CC BY
37
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.
УДК 621.376.4
ХВИЛЕВ1ДНИЙ ФАЗОВИЙ ДЕТЕКТОР, ПОБУДОВАНИЙ НА ТОНКОПЛ1ВКОВОМУ МАГН1ТОРЕЗИСТИВНОМУ ПЕРЕТВОРЮВАЧ1
Юрченко О.Д., Вунтесмерi Вал.С.
У робот1 розглядаеться фазовий детектор призначений для роботи з сигналами НВЧ д1апазону, який в1др1зняеться в1д Iснуючих тим, що в1н виконаний не нап1впров1д-никових елементах (дюдах) а на тонких магнторезистивних пл1вках. Наводяться переваги застосування таких детектор1в у хвилеводнт технщ.
Вступ
У деяких галузях застосування, наприклад при робот iз сигналами НВЧ дiапазону, використання натвпровщниюв не завжди е доречним. 1снують i альтернативш, бшьш досконалi прилади, побудоваш на ефектах шшо! при-роди. Один з таких приладiв - гальваномагштний фазовий детектор -розглядаеться у данш робот^ наводяться його переваги i недолжи у порiвняннi iз традицшною нашвпровщниковою електрошкою.
Огляд кнуючих тишв фазових детекторiв
Фазовий детектор (ФД) призначений для здобуття вихщно! напруги, пропорцшнш рiзницi фаз сигналу Цвх1 = ит1еоБ (а>^ + ф1) та опорного коли-
вання Uex2 = Um2cos (c2t + ф2 ). Bïh застосовуеться у фазометричних при-
строях, системах фазового автоматичного шдстроювання частоти, при де-тектуванш фазомодульованих та фазоманiпульованих (ФМ) сигнув, встановлюють у корелометрах. ФД - це шестиполюсник (рис. 1а, рис. 2), що мае два входи та один вихщ, причому
Uвих = K0UmiUm 2 cos ф (1)
де ф = (со1 -<ю2 )t + (ф1 -ф2 ). Залежно вiд спiввiдношення частот Ю1 i Ш2 розрiзняють два режими: ю1 = ю2, ф = ф1 -ф2 (фазометрiя) та Ю1 ф1 = ф2 ф = (с - ®2 )t (системи автопiдстроювання) [2, 3].
Вх.1
а—
ФД (НЕ)
Вих.
-о
вх.г
Рис.1.
а - узагальнена структурна схема фазового детектора; б - структурна схема векторомiр-ного фазового детектора (ПВМ - перетворю-вач виду модуляцп; АМ - ампл^удна моду-лящя); в - залежнiсть вихщ^' напруги вщ рiзницi фаз ф.
3 (1) випливае, що ФД, як \ пере-творювач частоти, е перемножувачем. Р1зниця м1ж ними в тому, що у пере-творювач1 частоти видшення ви-хщного сигналу здшснюеться смуговим фшьтром, а у ФД - фь льтром нижшх частот (ФНЧ). Тому, для ФД можна використову-вати вс види перетворювач1в частоти, за умови замши у вихщному кол1 смугового фшьтра на ФНЧ. За типом перемножувач1в розр1з-няють вектором1рш, ключов1 ФД, та ФД на аналогових перемножу-вачах. З виразу (1) випливае, що вихщна напруга ФД залежить як вщ зсуву фаз ф, так 1 вщ ампштуд
вхiдних сигналiв
Рис. 2. Схема найпростшого ФД ит1 та ит2, тобто детектор е амплггудно-фазовим. Для переходу до ФД потр1бно, як 1 в частотному детектор^ застосувати зовш-шнш або внутршнш обмежувач ампл1туд (ОА). Структурну схему векто-
ромiрного ФД з зовтштм обмежувачем амплiтуд показано на рис. 1б.
ФД з аналоговим перемножувачем - це ФД, що ре^зуе (1) за допо-могою перемножувача (див. рис. 3,а).
о -
оа1
и,
",«2
ОА2
J и.
X . . ФНЧ
и,
&н>
■о
Рис. 3. ФД з аналоговим перемножувачем
ФД векторомiрний - ФД, у якого фаза зсуву вхщних сигнув ивх1 та ивх2 перетворюеться на амплiтудну модулящю високочастотних напруг (векторiв) и[ та и[1, що надходять до амплггудного детектора (рис. 3 б,в). За типом перетворювача виду модуляци розрiзняють однотактний, баланс-ний i кшьцевий ФД, побудованi аналогiчно вiдповiдним схемам перетво-рювачiв частоти. Схему найпоширешшого балансного ФД показано на рис. 3 б, в. Кшьцевий ФД може розглядатися, як з'еднання двох балансних, як працюють на одне навантаження.
