CC BY
28
5. Vountesmeri V. Audio frequency magnetore si stive watt-converter // IEEE. Trans. Instrum. and Meas. - 2002. - № 51. - P. 63-66.
6. Vountesmeri V., Martynyuk A. Magnetoresistive thin film sensor for active RF power
// Sensors and Actuators: A Physical. - 1998. - № 69. - P. 21-26.
Вытяганец А.И.
Средства измерения активной мощности на низких и средних частотах "IN SITU"
Приведены основные способы измерения активной мощности на низких и средних частотах "in situ" и определена перспективность использования для этих целей магниторезистивных преобразователей электромагнитного поля на основе ферромагнитных пленок._
Vytyaganets A.I.
Means of measurement of active capacity on low and average frequencies "IN SITU"
The basic ways of measurement of active capacity on low and average frequencies "in situ" are given and perspectives of use for these purposes of magnetoresistive converters of an electromagnetic field on basis ferromagnetic tapes is determined. The list of tasks of further research these tapes are determined._
УДК 621.396
ДОСЛ1ДЖЕННЯ СТРУКТУРИ ПОЛЯ В ЕЛЕКТРОДИНАМ1ЧН1Й СИСТЕМ1 МЕТОДОМ МАГН1ТНОГО ЗОНДУ.
Бульба О.П., Остов А.М., Вунтесмер1 Вол.С.
Розглянуто метод магнтного зонду на ocHoei феромагнтного резонансу для дослi-дження структури електромагнтного поля в eлeкmpoдинамiчнiй cucmeMi. Обхрунту-вання методу проведено на пpuкладi електромагттног xerni Ию в прямокутному хви-лeвoдi. Проведено експериментальне до^дження структури електромагнтного поля системи дieлeкmpuчнuй хвилевод на металевт ocнoвi.
Вступ
Дослщження структури поля в складнш електродинамiчнiй системi (ЕС) проводиться рiзними методами. В порожнистих резонаторах застосо-вують в основному метод малих збурень [1]. Недолжом методу при засто-суванш його для хвилеводiв е те, що збурюючi тша повинш мати досить велик розмiри, що зменшуе точшсть 1х позицдавання. В закритих хвиле-водних системах i резонаторах структуру електромагштного поля (ЕМП) дослщжують також методом активного зонду [2], наприклад, електричним (емшсний штир) або магштним (екранована шдуктивна петля) зондами через отвори в стшках хвилеводу або резонатора. Розмiри зондiв, а також розмiри додатково прорiзаних отворiв i щiлин мають бути такими, щоб структура поля, що вимiрюеться, мало спотворювалась i додатковi втрати i реактивностi, що вносяться у пристрш, були досить малими. Таким методом можна проводити вимiрювання тшьки безпосередньо на стiнках хвилеводу або резонатора. Вимiрювання розподшу поля в об'емi ЕС i в вiдкритих системах супроводжуеться великими похибками за рахунок впливу провщниюв зондiв. Дещо зменшити вплив провщниюв можна зро-бивши 1х високоомними. Для дослщження розподiлу статичних та квазютатичних електричних полiв використовуеться метод елек-тролiтичноl ванни [3], яким можна дослщжувати структуру поля тшьки хвилi Г-типу. Амплiтуда хвиль, що поширюються в будь-якому напрямку,
а також сам напрямок можуть бути визначеш при використанш направле-них зондiв [5]. Гальваномагнiтним зондом [7] можна вимiрювати розподiл вектора Пойнтинга в перерiзi як одномодового так i багатомодового хвиле-воду [8], але тiльки на його поверхнi.
Постановка задачi
Наведенi недолiки стимулювали пошук iнших методiв вимiрювання розподiлу ЕМП в складних ЕС при мшмальному впливi зонду на отриманi результати, наприклад, в хвилеводах з багатомодовим режимом поширен-ня хвиль та в хвилеводах з неоднорщним дiелектричним заповненням.
