CC BY
11
УДК 621.372
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ВЕНТИЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ ОТ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СВЧ ВЕНТИЛЯ-АТТЕНЮАТОРА, РЕАЛИЗОВАННОГО НА ЩЕЛЕВОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
Д.В.Снисаренко, А.С.Татаренко
THE STUDY OF THE ISOLATION RATIO DEPENDENCE ON THE PARAMETERS OF THE ME ISOLATOR-ATTENUATOR FORMED ON A SLOT LINE
D.V.Snisarenko, A.S.Tatarenko
Институт электронных и информационных систем НовГУ, Alexandr.Tatarenko@novsu.ru
Рассмотрен электрически управляемый магнитоэлектрический (МЭ) СВЧ вентиль-аттенюатор на основе слоистой феррит-пьезоэлектрической структуры, реализованный на щелевой линии передачи. Представлены результаты исследования методом компьютерного моделирования зависимости величины вентильного отношения от следующих параметров МЭ вентиля-аттенюатора: длины, толщины, ширины ферритовой пластины МЭ резонатора и уширения щели линии передачи.
Ключевые слова: магнитоэлектрический СВЧ вентиль-аттенюатор, щелевая линия передачи, феррит-пьезоэлектрический резонатор; вентильное отношение
An electrically controlled magnetoelectric (ME) microwave isolator-attenuator based on layered ferrite-piezoelectric structure formed on a slot line is considered. This paper also presents the results of a computer simulation study of the isolation ratio dependence on the following parameters of the ME isolator-attenuator: length, thickness, width of the ferrite plate of the ME resonator, and transmission line broadening.
Keywords: magnetoelectric microwave isolator-attenuator, slot line, ferrite-piezoelectric resonator, isolation ratio
Введение
Антенно-фидерные устройства, генераторная, приемная, измерительная СВЧ аппаратура содержат в своем составе ферритовые развязывающие приборы, без которых невозможно создание многокаскадных усилительных схем-цепочек, а также усилителей, выполненных на активных двухполюсных элементах. Развязывающие приборы значительно упрощают создание фазированных антенных решеток и особенно активных фазированных антенных решеток [1].
Являющиеся незаменимыми приборами для телевидения, радиолокации, радиовещания и связи ферритовые СВЧ устройства, такие, как вентили, аттенюаторы и циркуляторы, - это устройства, позволяющие защитить вход передатчика от электромагнитного излучения, воздействующего в полосе рабочих частот.
Использование МЭ композитов в таких устройствах позволяет осуществить электрическое управление их параметрами.
Отличие МЭ СВЧ вентиля-аттенюатора, реализованного на щелевой линии передачи, от ферритово-го прототипа заключается в замене ферритового резонатора и магнитной управляющей системы на феррит-пьезоэлектрический резонатор и систему электродов, подключенных к источнику управляющего электрического напряжения.
МЭ СВЧ вентиль-аттенюатор, реализованный на щелевой линии передачи, имеет следующие преимущества перед прототипом: более высокое быстро-
действие; меньшую мощность, потребляемую в цепи управления; отсутствие наводок, возникающих при управлении магнитным полем; осуществление развязки цепей управления одновременно электрическим и магнитным полями; более простую конструкцию и технологию изготовления [2].
Основой конструкции МЭ СВЧ вентиля-аттенюатора, реализованного на щелевой линии передачи, является щелевая линия передачи на диэлектрической подложке и МЭ резонатор, помещенный в центр щели. На обратной стороне подложки металлизация отсутствует, подмагничивающее поле (И0) направлено по касательной (рис. 1).
3
Рис.1. Конструкция МЭ СВЧ вентиля-аттенюатора, реализованного на щелевой линии передачи. 1 — диэлектрическая подложка; 2 — феррит-пьезоэлектрический резонатор; 3 — металлические проводники, образующие щелевую линию передачи
Принцип действия исследуемого вентиля-аттенюатора основан на микроволновом МЭ эффекте, заключающемся в сдвиге линии ФМР при приложении электрического поля. Феррит-пьезоэлектрический резонатор (рис.2) представляет собой образец композита цирконат-титанат свинца (ЦТС) - железо иттриевый гранат (ЖИГ) в форме пластины. Необходимое под-магничивающее поле в объеме резонатора создает постоянный магнит (на рис.1 не показан), к управляющим электродам подводится управляющее напряжение.
