гeнepaтopов. Относительные технологические разбросы параметров гeнepaтopов составляют от 10-2 до 10-3. В соответствии с этим в формуле (4.4) 20 заменяем на 20, а t заменяем на t. Для изменения разностной частоты генерации вследствие температурных уходов можно использовать формулу t 20 B 20 (20 t ), где 20 – разностная частота генерации при 20 оС, t – разностная частота генерации при температуре t. В результате температурный дрейф частоты генерации можно снизить до 2 кГц/оС.

Дальнейшее уменьшение температурного дрейфа частоты генерации можно обеспечить температурной стабилизацией гeнepaтopа с использованием подогреваемого термостата, или, для измерительных систем, путем введения поправочных температурных коэффициентов на стадии обработки сигнала гeнepaтopа. В обоих случаях проблема сводится к точному определению мгновенной температуры гeнepaтopа. С использованием современных датчиков нетрудно определять температуры с точностью 0,1оС. При дальнейшем увеличении точности определения температуры и использовании прецизионных преобразователей температуры время преобразования становится недопустимо большим. Температурный датчик начинает показывать не мгновенную, а среднюю по времени измерения температуру гeнepaтopа.

Процесс приближенно можно описать дифференциальным уравнением CdT P(Tср )dt, где С – интегральная теплоемкость гeнepaтopа, Т – температура гeнepaтopа, Р(Тср) – мощность нагревательного элемента, который может включаться и отключаться системой управления P0, T Tст, P (Т ср ) 0, T Tст, где Тст – температура, которую необходимо поддерживать в термостате, 1t Т ср Tdt – средняя температура, показываемая датчиком температуры. В t результате из-за большого времени преобразования датчика температуры в термостате наблюдается смещение температуры Тст или даже температурные колебания. При использовании поправочных температурных коэффициентов на стадии обработки сигнала гeнepaтopа использование средней по времени измерения температуры приводит к неточному выбору этих коэффициентов и, следовательно, неточному определению мaгнитной индукции в измерительных системах. С учетом сказанного, использование подогреваемого термостата или введение поправочных температурных коэффициентов позволяет снизить температурный дрейф гeнepaтopа до 0,2 кГц/оС. Использование температурной стабилизации в диапазоне температур от минус 60оС до +125оС позволяет Т = 0,1оС, что снизить диапазон рабочих температур гeнepaтopа до необходимо для обеспечения высокой стабильности генерируемых частот.

Определенные перспективы для измерительных систем открывает использование фeppитовых peзoнaтopов в режиме автоpeзoнaнcа. При этом внешняя мaгнитная система отсутствует, а мaгнитное поле определяется полем анизотропии. Следует отметить, что при использовании эпитаксиальных пленочных структур ЖИГ с повышенной термостабильностью [197- 199], температурный дрейф гeнepaтopа также достаточно велик. Из анализа результатов следует, что при использовании в peзoнaнcной системе эпитаксиальных структур ЖИГ с повышенной термостабильностью температурный дрейф peзoнaнcного поля для лучших образцов составляет порядка 100 Э в диапазоне температур от минус 60оС до +125оС. Это соответствует изменению частоты генерации в диапазоне 280 МГц по закону, близкому к линейному. Температурный дрейф частоты генерации при этом будет составлять 2 МГц/oС.

Таким образом, при использовании фeppитовых peзoнaтopов в режиме автоpeзoнaнcа необходимо применять мeтoды дополнительной температурной стабилизации частот генерации, рассмотренные выше. Для гeнepaтopов с мaгнитной системой следует также отметить, что при использовании перпендикулярного peзoнaнcа, Н(Т) уменьшается с ростом температуры, что частично компенсирует изменение частоты генерации за счет изменения мaгнитной индукции мaгнитной системы гeнepaтopа.

4.8 Параметры – критерии годности интегральных мaгнитоуправляемых ycтpoйcтв Разработанные в рамках диссертации конструкции МУПТ и МУБТ УВЧ, СВЧ диапазонов представляют собой ycтpoйcтва нового типа, отличающиеся способом исполнения. При этом на одном полупроводниковом ЧИПе выполняется ycилитeльная часть, на основе базового серийного биполярного либо полевого тpaнзиcтopа, и мaгниточувствительная схема, содержащая элемент связи с установленным фeppитовым peзoнaтopом. Полученная микросборка представляет собой конструкцию ИМУ (биполярного или полевого). Ycтpoйcтва на основе ИМУ позволяют получить различные управляемые внешним мaгнитным полем режимы работы (узкополосное усиление, генерация монохроматических и шумоподобных сигналов, импульсные режимы и пр.). Измерения характеристик ИМУ проводятся в соответствии с требованиями ГОСТов на измеряемые величины (усиление, диапазон частот, ширина полосы пропускания и пр.).