ФД ключовий -ФД, вхщш сигнали якого комутують тд-силювачi постiйного струму, що працюють в ключовому режимц частота та фаза кому-таци кожного тдси-лювача постшного
струму збiгаються з час- Рис. 4. Ключов1 фазов1 детектори
тотами i фазами ивх1 та Ц"вх2 вiдповiдно. Формування iмпульсiв постшно-го струму здшснюеться так, що шсля 1х iнтегрування вихiдна напруга ФД виявляеться пропорцiйною фазi зсуву ф (див. рис. 4). Цi схеми мають такi недолiки: у нашвпровщникових елементах пiд час роботи виникае термо-ЕРС. Оскiльки характеристики елеменлв не е iдентичними, то i похибки, якi вносяться кожним з них неоднаковi. Тобто при перемно-женнi сигналiв цi термо-ЕРС не вщшмаються i присутнi у вихщному сиг-налi. Продетектований сигнал е квадратичним - у ньому присутш небажаш складовi, якi потрiбно видаляти.
Гальваномагнiтний перетворювач-детектор
На вiдмiну вщ електричних та магнiтних перетворювачiв, у гальваногь ромагштних перетворювачах у загаль-ному випадку е два незалежш вхiднi ланцюги - електричний та магштний, якi пов'язанi з електричною i магшт-ною складовими електромагштних си-гналiв [1,2]. Якщо галь-ваногiромагнiтний перетворювач (рис.5) з магшторезистивною сприй-нятливiстю Кр помiщений у магштне поле з напружешстю магштного поля, що складае И = ~кт ехр [] (ш ьг + уИ )) i при
цьому в плiвцi збуджуеться електричний струм, щшьшстю
J = 3т ехр[у (ю/ +1|/) ,тод1 в об'еъп
перетворювача крiм первiсного електро- Рис. 5.
магштного поля буде юнувати ще й перетворене поле через наявшсть па-
раметричного детектування у феромагшгнш плiвцi. Причому, низькоча-
стотна складова цього поля на частот^ рiвнiй рiзницi — , яка вiдповiдае середньому за перюд НВЧ коливання напруженостi електрично-го поля в плiвцi, дорiвнюе
М л гн ¡то рези стм в н я ст|»1чка
г<Е>=
Еп ектричнии вх!д
2*е(
к И 1 *
¡р1 I р ,
(2)
Крiм того, у пивщ iснуе й високочастотна складова перетвореного поля на сумарнш частой + , напружешсть електричного поля яко! дорiв-
нюе Е1 = -^Яе (крр1к11 р ) . Оскiльки в середовишд перетворення вiдбуваеться
за рахунок лшшного параметричного процесу, то у спек^ електрично! складово! сумарного поля можна знехтувати комбшацшними складовими
бшьш високих порядюв.
Якщо плiвка збуджуеться монохроматичною хвилею ®h
® , (2) на-
бувае вигляду: E
1 G ' 2 к viGv cos
п
arctg £— + v 1р1 , де Gip- дiадик (тензор), 2 у
утворений парою векторiв h та J; - узагальнена розстройка феромагшт-ного поля вiдносно точки феромагштного резонансу. При цьому викону-еться додавання добуткiв по вЫх повторюваних iндексах, тобто по pl-складових. Ця постшна складова визначаеться величиною узагальненого розладу вiдносно точки феромагштного резонансу за рахунок змши модуля та фази сприйнятливост к^ i сумарним фазовим зсувом фр .
Розглянемо перетворення немонохроматичних сигналiв, що створюють-ся при рiзних видах модуляци несучо! НВЧ сигналу або незалежними дже-релами. Для того, щоб спростити запис виразiв при аналiзi, будемо вважа-ти скалярними величинами магнiторезистивну сприйнятливють i сигнали, що впливають. Нехай на гальваномагштний перетворювач iз частотною характеристикою магшторезистивно! сприйнятливостi
к(j®) = к (ю)exp (jVK((o)) впливають немонохроматичнi сигнали h(t) i
J ((), що представляють собою модульованi НВЧ сигнали, як в загальному видi можна записати як
h (t) = hm (t) C0S (® 0t + У h(t) + Vh0 ) J (t) = Jm (t)C0S (®0t + V J(t) + V J0 )
де ю0 - частота несучо!, Vh0 й VJ0 - початковi фази коливань h(() i J(t) складових; Vh(t) i VJо змiнюванi в час фази коливань. Поставимо у вщ-повiднiсть цим дiйсним сигналам комплексы сигнали
(3)
Z Z
h(t)
J(t)
h(t) + jh(t); J(t) + jJ(t),
(4)
де h((), J(()-функцй, сполученi по Гiлберту вiдповiдних функцш h(t), J(t). В показниковш формi вузькосмуговi сигнали (3) записуються як
Zh(t) = Ah(t) exP( j® 0t)Г
- A
• J(t) S±J(t)
Z I/t] - A I/t] exp( jю 01),
де Ah(t) = hm (t)eXP [ j (Vh( t) + V h>) женостi НВЧ поля; Aj {t) = Jm (t )exp [ j (vj (,) + Vj0 )
да огинаючо! шдльност НВЧ струму в плiвцi.