Рис.2. Феррит-пьезоэлектрический резонатор. 1 — пьезоэлектрическая пластина; 2 — ферритовая пластина; 3 — металлические электроды
Сдвиг линии ФМР при приложении электрического поля определяется как:
ЪHE = H „(¿2) - H „(£),
(1)
Н о(Е) = Но +ЪНЕ, (2)
где Н0 — резонансное магнитное поле при Е = 0; Е — прикладываемое постоянное электрическое поле [2].
Для достижения максимального МЭ эффекта и вентильного отношения предлагаемого устройства необходимо оптимизировать структуру — подобрать определенные параметры линии передачи и МЭ резонатора.
Для возможности построения МЭ СВЧ вентиля-аттенюатора на щелевой линии передачи необходимо, чтобы толщина слоя ЖИГ была в пределах (0,1...0,5) мм, поскольку для достижения максимального МЭ коэффициента в структуре ЖИГ - ЦТС требуется соблюдать определенное соотношение толщин данных слоев структуры, а чем толще слой ЦТС, тем большее управляющее напряжение требуется прикладывать к электродам.
Вентильное отношение возрастает с увеличением диэлектрической проницаемости подложки, поскольку улучшается эллиптичность линии передачи. Однако чем больше будет величина диэлектрической проницаемости подложки (и, следовательно, ширина щели для входа с волновым сопротивлением 50 Ом), тем большее влияние на передаточные характеристики будет оказывать дисперсия.
Форма ферритовой пластины также оказывает существенное влияние на величину вентильного отношения.
Результаты исследования зависимости вентильного отношения от параметров МЭ СВЧ вентиля-аттенюатора, реализованного на щелевой линии передачи
Ниже представлены результаты исследования в виде графиков зависимости величины вентильного отношения вентиля-аттенюатора от следующих параметров структуры: длины, толщины, ширины ферри-товой пластины МЭ резонатора и уширения щели щелевой линии передачи.
При увеличении длины ферритовой пластины МЭ резонатора наблюдается возрастание величины прямых, обратных потерь, а также вентильного отношения.
Рис.3. Обозначение размеров конструкции МЭ СВЧ вентиля-аттенюатора, реализованного на щелевой линии передачи: W — уширение щели линии передачи, I — длина ферритовой пластины, Ь — ширина ферритовой пластины, d — толщина ферритовой пластины, w — ширина щели линии передачи
Рис.4. Зависимость величины прямых потерь, обратных потерь (5, дБ) и вентильного отношения (В) от длины ферритовой пластины МЭ резонатора (I, мм). Параметры структуры: Ь = 1 мм, d = 0,1 мм; w = 0,2 мм, W = 1,2 мм; относительная диэлектрическая проницаемость подложки (е): 10, толщина подложки ^): 2 мм; Н0 = 4524 Э
> Прямые потерн ■ Обратные потерн а Венишьное отношение 36 т
2 4 б 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 /, мм
Рис.5. Зависимость величины прямых потерь, обратных потерь (5, дБ) и вентильного отношения (В) от длины ферритовой пластины МЭ резонатора (I, мм). Параметры структуры: Ь = 0,3 мм, d = 0,1 мм; W = w = 0,62 мм; е = 30, h = 2 мм; Н0 = 2513 Э
Для структуры с уширением щели линии передачи (рис.4), величина вентильного отношения начинает убывать из-за более резкого возрастания величины прямых потерь (по сравнению с предыдущим отрезком кривой). Предположительно, это происходит, когда длина ферритовой пластины резонатора становится больше отрезка с уширением щели линии передачи (ферритовая пластина перекрывает металлические проводники линии передачи).
• Прямые потерн ■ Обратные потерн а Вентильное отношение
г 12
- 10
- 6 Ю
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 <7, мм
Рис.6. Зависимость величины прямых потерь, обратных потерь (S, дБ) и вентильного отношения (В) от толщины ферритовой пластины (d, мм). Параметры структуры: b = 1 мм, l = 10 мм; w = 0,2 мм, W = 1,2 мм; £ = 10, h = 2 мм; Но = 4524 Э
Для структуры без уширения щели линии передачи (рис.5) величина вентильного отношения при увеличении длины ферритовой пластины возрастает незначительно, а зависимости прямых и обратных потерь являются практически линейными.