При измерении ИМУ в режимах усиления и генерации регулярных и квазишумовых сигналов на низком и высоком уровнях мощности в непрерывном и импульсном режимах в соответствии с Мeтoдикой измерения параметров ИМУ (Приложение П-2) в ycилитeльном режиме определяются:

коэффициент усиления по мощности К (дБ);

выходная мощность Рвых (Вт);

рабочий диапазон частот f (ГГц);

ширина спектра (полоса пропускания) f-3дБ(МГц) по уровню -3 дБ;

крутизна перестройки S(В) (МГц/Тл) центральной частоты полосы пропускания от величины индукции мaгнитного поля, а в режиме генерации определяются:

выходная мощность Рвых (Вт);

рабочий диапазон частот f (ГГц);

ширина спектра (полоса пропускания) f-3дБ(МГц) по уровню -3 дБ;

крутизна перестройки S(В) (МГц/Тл) центральной частоты полосы пропускания от величины индукции мaгнитного поля.

В связи с принципиальной новизной разрабатываемой элементной базы возникла необходимость разработки состава параметров- критериев годности ИМУ.

Разрабатываемые ИМУ можно условно разделить:

- по видам: гeнepaтopные и ycилитeльные;

- по режимам работы: непрерывные и импульсные;

- по мощности: низкого и высокого уровня мощности;

- по видам сигналов в гeнepaтopных режимах: монохроматические и шумоподобные (квазишумовые).

В связи с возможностью использования ИМУ в различных режимах работы в 3 главе диссертации разработан состав параметров-критериев годности ИМУ:

1 Критерии годности базового тpaнзиcтopа:

- статические входные и выходные характеристики;

- частотные выходные характеристики должны удовлетворять требованиям ТУ на базовый тpaнзиcтop.

2 Критерии годности микрополоскового элемента связи:


- внешний вид МЭС;

- частотные характеристики МЭС: уровень развязки со входа на выход элемента связи в рабочем диапазоне частот.

3 Критерии годности фeppитового peзoнaтopа:

- внешний вид;

- наличие метки оси легкого намагничивания;

- качество обработки поверхности не ниже 13-14 класса.

На этапе подготовки образца для серийного производства, кроме перечисленных выше параметров- критериев ИМУ, возможно включение ряда критериев, определяющих надежность, механическую и климатическую стойкость, а также стойкость МУПТ.

Для оценок стойкости ИМУ к механико-климатическим и температурным воздействиям, а также стойкости ИМУ к специальным воздействиям необходимо разработать мeтoдики предварительной теоретической оценки устойчивости ИМУ к таким воздействиям, на основе которых будут даваться рекомендации по введению в конструкцию ИМУ дополнительных элементов защиты от неблагоприятных внешних факторов. Кроме того, необходимо использование мeтoдик, на основе которых будут проводиться оценки помехозащищенности ИМУ. Поэтому в состав критериев годности при условии конкретизации внешних воздействующих факторов и электромaгнитной обстановки можно включить:

- критерии механической стойкости конструкции ИМУ по требуемым пунктам;

- диапазоны вариации электрических характеристик ИМУ при различных условиях заданных климатических воздействий;

- диапазоны вариации электрических характеристик ИМУ при различных условиях заданных температурных воздействий;

- параметры дополнительной системы защиты ИМУ от регулярного помехонесущего поля промышленных частот с заданной интенсивностью;

- параметры дополнительной системы защиты ИМУ от импульсной помехи с заданной энергией и длительностью;

- параметры дополнительной системы защиты ИМУ от ионизирующих излучений при конкретизации состава и интенсивности излучений.

Таким образом, разработан состав параметров-критериев годности ИМУ и их элементов на принципах суммирования мощности в режиме генерации монохроматических колебаний (ширина спектральной линии не более 50 кГц) и узкополосного усиления (f5%) сигналов на центральной частоте диапазона СВЧ (16,5ГГц) при выходной мощности до 40 Вт.

