[110]. Вращение сферы при такой ориелтации приводит к тому, что в различные моменты времени оси [100] или [111] параллельны вектору Но, и, следовательно, изменение величины напряжениости поля, соответствующего резонансу, будет перекрывать наибольший возможный диапазон, получаемый при вращении резонатора.

т 120

ttoiifu

Рис. 17.05.3. Зависимссть напряженности подмагничивающего ноля Я.} (обеспечивающего резонанс на частоте 3000 Мгц) от угла поворота ИЖГ сферы вокруг оси {(101, перпендикулярной к

вектору Но ( =3000/2.6-1070s): / - ось [1001 параллельна вектору Во: 2 - ось [111] параллельна вектору Нь

На рис. 17.05.3 представлена экспериментальная кривая, полученная Саго И Картером (Y. Sato, Р. S. Carter, Jr.) [6], которая показывает, как изменяется напряженность поля, соответствующего резонансу иа частоте 3000 Мгц, при вращении ИЖГ сферы вокруг оси (ПО], перпендикулярной вектору Но.

Как упоминалось выше, металлические стенки, находящиеся вблизи ферромагнитных резонаторов, могут также изменять их резонансные частоты. Если для всех резонаторов эти стенки будут представлять одинаковые граничные условия, то такое явление не должно вызывать беспокойства. Однако если для одного или нескольких резонаторов граничные условия, определяемые металлическими стенками, окажутся неодинаковыми (что обычно имеет место в фильтре с тремя или более ИЖГ резонаторами), то желательно скомпенсировать указанную расстройку. Был найден весьма эффективный способ ее компенсации: сферические резонаторы монтируются таким образом, чтобы онн могли вращаться вокруг оси [110], перпендикулярной вектору Но, как это было сделано при проведении измерений для получения данных рис. 17.05.3 Резонаторы можно настроить путем вращения их монтажных стержней до тех пор, пока онн не окажутся под таки-ми углами друг к другу, которые дадут синхронную настройку.

Минимальная частота перестройки. По мере того как ферромагнитный резонатор настраивается на более низкие частоты, на-- 440 -

пряжениость приложенного поля Но. соответствующего резонансу, становится все меньше и меньше. Когда приложенное поле станет настолько слабым, что будет соизмеримо с размагничивающим полем или меньше его, резонатор перестанет функционировать. Так :е поле зависит от параметра М^ и

как размагничивающее

размаг-

4m4fM,.rc

Рис. 17,05.4. Приближенная зависимость минимальны.х резонансны.\ частот от намагниченности насыщений для ферромагнитны,\ эллипсоидов с различными отношениями осей

ничнвающнх факторов (которые являются функцией формы резонатора), то минимальная резонансная частота определяется величиной Ms и формой резонатора.

На рис. 17.05.4 показаны зависимости минимальной резонансной частоты fJ от величины 4кМ, для различных эллипсоидальных форм. Заметим, что при использовании ИЖГ, у которого величина 4лЛ1в равна 1750 гс, минимальная резонансная частота резонатора сферической формы приблизительно равна 1630 Мгц (практически она оказывается немного выше этого значения). Из теории следует, что если использовать эллипсоидальный резонатор, приближающийся к плоскому диску, то можно значительно уменьшить минимальную резонансную частоту. Однако на практике резонаторы такой формы работанл- очень плохо, вероятно ввиду того, что трудно осуществить дискообразные резонаторы, близкие к совершенному эллипсоиду.

Наиболее реальный способ получения более низких минимальных резонансных частот заключается в применении сферических резонаторов из монокристаллического материала, обладающего меньшей величиной 4лА1,. В настоящее время ИЖГ с частичным - 441 -

замещением иттрия галлием являются наиболее многообещающими в этом отношении материалами. Например, СаИЖГ с величн-й.э ной 41Ш.=600 гс (см. табл. 17.05.1)

должен давать минимальную резо-иаисиую частоту около 700 Мгц дли сферического резонатора. Недостатки этих материалов заключаются (В том, что при низких значениях Мя затрудняется осуществление связи между внешней цепью и сферами, а также в том, что ширина кривой поглощения может оказаться не столь малой, как у обычного ИЖГ.