Ми вибрали магнiтний зонд у виглядi феритово! кульки малого дiаметру намагшчено! до насичення зовтшшм магнiтним полем в режимi феро-магнiтного резонансу. Такий феритовий резонатор (ФР) iз монокристалу зашзо-гт^евого гранату (З1Г) мае високу добротнiсть i при малому дiаметрi вносить значне збурення ЕМП, яке можна легко зафжсувати. Маш розмiри ФР забезпечують точне визначення його положення в ЕС i малий вплив на структуру вимiрюваного ЕМП (в тому чи^ завдяки вiдсутностi провiдникiв). Взаемодiя ФР з ЕМП ЕС вщбуваеться через магнiтну складо-ву кругово! поляризацп правого обертання вiдносно напрямку зовшшнього магнiтного поля.
Теоретичне обгрунтування методу
Потужнiсть, що поглинаеться у ФР пропорцшна квадрату амплiтуди
ш
магнiтного поля з круговою поляризацiею [4] Рф = ^^(Я*х#)у .
де х - тен-
зор магттно! сприйнятливостi; V - об'ем ФР. Отже, за допомогою ФР при рiзних напрямках сталого магнiтного поля можна зняти розподш квадрату магттно! складово! ЕМП кругово! поляризацп правого та лiвого обертання вщносно напрямку координатних осей. При цьому слщ встановити зв'язок мiж магнiтною складовою ЕМП кругово! поляризаще! i iншими складови-ми поля в вибранш системi координат. В загальному випадку магнiтна складова поля в будь-якш площинi буде мати елштичну поляризацiю. Це поле може бути утворене двома взаемно перпендикулярними лшшно по-ляризованими полями з довшьними амплiтудами i фазами. Велика вюь ел 1 пса поляризацп нахилена вщносно координатних осей на деякий кут, що залежить також вщ р1знищ фаз лшшно поляризованих шшв. У хвилеводах р1зниця фаз м1ж поздовжшми { поперечними вщносно в1Ы хвилеводу складовими поля дор1внюе 90°. При цьому оЫ ел 1 пса поляризацп розташо-
ванi вздовж координатних осей. Поздовжш Рис.1
i поперечш складов1 магштного поля можна знайти як суму i р1зницю право- i л1во-поляризованих магн1тних складових поля. Перев1рити це тверд-ження можна на хвилевод1 з в1домим розпод1лом пол1в. Розглянемо сп1вв1дношення м1ж складовими електромагн1тного поля у прямокутному хвилевод1 розм1рами 23х10 мм з хвилею Н10, д1аметр ФР 0,8 мм (рис.1). Складов1 поля в хвилевод1 запишемо як:
Hz = -jH cos
тс —
a j
о- jpz
2a r Hx = ——H sin
x X„
хл тс —
a j
jpz
E = -—ZH sin 7 X
хл тс —
a j
jpz
(1)
Сума поперечно! 1 поздовжньо! складових магштного поля мае ел1птич-ну поляризац1ю в площин1 xz. Вектор магштного поля при z=0:
H = ex — H sin i тс XI - ezjH cos | тс Х | = e+H+ + e- H_ . Визначимо орти поля з кру-
\хв V a j V a j
говою поляризац1ею через орти поля з л1н1йною поляризац1ею 1 навпаки:
e+= rx - Я r-= rx + Я rx = 0,5(Г+ + ) rz = j0,5(r+-). Розклавши ел1птично поляризоване магн1тне поле на два поля з круго-вими поляризац1ями правого та л1вого обертання, встановимо !х зв'язок з л1н1йно поляризованими полями хвилеводу
H = 0,5(e+ + e ) — H sin |тс x | - j0,5(e+- e ) jH cos (тс x | =
X хв I a j I a j
= e, 0,5H
2a . ( x -sin I тс —
X хв v a
+ cos I тс
a
+ e 0,5H
2a . ( x -sin I тс—
X хв v a
- cos тс
a
= e, H, + e H
зв1дки H + = 0,5H
2a . ( x i ( x -sinI тс— 1 + cosI тс —
X хв v a j V a,
H = 0,5H
2a . ( x i ( x -sinI тс— I -cosI тс —
X хв v a j V a j
На середн1й частот1 робочого д1апазону хвилеводу при XXE=2a
H 2 = 0,25H 2
sin I тс
cosI тс
= 0,25 H
1 + 2 sin I тс — I cos I ^ ^
= 0, 25H
1 + sin I 2тс —
a
H2 = 0, 25H 2
x i ( x sin I тс — I - cos I тс —
a j V a
= 0,25 H
1 - 2 sin I тс x I cos I тс x
= 0,25 H
1 - sin I 2тс —
a
Експериментальш дослiдження
Наведемо послiдовнiсть дослщження структури поля ЕС, яка була вщ-працьована на прикладi хвиш Н10 в прямокутному хвилеводi:
1. Вимiрюемо розподiл квадрата магнiтного поля право! та лiвоi круго-
2 2
вих поляризацш Н+ i Н. (Рис. 2) [4];
2. Вилучаемо корiнь квадратний iз вимiряного розподiлу з врахуванням знаку Н+ i Н. (рис. 3);
X
•и.'