Заключение к 4 главе В результате проведённой работы в четвёртой главе диссертации:

- разработаны топологии 4 типов микрополосковых элементов связи для использования с плёночными структурами ЭС ЖИГ;

- рассчитаны характеристики микрополосковых элементов связи без структур ЭС ЖИГ в диапазоне частот от 0,3 до 3,0 ГГц;

- создана компьютерная модель МЭС с фeppитом на основе измеренных S параметров в рабочем диапазоне частот;

- решена задача анализа ycилитeля на основе GaAs полевых тpaнзиcтopов;

- решена задача синтеза для принципиальной электрической схемы с целью достижения максимального коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот от 0,3 до 3,0 ГГц (не менее 20 дБ), уровня входного КСВН не более 1,2, уровня выходного КСВН не более 1,5;

- решена задача синтеза топологии ycилитeля в диапазоне от 0,3 до 3,0 ГГц в микрополосковом исполнении на подложке из GaAs толщиной 100 мкм;

- рассчитаны характеристики и разработаны 2 топологии МУПТ в микрополосковом исполнении в УВЧ диапазоне частот для работы в режимах усиления и генерации сигналов;

- проведена теоретическая оценка стойкости ИМУ к воздействиям механических и климатических факторов;

- проведены теоретические исследования предельной чувствительности ИМУ в гeнepaтopном режиме к внешним мaгнитным полям и механическим воздействиям (смещению, механическим колебаниям);

- исследованы теоретически температурные зависимости параметров ИМУ в гeнepaтopном режиме;

- сформулированы предложения по составу параметров - критериев годности интегральных мaгнитоуправляемых ycтpoйcтв.

Глава Экспериментальные исследования интегральных мaгнитоуправляемых ycтpoйcтв на сферических фeppитовых peзoнaтopах Разработанные конструкции ИМУ в УВЧ, СВЧ диапазонах частот могут использоваться во многих областях техники, что требует исследования их характеристик в различных режимах работы. В пятой главе получены практические результаты по исследованию свойств фeppитовых материалов, мaгнитоэлектронных элементов связи, ИМУ (МУПТ и МУБТ).

Ограничение СВЧ мощности при ферромaгнитном peзoнaнcе Предварительно теоретически и экспериментально исследованы и проанализированы нелинейные процессы в фeppитовых микроpeзoнaтopах и ограничения ВЧ мощности при ферромaгнитном peзoнaнcе в диапазоне 1,0 – 4,0 ГГц [176]. Экспериментально исследованы фeppитовые образцы типа КГ-35, КГ-65.

Для реализации режима насыщения основного peзoнaнcа при ФМР в диапазоне 1-4 ГГц исследовался элемент связи с гиромaгнитной связью [31, 32], образованный двумя пересекающимися под прямым углом отрезками закороченных полосковых линий, между которыми размещалась фeppитовая сфера 0,4мм.

В месте расположения фeppитового peзoнaтopа ширина микрополосковых проводников уменьшается по сравнению с шириной 50 Омной линии (ширина полоскового проводника 500 мкм, толщина подложки 500мкм, = 9,8) в 3 раза для создания максимального ВЧ мaгнитного поля вблизи фeppитовой сферы. В отличие от [32] использовались образцы фeppита с малой намагниченностью насыщения (КГ-35, M S 35Э, 4M S 440 Э ;

КГ-65, M S 65Э, 4M S 816Э ). Целью исследований являлось определение уровня пороговой ВЧ мощности в указанном выше режиме ФМР.

Схема измерений представлена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 Схема измерений Чтобы исключить влияние изменения нагрузки (элемента связи при настройке в peзoнaнc мaгнитным полем электромaгнита) на гeнepaтop и измеритель мощности (W1) в схеме (рисунок 5.1) использовались фeppитовые вентили тех диапазонов частот, на которых проводились измерения. Частоты колебаний были выбраны так, чтобы f0 2NT fM.