Влияние температуры. На значения параметров KJM М, и ДЯ оказывает влияние температура. При этом наибольшее беспокойство, по-видимому, вызывают изменения величины kilM,. На рис. 17.05.5 показаны экспериментальные данные для ИЖГ, заимствованные из работы Диллона (Dillon) [141. Как можно видеть, постоянная анизотропии сильно зависит от температуры. Из выражения (17.05Л1) следует, что если ось [lilil] параллельна вектору Но, то изменение резонансной частоты Д/о, вызванное изменением постоянной анизотропии поля Al/Ci/M.l (в эрстедах), равно

Рис. 17.05.5. Экспернмеитальиая зависимость постоянной аниэотро-

пии поля (1 температ>-

ры для ИЖГ

(Д/о)1 ] =3,73Д

(17.05.14)

(17.05.15)

а если вектору Но параллельна ось [100], то

(Д/ )[]и ,] =5,6д|-, Мгч.

Согласно рис. 17.05.5 для изменения температуры от 38 до 193°С (т. е. от 311 до 466°К) изменение величины /(i/M, составляет Д|Л1/А1е|=31 3. Тогда .изменения резонансной частоты, определяемые выражениями (17.05.14) и (17.05.15), равны 115 и 173 Мгц соответственно. Таким образом, если изменение температуры велико, сдвиг резонансной частоты оказывается весьма значительным.

Влияние температуры на резонансную частоту можно исключить с помощью ориентации кристаллических осей в определенных направлениях. Отметим, что на рис. 17.05.3 резонансная частота определяется величиной 2,8Яо, когда сфера ориентируется под углом ±27°. При этих ориеитациях влияние анизотропии исключается и резонансная частота не должна зависеть от температуры, - 442 -

На рис. 17.05.6 показаны некоторые результаты измерений величины inMs как функции температуры, полученные в работе Куи, Стинсона, Мосса, Брэдли и Фрейберга (Kooi, Stinson, Moss, Bradley, Freiberg) [15].

Следует отметить, что намагниченность насыщения уменьшается с увеличением температуры. Как будет показано в § 17.07, внешние добротности фильтра пропорциональны величине l/Ms, а коэффициенты связи между резонаторами пропорциональны М,.

Рис, 17.05.6. Экспериментальная зависимость намагниченности насыщения 4лМ, от температуры (°К) для ИЖГ

Б результате ширина полосы фильтра будет пропорциональна величине М„, а форма характеристики (т. е. например, ее чебышевский характер) должна оставаться неизменной при изменении М,. Разумеется, если М, уменьшается (н, следовательно, уменьшается ширина полосы), то потери рассеяния в полосе пропускания увеличиваются, как это всегда имеет место, когда полоса фильтра сужается, а ненагруженные добротности резонаторов сохраняются прежними.

Результаты работы Спенсера, Легроу и Линареса (Spencer, LeCraw, Linares) il6] показывают, что для очень чистого, хорошо отполированного, ИЖГ ширина кривой поглощения должна изменяться приблизительно пропорционально абсолютной температуре, по крайней мере, в диапазоне комнатных температур. Так как ширина кривой поглощения определяет ненагружеииую добротность резонаторов, то это будет оказывать некоторое влияние иа потери рассеяния фильтра. Однако если перекрываются небольшие температурные диапазоны, то указанное влияние не скажется заметно в большинстве практических случаев.

Магнитостатические типы колебаний высокого порядка. В случае основного резонансного колебания ферромагнитного резонатора (так называемого колебания свободной прецессии ) все спины электронов резонатора прецессируют с одинаковой фазой. Од-- 443 -

иако если либо приложенное поднагиичивающее поле, либо высокочастотное машитное поле неоднородны, то могут возникнуть колебания высокого порядка, для которых фазы прецессии в разных частях сферы окажутся различными. Это приведет к тому, что ферромагнитный резонатор будет иметь более чем одну резонансную частоту прн данной величине подмагничивающего поля [17].

