pa В. Б. и Розенберга Я. И., наилучшие результаты для использования в КУ бегущей волны получены у инкель-цннкового феррига М-282 (ЛЯ = 270 э, Mo = 4200 гс,

а,жз=450 э).

Все перечисленные ферриты не являются низкотемпературными материалами, так как они могут широко [фименяться и в обычном интервале температур. При охлаждении их свойства за счет специальной технологии могут оставаться неизменными или улучшаться. Однако существует группа ферритов, не получивших применения в обычных условиях работы аппаратуры либо вследствие низкой температуры Кюри 6ki близкой к 300° К, либо вследствие наличия так называемой температуры компенсации Г . Для примера рассмотрим феррит со структурой граната на основе ферромагнитного элемента гадолиния Gd, имеющего бк -289° К. Как известно [31], магнитные свойства гадолиниевого феррит-граната (ЗОс120з-5Ре20з) при низких температурах, в первом приближении могут быть объяснены наличием двух магнитных подрешеток: железной , состоящей, в свою очередь, из двух подрешеток, и гадолиниевой . Суммарная удельная намагниченность материала Os при различной Т обусловлена температурной зависимостью намагниченностей отдельных подрешеток с антипараллельной ориентацией. Это и приводит (по теории Нееля) к появлению температуры компенсации Гк, при которой намагниченность Os падает до нуля. Путем частичного замещения гадолиния другими элементами, например иттрием, можно изменять температуру компенсации и в весьма широких пределах менять как величину намагниченности материала (Цфм)

пературную зависимость (рис. 6.4). При этом АН(Т) также претерпевает значительные изменения, что особенно заметно в диапазоне дециметровых волн.

Кратко рассмотрев основные свойства СВЧ ферритов при низких температурах, можно утверждать, что ферриты с заданными параметрами для охлажденных устройств могут быть созданы не только для использования в коротковолновой части диапазона СВЧ, но и в его более длинноволновых участках. Кроме того, глубокое охлаждение значительно расширяет возможности ферритовых материалов для диапазона СВЧ. Основные преи-

мущества, получаемые при этом, можно сформулировать следующим образом:

- увеличение намагниченности при сохранении малой ширины линии ФМР, позволяющее создавать высокоэффективные малогабаритные устройства;

Рис. 6.4. Экспериментальные зависимости удельной намагниченности насыщения ст, и АН от температуры для феррита со структурой гранатов X Gd (3-X)Y-Fe50i2:

/ - для гадолиниевой подрешетки; 2 - для железной подрешетки: 3 - для гадолиниевого феррита со структурой граната; -для ширины линии ФМР.

- расширение применяемых типов материалов как за счет использования ферритов с точками компенсации магнитных моментов подрешеток, так и за счет использования ферритов с низкой температурой Кюри, например иттрий-галлиевых, иттрий-алюминиевых. Как известно, последние не получают широкого распространения ввиду большой ширины линии ФМР, обусловленной флюктуационным распадом намагниченности вблизи температуры Кюри;

- уменьшение потерь, обусловленных электропроводностью феррита;

- уменьшение величины АЯ за счет специальной технологии изготовления феррита и выбора температуры охлаждения;

- увеличение анизотропии, что в ряде случаев бывает полезным.

2. ОХЛАЖДАЕМЫЕ ФЕРРИТОВЫЕ УСТРОЙСТВА

Ферритовые устройства для охлаждаемых СВЧ блоков можно условно разделить на три основные группы:

- входные устройства, которые располагаются до входного о.хлажденного усилителя приемника;

- выходные устройства, включенные после охлажденных усилителя, гетеродина или генератора накачки;

- проходные устройства, применяемые для каскадного включения охлажденных устройств.

Для практического создания всех устройств, обеспечивающих заданные параметры при низких температурах, необходимо, кроме разработки специальных ферритов, решить ряд вопросов. Из них наиболее существенными являются выбор типа магнита и конструкции магнитной системы, а также миниатюризация СВЧ элементов устройств. Это позволит получить требуемую зависимость параметров от Г, обеспечить повторяемость параметров после многих циклов охлаждения и добиться минимального расхода криогенной жидкости на охлаждение.

Как известно, в случае применения ферритового образца в виде сферы внутреннее магнитное поле в феррите можно выразить как

и и L I 1

/7; -/7i,Huui -+--3 -д

(6.5)

где Явнсш-внешнее магнитное поле.