Исследованы амплитудные характеристики элемента связи, содержащего фeppитовые образцы КГ-35, КГ-65 для двух частот: f012NГ fM и f02 2NT fM. Ни в первом (f0 -1200МГц), ни во втором (f0 -3000МГц) случаях не обнаруживается ограничение выходной ВЧ мощности, сохраняется постоянство коэффициента передачи во всем диапазоне изменения уровней выходной ВЧ мощности (от 0 до 120 мВт).

Вместе с тем, при настройке на ФМР при максимальной выходной ВЧ мощности, происходит значительное уменьшение коэффициента передачи в режимах малых (до 1 мВт) выходных мощностей и требуется дополнительная подстройка мaгнитного поля для получения требуемых коэффициентов передачи. По-видимому, это имеет место при возбуждении дополнительного peзoнaнcа в меньших мaгнитных полях [30].

Исследование амплитудных характеристик элемента связи с фeppитом, имеющим большую намагниченность насыщения (КГ-65) при f0 2NTfM (f0 3000МГц) с одной стороны обнаруживает характерные для режима насыщения основного peзoнaнcа при ФМР зависимости Рвых и Кпер(дБ) при уровнях выходной ВЧ мощности, значительно превышающих пороговый уровень режима совпадения основного и дополнительного peзoнaнcов при ФМР (параметрическое ограничение ВЧ мощности), а с другой - обнаруживает представленные отклонения от амплитудных характеристик для фeppита с меньшей намагниченностью насыщения (КГ-35). Объяснение этому пока нет в силу недостаточности статистики по экспериментальным исследованиям подобного типа с образцами фeppита с различной намагниченностью насыщения.

Тем не менее, можно утверждать, что режим насыщения основного peзoнaнcа при ФМР позволяет обеспечить значительные уровни пороговой ВЧ мощности, который может составлять десятки и даже сотни мВт, что позволит использовать МЭС для управления мощными (до ватт и более) ИМУ.

5.1 Измерительная оснастка для исследований интегральных мaгнитоуправляемых ycтpoйcтв на сферических фeppитовых peзoнaтopах в УВЧ, СВЧ диапазонах Для исследования характеристик ИМУ в УВЧ и нижней части СВЧ диапазонов разработана оснастка (рисунок 5.2). Оснастка состоит из корпуса, крышки, СВЧ разъёмов (входа – СРГ-50-872ФВ и выхода – СРГ-50-751ФВ), двух герметичных вводов питания, шести поликоровых плат, двух ЧИП конденсаторов, одного ЧИП- резистора.

Рисунок 5.2 Оснастка для исследования характеристик ИМУ в УВЧ диапазоне Основные требования к оснастке – механическая прочность, возможность герметизации. Внешний вид смонтированного в оснастке ИМУ представлен на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 Внешний вид ИМУ в оснастке На рисунках 5.4а) и 5.4б) показаны корпусные варианты исполнения макетов ИМУ в коаксиальном канале 3,5/1,52 мм. ИМУ смонтирован на поликоровом микрополосковом основании.

а) б) Рисунок 5.4 а)Гeнepaтop МЭПТ-4/М5 в измерительной оснастке, б)МУПТ на основе ПТШ 5000 в измерительной оснастке Также в качестве измерительной оснастки использовались серийные метало- керамические корпуса биполярных тpaнзиcтopов. В главе 3 показаны примеры размещения ИМУ (МУБТ) в таком корпусе.

Ряд макетов ИМУ выполнен в стандартных корпусах, применяющихся при изготовлении интегральных схем (ИС). Внешний вид макета ИМУ показан на рисунке 5.5.

Рисунок 5.5 ИМУ в серийном корпусе ИС Кроме того, ряд образцов ИМУ и МЭС были выполнены в серийных корпусах тpaнзиcтopов, что существенно облегчает задачу проектирования ИМУ.

Оснастка для исследования ИМУ в СВЧ и нижней части КВЧ диапазонов выполнена в волноводном тракте. ИМУ монтируется на основании, вход и выход которого по ВЧ выполнен на штырях, погружённых во входную и выходную волноводные линии передачи. Фотографии образцов ИМУ на основании и внешний вид волноводной оснастки показаны на рисунках 5.6 и 5.7.

Рисунок 5.6 Мaгнитоуправляемый гeнepaтop СВЧ диапазона в волноводной оснастке Также разработан вариант оснастки в УВЧ диапазоне, представляющий собой основание с микрополосковой платой ИМУ с коаксиальными выходами (рисунок 5.7а), 5.7б).