/
................
/
/
0 2 4 6
10 12 14 16 18 20 22
0.8 0.6 0.1 0.2 О -0.2 ■0.4 -0.6
V
О 5 6 К Щ 12 ¡ 4 20 22
X
Рис. 2
Рис. 3
3. Сума право- i лiвополяризованих полiв дае поперечну складову маг-нiтного поля Нх= Н+ + Н., а !х рiзниця поздовжню складову магштного поля Н2= Н+ И. (Рис. 4).
1,5 1
0.5 0
-0.5 -1 ■1,5
-Н.+Н
\
•Нтт-тт-тпггтттт-гтт-гтт-гт-г?*
2 4
8 ЛЬ 12 14 16 18 20 22
-я.-я
(Похiдна вiд 41) ~ Еу
0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Рис. 4 Рис. 5
4. Електричну складову поля знаходимо як похщну вщ поздовжньо! складово! магштного поля (див. рис. 5).
Як видно iз наведених графтв розподш електричних i магнiтних скла-дових поля в прямокутному хвилеводi вiдповiдае теоретичному (1).
На основi розробленого методу було проведено дослщження структури ЕМП в дiелектричному хвилеводi (рис. 6). Експеримент проводився на лабораторному макет!, блок-схема якого представлена на рис. 7.
Ж,
у. Ш \П 1
1 1
■П-
Рис. 6 Рис.7
Сигнал з генератора Г, що працюе на частотi 6,8ГГц, подаеться через коакЫально-хвилевщний перехiд на дiелектричний хвилевщ. Вихiдний сигнал через хвилевiдно-коаксiальний перехщ послiдовно поступае на де-текторну камеру, тдсилювач i осцилограф. Розгортка осцилографа син-хронiзована з частотою 50 Гц. В дiелектричному хвилеводi за допомогою постiйних магнiтiв створюеться магнiтне поле величиною 192 кА/м. На один з полюсiв магнгту намотана котушка, за допомогою яко! И магнiтне
поле модулюеться з частотою 50 Гц (ампл^уда модуляцп мала). Частина дiелектрика разом з запресованим ФР перемщалась поперек дiелектричного хвилеводу. На екранi осцилографа спостер^аемо резо-нансну криву, ширина яко! складае 40 А/м, а ампл^уда прямопропорцiйна квадрату амплiтуди магштно! складово! поля кругово! поляризацп правого обертання. Точшсть перемiщення ФР в дiелектричному хвилеводi забезпе-чуеться мжрометричним гвинтом .
На рис. 8 показано отриманий експериментально розподiл квадрату ма-гштного поля з правою {л1вою круговими поляризащями Н21Н2.