Оскшьки спектральна щiльнiсть аналiтичного сигналу мае таю власти-
-комплексна амплiтуда огинаючо! напру-
комплексна ампл^у-
вост^ що 2на и) =
0 при ю < 0, опору перетворювача можна подати як
2И('ю) при ю > 0;
то змiнну частину питомого
л да
2р(,) = --/к(аю)('ю)еа'шгаю .
2
е а® о г1
(7)
/ ^ю)2н (а'ю )е-<аю (5)
2 п Jо
Для подання 2р^ у показниковiй формi перейдемо до ново! змшно!
О = ю — ю0 i враховуючи те, що магнiторезистивна сприйнятливiсть мае резонансну залежнiсть i досить швидко зменшуеться при вщдаленш вiд резонансно! частоти, представимо !! у формi к ( 'ю ) = к [' (А ю + О )] де
Аю = ©0 — юр, ю р —частота феромагнiтного резонансу.
Для позитивних частот спектральна щiльнiсть дшсного вузькосму-гового сигналу пов'язана iз спектральною щiльнiстю комплексно! ампл^у-ди сшввщношенням
И( 7'ю) = 2 А [Ь(ю —ю0)], (6)
а 2н(аю) = Ан Ь(ю — ю0)].Тодо, з огляду на (5) i (6), одержимо
да
р() = — /к[[ (Аю + О)] ('О )е ''О ' а О
_ — ю 0
Оскшьки при О = —ю 0 (ю-0) компоненти тензора магшгорезистивно! сприйнятливостi практично дорiвнюють нулю, то в iнтегралi (7) нижню межу можна розширити до —да i в результатi одержимо
1 да
2р(Г) = Ар(0ехр^-/щ)0, де Ар(р = —/кЬ(Аю + О)] (['ю)е[ОаО — комплекс— да
на ампл^уда змшно! огинаючо! частини тензора питомого опору магштно! плiвки, який е штегралом Фур'е вiд добутку спектрально! щшьносл комплексно! огинаючо! НВЧ магштного поля на частотну характеристику маг-шторезистивно! сприйнятливостi при заданiй величиш розладу Аю. Або замшяючи 'О на р, одержимо вираз у формi зворотного перетворення Ла-
1 с+]да
пласа [3] Ар(г) = 0 .
/к(/Аю + р)Аь(р)ерар . Середне за перюд несучого
с—]да
НВЧ коливання значення огинаючо! перетвореного поля, аналопчно (2) визначаеться як
0 = ±Яе [2р ( 02у *( 0] (8)
Використовуючи вираз для комплексних ампл^уд огинаючих вщповщ-
них величин остаточно одержимо:
E0(t) = 2 Re к (t) A, *(t) ]
(9)
Таким чином, для визначення величини перетвореного поля для ампль тудномодульованих сигнув необхiдно визначити комплекснi ампл^уди огинаючих НВЧ струму i змшно! частини питомого опору плiвки, а по^м скористатися виразом (8) або (9).
Висновки
На вiдмiну вiд напiвпровiдникiв, магнiторезистивнi пристро! забезпе-чують значно нижчий рiвень теплових шумiв (термо-ЕРС), е бiльш чутли-вими (чутливють бiльша на 3-5 порядюв), у них ширший дiапазон робочих частот, вони працюють на частотах до десятюв ГГц. Окрiм того магшторе-зистивнi детектори забезпечують параметричне (а не квадратичне) детек-тування сигналу.
Лггература
1. Гуревич А.Г. Магштнш резонанс в феритах и антиферомагнетиках. М. Наука, 1973. 573 с
2. Свалов А.В. Особенности магнитных свойств аморфных и многослойных ферромагнитных плёнок вблизи состояния магнитной компенсации. Екатеринбург, 2002.
3. Магнитные и магнитооптические свойства многослойных наноструктур ферромагнетик-полупроводник. Физика твёрдого тела, 2004. том 46, вып. 5.
Юрченко А. Д., Вунтесмери Вал.С. Волноводный фазовый детектор, построенный на тонкопленочном магнито-резистивном преобразователе.
В работе рассматривается фазовый детектор, предназначенный для работы с сигналами СВЧ диапазона, который отличается от существующих тем, что он выполнен не на полупроводниковых элементах (диодах) а на тонких магниторезистивных пленках. Приводятся преимущества таких детекторов.
Jurchenko O.D., Vuntesmeri Val.S.
The waveguide phase detector, which are
designed from thin magnetoresistive films.
In this paper author describes the phase detector designed to work with microwave frequency signals. This device differs from present nowadays in such way that it has been made not from semiconductor elements (diodes) but from thin magnetoresistive films. The author describes advantages of usage such detectors in waveguide technique.