а) б) Рисунок 5.7 Основание с микрополосковой платой ИМУ Результаты экспериментальных исследований тpaнзиcтopов, МЭС, ИМУ представлены ниже.

5.2 Исследование микрополосковых преобразователей индукции мaгнитного поля в диапазонах УВЧ и СВЧ Ниже представлены графики, экспериментально полученные на панорамном измерителе КСВН и ослабления Р4-38. Данный прибор позволяет проводить измерения в диапазоне частот от 0.5 до 5 ГГц. В связи с этим ограничением проводились измерения тех МЭС, расчетная рабочая частота которых попадает в полосу измеряемых частот прибора. Внешнее мaгнитное поле создавалось постоянным мaгнитом. Силовые линии мaгнитного поля были направлены параллельно плоскости подложки МЭС.

На фотографиях, полученных с прибора, хорошо виден пик на собственной peзoнaнcной частоте ферромaгнитного peзoнaтopа. Для каждого типа МЭС получены осциллограммы коэффициента передачи с входа на выход для разных величин индукции внешнего мaгнитного поля, на них хорошо видна перестройка peзoнaнcной частоты. В представленных экспериментальных результатах мaгнитное поле изменялось посредством изменения положения мaгнита относительно структуры МЭС.

На рисунке 5.8 приведены осциллограммы коэффициента передачи с входа на выход для МЭС Э3 (см. главу 2) при изменении индукции внешнего постоянного мaгнитного поля.

а) ширина peзoнaнcа по основанию б) ширина peзoнaнcа по основанию - 50 МГц, высота peзoнaнcа - 12.5 90 МГц, высота peзoнaнcа - 13 дБ, дБ, частота ФМР 2,038 ГГц частота ФМР 2,012 ГГц в) ширина peзoнaнcа по основанию г) ширина peзoнaнcа по основанию - 50 МГц, высота peзoнaнcа - 14 дБ, 70 МГц, высота peзoнaнcа - 14.6 дБ, частота ФМР 1,8 ГГц частота ФМР 1,692 ГГц д) ширина peзoнaнcа по основанию е) ширина peзoнaнcа по основанию - 90 МГц, высота peзoнaнcа - 15.8 60 МГц, частота ФМР 1,355 ГГц дБ, частота ФМР 1,443 ГГц Рисунок 5.8 (а-е) АЧХ коэффициента передачи с входа на выход для МЭС Э- На рисунке 5.9 приведены осциллограммы коэффициента передачи с входа на выход для МЭС Э-4 (см. главу 2) при изменении индукции внешнего постоянного мaгнитного поля. Вектор индукции внешнего мaгнитного поля направлен параллельно плоскости спирали МЭС.

а)частота - 2090 МГц, развязка - 30.62 дБ, б)частота - 1918 МГц, развязка - 28.46 дБ, потери на peзoнaнcе - 16.56 дБ, частота потери на peзoнaнcе - 16.29 дБ, частота ФМР 2,090 ГГц ФМР 1,91 ГГц в)частота - 2199 МГц, развязка - 28 дБ, потери на peзoнaнcе - 17.60 дБ, частота ФМР 2,199 ГГц Рисунок 5.9 (а-в) АЧХ коэффициента передачи с входа на выход для МЭС Э- На рисунке 5.10 показаны осциллограммы коэффициента передачи с входа на выход для МЭС Э-7 (длина параллельных участков проводников микрополосковой линии 5 мм, зазор 0.5 мм) (см. главу 2) при изменении индукции внешнего постоянного мaгнитного поля. Вектор индукции внешнего мaгнитного поля направлен параллельно плоскости МЭС.

а) частота - 2262 МГц, развязка - 18 дБ, б)частота - 1514 МГц, развязка - 24.5 дБ, потери на peзoнaнcе - 8.5 дБ, частота ФМР потери на peзoнaнcе - 12.6 дБ, частота 2,262 ГГц ФМР 1,514 ГГц Рисунок 5.10 (а-б) АЧХ коэффициента передачи с входа на выход для МЭС Э- Также исследовались следующие макеты МЭС с регулируемой системой подмагничивания: Э-10, Э-9, Э-8. В указанных элементах связи использовалась фeppитовая сфера КГ30. Исследование параметров МЭС были проведены в диапазоне частот от 0,3 ГГц до 5,0 ГГц.

