книги из ГПНТБ / Ильченко, М. Е. Твердотельные СВЧ фильтры

W. E. ИЛЬЧЕНКО, Г. А. МЕЛКОВ, Г. А. МИРСКИХ

jTВЕРДОТЕЛЬНЫЕ

! СВЧ ф и льтры

Киев «Технжа»

ПРЕДИСЛОВИЕ

. - » П- 1 й П

В практической реализации грандиозных планов сози­ дания, начертанных XXV съездом КПСС, большую роль играет ускорение научно-технического прогресса, дальней­ шее развитие фундаментальных и прикладных исследований целью улучшения качества разрабатываемых приборов систем, необходимых для повышения эффективности ра-

ы во всех звеньях народного хозяйства страны.

Для современного этапа научно-технической революции ' <арактерно создание сложной радиоэлектронной аппарату­ ры, выполняющей большое число разнообразных функций. Это особенно характерно для приборов диапазона сверх­ высоких частот (СВЧ). В последние годы в технике СВЧ ши­ роко используются физические явления в твердых материа­ лах, что позволило не только расширить возможности

иэксплуатационные характеристики известных элементов

исистем, но и создать принципиально новые устройства (варакторы, туннельные и лавинопролетные диоды, диоды Ганна и др.).

Наряду с полупроводниковыми материалами, к числу наиболее интересных и перспективных веществ следует от­ нести ферромагнитные и диэлектрические материалы. Об­ ладая рядом ценных качеств, ферритовые материалы при­ меняются в пассивных СВЧ устройствах, которые можно условно разделить на две группы. К первой группе отно­ сятся устройства (вентили, циркуляторы, фазовращатели и др.), использующие явления, происходящие при распро­ странении электромагнитных волн в низкодобротных (обычно юликристаллических) ферритовых элементах, геометриче­

3

Глава I

ФИЛЬТРЫ НА МОНОКРИСТАЛЛАХ ФЕРРИТОВ

СВЧ резонаторы на монокристаллах ферритов состав­ ляют новый класс твердотельных резонаторов, резонансная частота которых определяется напряженностью внешнего поля подмагничивания, что позволяет оперативно изменять характеристики СВЧ устройств. В большинстве случаев объем таких резонаторов составляет величину порядка од­ ного кубического миллиметра и меньше, что служит пред­ посылкой миниатюризации резонансных цепей СВЧ диапазона.

Характерными особенностями резонаторов на монокрис­ таллах ферритов являются: возможность осуществления не­ взаимного характера взаимодействия намагниченности ферри­ та с электромагнитным полем, а также нелинейность характе­

ограничители уровня мощности [56], дискриминаторы [64], измерительные устройства, полупроводниковые СВЧ генера­ торы с электрической перестройкой частоты [40] и др. Рас­ смотрим физические принципы работы, особенности построе­ ния и расчет СВЧ фильтров на монокристаллах ферритов.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ФЕРРИТОВЫХ РЕЗОНАТОРОВ

Твердотельные резонаторы на основе монокристаллов ферритов представляют собой в общем случае эллипсои­ ды вращения, намагниченные до насыщения магнитным

5

полем, размеры которых малы по сравнению с длиной электро­ магнитной волны. Физическая сущность процессов в по­ добных ферритовых резонаторах (ФР) объясняется явле­ нием ферромагнитного резонанса в ферритах. Известно, что магнитные свойства ферритов в основном определяются собственными магнитными моментами электронов, которые обусловливают гиромагнитный эффект. Этот эффект про­ является, когда феррит помещают в постоянное магнит­ ное поле. При этом магнитные моменты электронов пре­ цессируют вокруг направления поля подмагничивания с частотой, определяемой напряженностью этого поля. Вследствие неизбежных потерь угол прецессионного дви­ жения уменьшается, пока в конце концов вектор магнит­ ного момента не совпадет по направлению с полем под­ магничивания. При воздействии на намагниченный до на­ сыщения феррит дополнительно электромагнитной волны, магнитное поле которой перпендикулярно постоянному полю подмагничивания, возникает вынужденная прецес­ сия вектора магнитного момента. Она имеет место при сов­ падении направления вращения и частоты магнитного по­ ля с направлением и частотой собственной прецессии. Необходимая для поддержания незатухающей прецес­ сии энергия электромагнитного поля преобразуется в энергию колебаний кристаллической решетки и нагревает феррит.

В основе классической теории ферромагнитного резонан­ са лежит уравнение движения Ландау — Лифшица, ко­ торое устанавливает связь между воздействующими на феррит магнитными полями и возникающим при этом маг­ нитным моментом, отнесенным к единице объема ферри­ товой среды, т. е. плотностью намагниченности феррита. Это уравнение с диссипативным членом в форме Гильберта имеет вид [11]

М

6

где М — вектор плотности намагниченности; Н — вектор­

= 4л • 10-7 Г/м — магнитная проницаемость вакуума; а — безразмерный параметр, характеризующий потери. Вместо параметра а для оценки потерь часто используют время ре­ лаксации т, имеющее физический смысл времени, за которое амплитуда свободных колебаний (угол свободной прецес­ сии) убывает в е раз. Величина, обратная времени релакса­

предположения о малости амплитуды СВЧ магнитного поля h относительно Н получается следующее отношение между намагниченностью т и полем h\ т — % h,

где %— тензор магнитной восприимчивости

где озт = р0у/И0; ыг = р0у2АЯ/2; 2АН — ширина линии ферромагнитного резонанса по полю подмагничивания, из­ меренная между точками, в которых поглощение мощнос­ ти в два раза меньше, чем при резонансе; М0 —- намагничен­ ность насыщения феррита; оз0 — круговая частота ферро­ магнитного резонанса, которая для сферического образца

7

Для изготовления резонаторов на монокристаллах испо­ льзуют различные ферритовые материалы, отличающиеся кристаллической структурой: феррогранаты, феррошпинели и гексаферриты 134, 46]. Эти материалы характери­ зуются следующими параметрами: намагниченностью на­ сыщения М0, шириной линии ферромагнитного резонанса 2ЛЯ, температурой Кюри, при которой намагниченность насыщения достигает нулевого значения, и кристаллогра­ фической анизотропией, характеризующей свойство фер­ ритовых материалов, благодаря которому магнитные мо­ менты стремятся «выстроиться» вдоль определенной кри­ сталлографической оси. Направление, вдоль которого поле Яр минимально для данной /0, называется осью легкого на­ магничивания, в отличие от оси трудного намагничивания, вдоль которой поле Я р максимально для той же частоты /0. Использование очень высоких внутренних полей анизо­ тропии, достигающих в некоторых гексаферритах величин 400 А/м, позволяет существенно уменьшить напряжен­ ность внешнего поля подмагничивания, необходимую для ферромагнитного резонанса. Это является объективной предпосылкой уменьшения размеров магнитных систем, особенно при работе в миллиметровом диапазоне волн.

Основные параметры монокристаллов ферритов (при комнатной температуре), используемых для резонаторов, приведены в табл. 1 [46]. Впервые монокристаллические СВЧ резонаторы были созданы из кристаллов железоиттриевого граната (ЖИГ), и термин «ЖИГ резонаторы» стал в определенном смысле нарицательным. Поэтому час­ то монокристаллические ФР и фильтры на их основе, реа­ лизованные уже на других кристаллах, иногда называют ЖИГ резонаторы или ЖИГ фильтры.

8

Таблица /

Параметры монокристаллов ферритов

9