Расчет параметров коаксиальной головки сводится к определению параметров диэлектрической пластины и ферритового резонатора, при которых коэффициент связи резонатора с частично заполненной диэлектриком коаксиальной линией (табл. 6) близок к единице на средней частоте рабочего диапазона головки. Необходимо также выполнить расчет согласования частично заполненной коаксиальной линии с незаполненной [133].

1т IS П

0.4 О

0.2 0.1

150 225 а

300 Mm -12

-А 4 f-fp,Meii

Рис. 100. Зависимость величины тока выходного прибора от уровня падающей мощности при резонансе (а) и от рас-стпойки (Ьепритового резонатора в области резонанса (б).

Типичные характеристики головки при использовании резонатора на основе Са-Bi-V-феррита показаны на рис. 100. Зависимость тока термопар от уровня падающей мощности (рис. 100, а) отличается от линейной при мощностях больше 100 мет, что'свидетельствует о переходе резонатора в нелинейный режим работы из-за параметрического возбуждения спиновых волн. Зависимость тока термопар от расстройки вблизи частоты ферромагнитного резонанса (рис. 100, б) в сущности представляет собой резонансную кривую ферритового резонатора, определяющую избирательные свойства головки.

Волноводная измерительная головка

Между мощностью сигнала Р, в резонанс с частотой которого настроен ферритовый резонатор, и мощностью Рт, поглощаемой резонатором, имеет место соотношение Р = Рт:1щ, где хр - коэффициент поглощения резонатора при резонансе. Таким образом, динамический диапазон измеряемых уровней мощности определяется диапазоном, в пределах которого может изменяться мощность, поглощаемая ферритовым резонатором, и диапазоном изменения коэффициента поглощения. Диапазон, в пределах которого может изменяться поглощаемая мощность, ограничен сверху пороговым уровнем мощности, выше которого параметры ферритового резонатора изменяются с увеличением мощности из-за появления нелинейных эффектов или чрезмерного нагрева.

Диапазон изменения коэффициента поглощения в принципе не ограничен.

Конструкция описанной коаксиальной головки не позволяет изменять коэффициент поглощения, поэтому динамический диапазон головки небольшой, что, безусловно, является ее недостатком. От этого недостатка свободна волноводная измерительная головка [134, 135], конструкция которой позволяет в широких пределах изменять коэффициент поглощения ферритового резо-

1 гальбанометрд

Рис. 101. Схематическое изображение измерительной волноводной головки.

натора. Основой измерительной головки (рис. 101) является отрезок прямоугольного заниженного волновода / с расположенной вдоль него диэлектрической пластиной 7, высота которой равна высоте волновода. Ферритовый резонатор 6 укреплен на полистироловом держателе 3, который может перемещаться в поперечном сечении волновода, приближая резонатор к диэлектрической пластине или удаляя его от нее. Для перемещения резонатора применена микрометрическая подача 4. Держатель прижат к толкателю микрометрической подачи пружиной 5. Для измерения температуры ферритового резонатора применена та же система, что и в случае коаксиальной головки.

Ширина и проницаемость диэлектрической пластины выбраны так, что линия передачи по сути представляет собой Н-образный металлодиэлектрический волновод. В области между пластиной и узкой стенкой волновода амплитуды поперечной hx и продольной hz составляющих поля примерно равны и убывают по экспоненте по мере удаления от пластины. Для того чтобы сравнять составляющие h и hz СВЧ магнитного поля, взаимодействующего с ферритовым резонатором, постоянное магнитное поле приложено не перпендикулярно к широким стенках, а под некоторым углом а к перпендикуляру с тем, чтобы выполнялось условие hxcos a = hz. При этом в силу невзаимных свойств резонатор взаимодействует только с волной одного направления распространения. Таким образом, описываемая головка может раздель-

£з5

но измерять мощность, переносимую падающей и отраженной волнами.

Изменяя расстояние между резонатором и диэлектрической пластиной, можно в значительных пределах изменять коэффициент поглощения (формулы табл. 2 и 6). Положение резонатора по отношению к диэлектрической пластине точно определяется

по шкале микрометрической подачи, и при соответствующей калибровке .может быть определен коэффициент поглощения. Так, например, для одного экземпляра измерительной головки было получено

Рис. 102. Зависимость коэффициента поглощения от расстояния между ферритовым резонатором и диэлектрической пластиной; хо - коэффициент поглощения при расположении резонатора на границе воздух - диэлектрик.

(рис. 102), что при удалении резонатора от начального положения на каждые 10 мм коэффициент поглощения изменяется примерно на 12 (?б и при этом соответственно увеличивается динамический диапазон.