• Прямые потерн ■ Обратные потерн а Венишьное отношение
Рис.7. Зависимость величины прямых потерь, обратных потерь (5, дБ) и вентильного отношения (В) от толщины ферритовой пластины (^ мм). Параметры структуры: Ь = 1 мм, I = 10 мм; w = 0,2 мм, W = 1,2 мм; е = 10, h = 2 мм; Н0 = 3519 Э
При увеличении толщины ферритовой пластины МЭ резонатора наблюдается возрастание прямых, обратных потерь, а также величины вентильного отношения. Зависимость прямых и обратных потерь от толщины ферритовой пластины является практически линейной.
• Прямые потери ■ Обратные потери а Венишьное отношение
6
3 cq
1.2 ГГ. мм
Рис.8. Зависимость величины прямых потерь, обратных потерь (5, дБ) и вентильного отношения (В) от уширения щели линии передачи мм). Параметры структуры: I = 10 мм, Ь = 1 мм, d = 0,1 мм; w = 0,2 мм; е = 10, h = 2 мм; Н0 = 3519 Э
• Прямые потери ■ Обратные потери а Вентильное отношен
Рис.9. Зависимость величины прямых потерь, обратных потерь (5, дБ) и вентильного отношения (В) от уширения щели линии передачи (М, мм). Параметры структуры: I = 10 мм, Ь = 1 мм, d = 0,1 мм; w = 0,2 мм; £ = 10, h = 2 мм; Н0 = 4524 Э
При увеличении уширения щели линии передачи наблюдается обратная зависимость роста прямых и обратных потерь. На начальном отрезке кривой величина вентильного отношения возрастает с увеличением уширения щели, а затем начинает убывать. Резкий скачок вентильного отношения наблюдается на участке кривой, где уширение щели становится больше ширины ферритовой пластины (ширина ферритовой пластины не выходит за пределы уширения щели).
Рис.10. Зависимость величины прямых потерь, обратных потерь (5, дБ) и вентильного отношения (В) от ширины ферритовой пластины МЭ резонатора (Ь, мм). Параметры структуры: I = 10 мм; d = 0,1 мм; w = 0,2 мм, М = 1,2 мм; £ = 10, h = 2 мм; Н0 = 3519 Э
- 3 сч
Рис.11. Зависимость величины прямых потерь, обратных потерь (5, дБ) и вентильного отношения (В) от ширины ферритовой пластины МЭ резонатора (Ь, мм). Параметры структуры: I = 10 мм; d = 0,1 мм; w = 0,2 мм, М = 1,2 мм; £ = 10, h = 2 мм; Н = 4021 Э
При увеличении ширины ферритовой пластины МЭ резонатора наблюдается возрастание прямых и обратных потерь. Величина вентильного отношения с увеличением ширины ферритовой пластины возрастает, а когда ферритовая пластина начинает перекрывать металлические проводники линии передачи (т. е. ширина пластины становится больше ширины щели) — наблюдается резкий спад.
Заключение
Представлены результаты исследования, выполненного с целью подбора оптимальных параметров линии передачи и формы феррита, зависимости величины вентильного отношения от параметров структуры МЭ вентиля-аттенюатора, реализованного на щелевой линии передачи. Результаты представлены в виде графиков зависимости величины вентильного отношения от размеров ферритовой пластины МЭ резонатора и уширения щели щелевой линии передачи, сделаны выводы о влиянии параметров структуры предлагаемого устройства на величину вентильного отношения.
Вамберский М.В., Абрамов В.П., Казанцев В.И. Конструирование ферритовых развязывающих приборов СВЧ / Под ред. М.В.Вамберского. М.: Радио и связь, 1982. 136 с. Бичурин М.И., Петров В.М., Филиппов Д.А. и др. Магнитоэлектрические материалы. М.: Академия Естествознания, 2006. 296 с.
References
Vamberskii M.V., Abramov V.P., Kazantsev V.I. Kon-struirovanie ferritovykh razviazyvaiushchikh priborov SVCh [Engineering of decoupling ferrite microwave devices]. Moscow, "Radio i sviaz'" Publ., 1982. 136 p. Bichurin M.I., Petrov V.M., Filippov D.A., Srinivasan G., Nan S.V. Magnitoelektricheskie materialy [Magnetoelectric materials]. Moscow, "Akademiia Estestvoznaniia" Publ., 2006. 296 p.
2.
2