Из-за металлических проводников, находящихся вблизи ферромагнитных резонаторов и необходимых для осуществления связи с ними, почти всегда будут возникать возмущающие воздействия, приводящие к возбуждению магнитостатических колебаний высшего порядка. Однако если принять меры к тому, чтобы магнитные поля были как можно более однородными, то в большинстве случаев удается поддерживать уровень паразитных явлений (в частности, паразитных провалов характеристики передачи), обусловленных колебаниями высших порядков, на 30 дб илн более ниже уровня передачи на основном колебании.

Помимо того, что проектирование структуры должно осуществляться при максимальной однородности полей, другой важной мерой является уменьшение самого резонатора до минимальных размеров. Флетчер и Солт (Fletcher, Soil) (18] обнаружили, что . при прочих равных условиях связь с магнитостатистическими колебаниями высшего порядка зависит от отношения D /X, где Dm - диаметр сферы, а X - длина волны на рассматриваемой частоте. Чем меньше отношение DmIK тем меньше связь с колебаниями высшего порядка. Таким образом, желательно выполнять ферромагнитные резонаторы как можно меньшей величины, но помня при этом о необходимости получения достаточной связи с ними внешней цепи на требуемой резонансной частоте.

Ограничение мощности. Когда мощность, проходящая через ферромагнитный резонатор, станет достаточно большой, вносимые потери резонатора из-за нелинейных эффектов [19] начнут значительно расти. Благодаря этому свойству, фильтры с ферромагнитным резонансом также находят широкое применение в качестве ограничителей. В зависимости от проектируемой цепи, типа материала и частотного диапазона уровень ограничения может лежать в пределах от величины, значительно меньшей милливатта, и вплоть до примерно 10 ег [20, 21, 22, 23, 3, 4]. Изложение теории ферромагнитного ограничения, однако, выходит за рамки тематики данной книги.

17.06. Определение кристаллических осей сферических ферромагнитных резонаторов

Кристаллические осн ферромагнитных резонаторов могут быть определены с помощью рентгеновских лучей, но имеются и более простые и легкие методы для этой цели. При помещении ферромагнитного резонатора в сильное магнитное поле под действием последнего он будет сам стремиться развернуться и занять такое - 444 -

положение, чтобы одна из его легких осей стала параллельной приложенному полю. Если гранотные условии (.расположение металлических стенок структуры) для всех ферромагнитных резонаторов будут одинаковыми (как это обычно имеет место в двухре-зонаторных ферромагнитных фильтрах), то такой метод ориентации резонаторов по их легким осям оказывается достаточным. После того как с помощью сильного магнитного поля определена легкая ось резонатора, он закрепляется на маленьком диэлектрическом держателе в желаемом положении.

Как было показано в § 17.05, легкой осью для ИЖГ или СаИЖГ, которые имеют отрицательные постоянные анизотропии, является ось [111]. В некоторых случаях желательно поворачивать сферический резонатор вокруг оси [ПО] для получения максимального эффекта настройки илн для ориентации резонатора в таком направленнн, прн котором влияние анизотропии исключается и тем самым настройка резонатора не будет зависеть от тем-перат} ры.

Для того чтобы определить ось (110], требуются специальные методы. Один из методов определення других - не легких - осей кристаллов был описан Ауером (М. Auer) [24]. В нем используется геометрическое построение для определения местоположения остальных осей после того, как две легкие оси уже определены. Картер и Саго (Р. S. Carter, Y. Sato) [5, 28] расширили возможности методики Ауера, разработав специальное приспособление для ориентировки осей резо11.;гора, с помощью которого легко н быстро получаются требуемые результаты.

Рассмотрим вкратце действие указаниого прибора Картера н Саго [5, 28]. На поворотном приспособлении (рис. 17.06.1) установлен магнит; с его помощью поле может быть соориентировано в любом нужном направлении относительно оправки, в которой удерживается сфер.нческий кристалл. Кристалл вначале помещается так, чтобы он -МОГ сво водно поворачиваться до тех пор, пока какая-нибудь легкая ось (их всего четыре в кубическом кристалле с отрицательной анизотропией) ие совпадет с направлением магнитного поля. После того как первая ориентация выполнена, сфера прикрепляется (.посредством какого-либо легкорастворн- , Устройство для ориеитв-

мого клея, воска и т. д.) к нрово- ферромагнитного кристалла с то-

локе, закрепленной в радиальном воротным электромагнитом