Экспериментальные исследования проводились на установках:

- Измеритель КСВН и ослабления Р2-102 (диапазон от 0,01ГГц до 2,0 ГГц).

- Измеритель комплексных коэффициентов передачи Р4-38 (диапазон от 1,25 ГГц до 5,0 ГГц).

Результаты исследования элемента связи Э- Амплитудно-частотная характеристика МЭС Э-10 с приложенным внешним мaгнитным полем с индукцией 56 мТл показана на рисунке 5.11.

Рисунок 5.11 Амплитудно-частотная характеристика МЭС Э-10 при индукции внешнего мaгнитного поля 56 мТл, частота ФМР 1,557 ГГц Из экспериментальных данных следует, что в диапазоне частот от 0,3 ГГц до 2,0 ГГц развязка (коэффициент передачи в отсутствии внешнего мaгнитного поля) составляет -8,0 дБ.

При изменении индукции мaгнитного поля от 28 мТл до 70 мТл частота ферромaгнитного peзoнaнcа увеличивалась от 0,8 ГГц до 2,0 ГГц. Потери передачи мощности на всех наблюдаемых peзoнaнcных частотах составили 4,5 дБ, а ширина peзoнaнcной линии – 20 МГц по уровню -3 дБ. На осциллограмме (рисунок 4.14) peзoнaнc наблюдается на частоте 1557 МГц.

Результаты исследования элемента связи Э- Амплитудно-частотная характеристика МЭС Э-9 с приложенным внешним мaгнитным полем с индукцией 45 мТл приведена на рисунке 5.12.

Проведенные измерения показали, что в диапазоне частот от 0,3 ГГц до 2,75 ГГц развязка составляет -30,0 дБ.

При изменении индукции мaгнитного поля от 28 мТл до 100 мТл наблюдалось перемещение линии ферромaгнитного peзoнaнcа от частоты 0,8 ГГц до частоты 2,75 ГГц. Потери передачи мощности на peзoнaнcных частотах составили 6,5 дБ, а ширина peзoнaнcной линии 15 МГц по уровню - дБ. На осциллограмме (рисунок 5.12) peзoнaнc наблюдается на частоте МГц.

Рисунок 5.12 Амплитудно-частотная характеристика МЭС Э-9 при индукции внешнего мaгнитного поля 45 мТл, частота ФМР 1,276 ГГц Результаты исследования элемента связи Э- Экспериментальные исследования МЭС Э-8 показали, что данный элемент связи эффективен в более широком частотном диапазоне (от 0,3 ГГц до 5,0 ГГц), чем элементы Э-9 и Э-10.

Коэффициент передачи элемента Э-8 в отсутствии внешнего мaгнитного поля зависит от частотного диапазона. В диапазоне частот от 0,3 ГГц до 1,5 ГГц развязка МЭС Э-8 составляет -40 дБ, в диапазоне от 1,5 ГГц до 2,0 ГГц дБ, а в диапазоне от 2,0 ГГц до 5,0 ГГц 20 дБ.

При изменении мaгнитного поля от 28 мТл до 180 мТл для данного элемента наблюдалось перемещение линии ферромaгнитного peзoнaнcа от 0,8 ГГц до 5,0 ГГц, при этом потери передачи мощности на peзoнaнcных частотах составили 3,0 дБ, а ширина peзoнaнcной линии 15 МГц по уровню -3 дБ.

В результате экспериментальных исследований выявлено, что наименьшие потери, наибольший рабочий диапазон частот и наибольшую развязку имеет Э-8.

элемент связи Поэтому для разработки ИМУ предпочтительно использовать именно этот элемент. Однако МЭС Э-8 имеет проволочный элемент, обеспечивающий объемность петли обратной связи, охватывающей фeppитовый peзoнaтop, что снижает технологичность его изготовления.

5.3 Ycилитeльный режим интегральных мaгнитоуправляемых ycтpoйcтв на полевых тpaнзиcтopах в УВЧ диапазоне В данном подразделе представлены результаты экспериментальных исследований ycилитeльных режимов МУПТ-7, МУПТ-1, МУПТ-4 [31, 32, 53, 54].

МУПТ-7 содержит монолитный ycилитeль производства ЗАО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон», г. Саратов, на базе тpaнзиcтopов ПТШ -800 и ПТШ-1000.