Ы,Ы>Ы1Ы|М,Ы,1|Ы11гЫН,1>Ы|Ы|1,Ы|Ы;М11,ЫНг1|Ы|Ы|1,ЫгЫНН
-4 -2
10 12 14 16 18
1,2 1
0,8 0,5 0,4 02 0
И _-■
И
X-
-4 -2 0 2 4 6
10 12 14 16 18
Рис. 10
Рис. 8 Рис. 9
На рис. 9 вщображено результати вимiрювання Н+ i Н. пiсля обробки зпд-но приведеного вище алгоритму, а на рис. 10 - результат розрахунку поперечно! i по-вздовжньо! складових магшт-ного поля в площиш хг: Нх=Н++Н, Н2=Н+-Н Деяка асиметрiя розподiлу поля по-яснюеться не iдеально узго-дженим навантаженням дiалект-ричного хвилеводу.
Висновки
Метод магнiтного зонду на основi феромагнiтного резонансу може бути використаний для дослщження структури полiв в тих випадках, коли iншi методи виявляються неефективними, супроводжуються значними похиб-ками, що можуть значно вплинути на результат, або ж е складними в тех-нiчнiй реалiзацii^ Найчастiше ускладнення виникають при дослiдженнi структури полiв в дiелектричних резонаторах, дiелектричних хвилеводах, в мiкрострiчкових [6] та копланарних лшях, в хвилеводах з неоднорiдним дiелектричним заповненням та в багатомодових хвилеводах. Саме в цих випадках метод може бути застосований з найбшьшою ефектившсттю. Ви-ключенням е феритовi прилади НВЧ дiапазону, наприклад, венташ, цирку-лятори, якi мають власне магштне поле.
Л1тература
1. Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика.-М.: Связь, 1971. 420 с.
2. Конструирование СВЧ-устройств и экранов/Под ред. А.М. Чернушенко. - М.: Ра-
дио и связь, 1983. 400 с.
3. Чернушенко А.М., Майбородин А.В. Измерение параметров электронных прибо-
ров дециметрового и сантиметрового диапазонов волн/ Под ред. А.М. Чернушенко. - М.: Радио и связь, 1986. - 336 с.
4. Бокринська О.Я., Вунтесмерi В.С., Кисляковський А.В. Феромагштний резонанс
у техшщ сантиметрових хвиль., «Техника», Кшв, 1966, 107 с.
5. Тишер Ф. Техника измерений на сверхвысоких частотах: Пер. с нем./Под ред. В.Н. Сретенского. - М.: Гос. изд-во физико-математ. лит-ры, 1963. - 364 с.
6. L. Rothe, Experimentello Ermittlung der magnetischen Feldverteilung auf ainer Microstrip-Leitung mittels Storkorpermessungen, Vortage der 2. Internationalen Konferenz uber Mikrowellenferrite, v.23, bis 27. September 1974 in Suhl/DDR, p. 350-376.
7. Вунтесмери В.С. Детектирование на основе гальваномагнитных явлений в фер-
ромагнитных пленках//Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1976.- Т29, Вып.2. С.39-45. 8.. Вунтесмери В. С., Ивкин П. В. Минимизация количества гальваномагнитных датчиков при измерении проходящей мощности в многомодовом волноводе. // Изв.
вузов. Радиоэлектроника. - 2002. - Т. 4 1-5, №8. - C. 32-35.
Бульба О.П., Осипов А.М., Вунтесмери В.С. Исследование структуры поля в электродинамической системе методом магнитного зонда Рассмотрен метод магнитного зонда на основе ферромагнитного резонанса для исследования структуры электромагнитного поля в электродинамической системе. Обоснование метода проведено на примере электромагнитной волны Hi0 в прямоугольном волноводе. Проведено экспериментальное исследование структуры электромагнитного поля системы диэлектрический волновод на металлической основе. Bulba O.P., Osipov A.M., Vuntesmeri Vol.S. Investigation of a structure field at electrodynamics system with method of magnet probe The method of a magnetic probe on the basis of a ferromagnetic resonance for research of structure of an electromagnetic field in electrodynamics system is considered. The substantiation of a method is lead on an example of electromagnetic wave Hio in a rectangular wave-guide. The experimental research of structure of an electromagnetic field of system a dielectric wave-guide on a metal basis is lead.