Датчик фиксированного уровня пиковой мощности

Использование нелинейных свойств ферритового резонатора позволяет создать датчик фиксированного уровня пиковой мощности импульсного сигнала СВЧ (короче - фиксатор уровня мощности). В качестве такого датчика можно использовать четырехполюсник с нелинейным ферритовым резонатором, коэффициент прохождения которого равен нулю при некотором уровне мощности Ра и отличен от нуля при любом другом уровне мощности. Таким свойством (рис. 88) обладает отрезок линии передачи, содержащий нелинейный ферритовый резонатор, расположенный в области, где СВЧ магнитное поле имеет круговую (либо эллиптическую) поляризацию, причем коэффициент связи резонатора с линией передачи в линейном режиме больше критического значения.

Датчик фиксированного уровня мощности может быть выполнен, например, в виде волноводной секции, полностью заполненной диэлектриком (рис. 103). В средней части секции 2 имеется прямоугольный канал, в который вставлен диэлектрический вкладыш /. В канале, представляющем собой регулярный заполнен-

Рис. 103. Волноводная головка фиксатора уровня пиковой мощности.

ный волновод, на расстоянии g/4 от узкой стенки расположен ферритовый резонатор. Для согласования заполненного волновода с незаполненным концы диэлектрического вкладыша выполнены в виде клиньев.

5. 3. ЧАСТОТНЫЕ ДИСКРИМИНАТОРЫ С МАГНИТНОЙ НАСТРОЙКОЙ

Простейший дискриминатор на основе ферритового резонатора содержит четырехполюсник с ферритовым резонатором и детекторную головку (рис. 104). К резонатору приложено магнит-

Ими

Рис. 104. Волноводные головки частотных дискриминаторов на основе ферритового резонатора.

Д насрцзка

ное поле, состоящее из постоянного магнитного поля смещения и переменного магнитного поля модуляции (рис. 105). Выходное напряжение дискриминатора, частота которого равна частоте модуляции, а фаза определяется знаком расстройки относительно частоты сигнала (рис. 106), можно получить в схеме, показанной на рис. 107. Применение такого дискриминатора для подстройки частоты генераторов СВЧ позволяет исключить принципиально необходимую небольшую частотную модуляцию стабилизируемого генератора в системах АПЧ с объемным резонатором [136].

Дискриминатор может быть также использован для автоматической подстройки магьитпого поля. В этом случае выходное

Рис. 105. Выходное напряжение дискриминатора для случаев, когда частота сигнала 2jt;/i>UoY-cm (кривая /) и 2я/2<М-оТ-см (кривая 2).

9/64 9166 3172 3176 8180 Щч

Рис. 106. Характеристика дискриминатора на основе ферритового резонатора.

Генератор

Цискриминатр

Избирательный усол итепь

Синхронный детектор

Источник

Рнс. 107. Блок-схема датчика-преобразователя частоты СВЧ-сигнала в напряжение.

напряжение дискриминатора подается на управляющую катушку, величина тока которой регулирует постоянное магнитное поле смещения. Управляющий ток равен нулю при соответствии поля смещения частоте резонанса при данной частоте СВЧ-сигнала.

Отметим также, что замена объемного резонатора на ферритовый или диэлектрический в известных конструкциях частотных дискриминаторов [136] позволяет создать еще ряд схем частотных и фазовых дискриминаторов на основе твердотельных резонаторов в том числе и в интегральном исполнении [137].

5. 4. РЕЗОНАНСНЫЕ ФАЗОВРАШАТЕЛЦ

Создание резонансного фазовращателя основано на использовании фазо-частотных характеристик линии передачи с твердотельным резонатором. Возможно создание фазовращателей отражающего и проходного типа [68].

Фазовращатель отражающего типа представляет собой отрезок короткозамкнутой линии передачи с твердотельным резонатором. При сильной связи резонатора с линией передачи фазовый угол коэффициента отражения изменяется в пределах 360° при расстройке резонатора в области резонанса. При использовании ферритового резонатора регулирование фазового угла достигается изменением поля подмагничивания, а при использовании диэлектрического резонатора - изменением расстояния между отдельными резонаторами.

Фазовращатель проходного типа может быть создан на основе отрезка согласованной линии передачи с ферритовым [138] или составным феррито-диэлектрическим резонатором [46]. Конструкция такого фазовращателя в принципе не отличается от конструкции секции датчика фиксированного уровня мощности (см., например, рис. 103). Изменение фазового угла в пределах 360° достигается выбором сильной невзаимной связи ферритового резонатора с линией передачи. Электромагнитная волна, прошедшая в направлении к нагрузке, испытывает фазовый сдвиг 180° на частоте, равной резонансной. Волна, отраженная от нагрузки, фазового сдвига не испытывает. Таким образом, на резонансной частоте устройство представляет собой гиратор. Можно получить небольшие вносимые потери (<1 дб) такого гиратора, используя, например, невзаимную связь ферритового резонатора с Н-образным металлодиэлектрическим волноводом.

5. 5. УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕЗОНАНСНОГО ПОВОРОТА ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

В ВОЛНОВОДЕ

Невзаимный поворот плоскости поляризации волны в круглом волноводе достигается при расположении ферритового резонатора в области круговой поляризации СВЧ магнитного поля пада-