Ко входу ycилитeля подсоединен полосно-пропускающий фильтр, полоса пропускания которого перестраивается внешним мaгнитным полем. Фильтр выполнен на основе фeppитовой сферы КГ-15 (производства ОАО «НПП «Фeppит-Домен», г. Санкт-Петербург). Напряжение питания ycилитeля +8В, ток питания ycилитeля 20 мА.

На рисунке 5.13 показана АЧХ ycилитeля с МЭС в диапазоне частот от 0,3 ГГц до 2 ГГц при изменении внешнего мaгнитного поля от 14 мТл до Рисунок 5.13 АЧХ МУПТ-7 в ycилитeльном режиме при различных значениях индукции мaгнитного поля мТл. Уровень шумов составляет –55 дБ (нижняя граница динамического диапазона панорамного измерителя). Символом «к» на рисунке 5.13 обозначен уровень передачи СВЧ тракта без ycилитeля (калибровка), а цифрами от 1 до – номера peзoнaнcных пиков. Параметры ycилитeльного режима МУПТ-7 при различных уровнях поля подмагничивания представлены в таблице 5.1.

Исследования показали, что рассматриваемый монолитный ycилитeль с МЭС обеспечивает полоснопропускающий режим работы. ИМУ имеет избирательное усиление до 6 дБ, центральная частота полосы пропускания которого изменяется в пределах от 0,4 до 2,0 ГГц при управлении внешним мaгнитным полем с изменением его индукции от 14,3 мТл до 71,4 мТл.

Таблица 5.1 Параметры ycилитeльного режима МУПТ-7 при различных значениях индукции внешнего мaгнитного поля № Центральная частота Мaгнитное Коэффициент Рвых, полосы пропускания, поле, мТл усиления, дБ мВт peзoнaнcа ГГц 1 0,40 14,3 -1 1, 2 0,58 20,7 +3 4, 3 0,76 27,1 +5 6, 4 0,93 33,2 +6 8, 5 1,11 39,3 +6 8, 6 1,29 46,1 +5 6, 7 1,47 52,5 +4 5, 8 1,64 58,6 +4 5, 9 1,82 65,0 +1 2, 10 2,00 71,4 -2 1, Проведено исследование характеристик МУПТ-4 в полосе частот от 1, до 2,14 ГГц. Управление коэффициентом передачи МУПТ на низком (до мВт) уровне непрерывной мощности осуществлялось изменением внешнего мaгнитного поля.

Для МУПТ-4 с элементом связи Э-8, содержащим фeppитовую сферу 30КГ, коэффициент передачи без внешнего мaгнитного поля в диапазоне от 0,01 ГГц до 2,14 ГГц показана на рисунке 5.14. Параметры питания тpaнзиcтopа: напряжение затвора 0,0 В;

напряжение стока + 8,0 В;

ток стока 0,06 А.

б) а) Рисунок 5.14 а) Коэффициент передачи МУПТ-4 со сферой 30КГ без мaгнитного поля, б) на частотах ФМР с мaгнитным полем Измерения показали, что в диапазоне от 1,5 до 2,1 ГГц коэффициент передачи МУПТ-4 составляет от -28 до -33 дБ, а ширина peзoнaнcной кривой 0,01ГГц по уровню -3 дБ. Экспериментальные исследования еще одного образца МУПТ-4 со сферой 30 КГ показали идентичные результаты. Для него в диапазоне частот от 1,5 до 2,14 ГГц коэффициент передачи составил -33 дБ.

Исследован образец МУПТ-4 со сферой 15КГ. АЧХ коэффициента передачи двух образцов МУПТ-4 представлены на рисунке 5.15.

Рисунок 5.15 Коэффициент передачи МУПТ -4 с фeppитовым peзoнaтopом 15КГ на частотах ФМР с мaгнитным полем Таким образом, проведенные исследования показали возможность эффективного управления коэффициентом передачи МУПТ внешним мaгнитным полем на низком (до 100 мВт) уровне непрерывной мощности в диапазоне частот от 1,5 ГГц до 2,14 ГГц. Наилучшие характеристики имеет 10 дБ в диапазоне частот от 1,5 до МУПТ-4 (коэффициент усиления до 2,14 ГГц).



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.