Из приведенного выражения видна существенная зависимость поля Я,-, определяющего частоту ферромагнитного резонанса, а значит, и параметры устройства, от охлаждения. Поэтому настройку охлажденных устройств можно производить:

- регулировкой устройства при комнатной температуре с учетом изменения характеристик при понижении Г;

- установкой ферритов с малЫ(М изменением намагниченности в заданных пределах (например, от 300 до 77° К) и температурностабильпых магнитов;

- применением ферритов и магнитов с различными температурными коэффициентами для самоподстройки и устройств при охлаждении.

Результаты экспериментальных исследований ряда охлажденных ферритовых устройств изложены в работах Лебедя Б. М., Закачурина В. М., Кузьминой Л. И., Меркина Э. Л., Штейншлейгера В. Б. и др. [12]. Рассмотрим основные особенности охлажденных ферритовых устройств.

Входные ферритовые устройства устанавливаются на входе охлажденных приемных систем и должны обеспечить:

- возможность использования усилителя (охлажденного параметрического, квантового), работающего на отражение;

- согласование с антенно-фидерным трактом и уменьшение влияния шумов последующих каскадов;

- защиту входных каскадов от воздействия сильных мешающих сигналов в полосе пропускания и за ее пределами;

- подачу напряжения смещения на диод охлажденного параметрического усилителя.

Наиболее полно все эти функции выполняются при использовании циркулятора.

Из выражения (4.15) гл. 4 следует, что охлаждение входного ферритового устройства совместно с усилителем до температуры кипения жидкого азота дает выигрыш в чувствительности в 3-5 раз. При охлаждении до температуры кипения жидкого гелия выигрыш соответственно возрастает. Это повышает отношение сигнал/шум на входе радиолинии и улучшает эксплуатационные параметры радиоаппаратуры. Необходимо подчеркнуть, что помимо обычных явлений, наступающих при недостаточном согласовании входного ферритового устройства с антенно-фидерным трактом, часть шумов последующего каскада, отражаясь от антенны, попадает на вход охлажденного усилителя. При этом чувствительность усилителя может серьезно ухудшиться. Отсюда понятна необходимость включения охлажденной нагрузки в одном из плечей охлажденного входного циркулятора.

Желательно, чтобы входные ферритовые устройства имели следующие примерные параметры:

- минимальные прямые потери 0,2-0,3 дб при 7 =

= 78° к и 0,5-1 дб при Г = 4,2°К в рабочей полосе ча-

стот;

- потери в обратном направлении не менее 20 дб в этой же полосе частот;

- высокое согласование (КСВ порядка 1,05). Характеристики одного из входных ферритовых устройств изображены на рис. 6.5. Это У-циркулятор деци-

L.6 Р.дб <4?

-о- д/1Я U293°y

-- д/,я Т 77 к

1Л

10

Рис. 6.5. Экспериментальные характеристики У-циркулятора с использованием феррита ЗУгОз - ЗРегОз.

метрового диапазона волн с использованием железо-ит-триевого феррита со структурой граната (ЗУгОз бРегОз), имеющий оптимальные значения внешнего поля Явнеш =

= 2600 Э при Г = 77° К и внеш~

2100 э при Г=300°К. При этом изменение поля постоянного магвита, изготовленного из сплава альнико, соответствовало температурному коэффициенту этого материала примерно 0,04% на ГС. Как уже указывалось, этот недостаток может быть исключен при использовании иттриевых гадолиние-вых ферритов.

Общий вид охлаждаемых У-циркуляторов сантиметрового и дециметрового диапазонов волн на ферритах 2,5Y0,5Gd Fe50i2 представлен на рис. 6.6. Ферритовые

образцы и магнитные системы циркуляторов обеспечивают их работоспособность как при температуре жидкого азота и ниже, так и при комнатной температуре. Усредненные экспериментальные характеристики циркулятора дециметровых волн при Г=77 и ЗООК изображены на рис. 6.7. При измерениях циркулятор размещался в закрытом охлаждаемом медном сосуде, помещенном

Рис. 6.6. Внешний вид охлаждаемых ферритовых циркуляторов сантиметрового и дециметрового диапазонов волн.

В жидкий азот и обеспечивающем заданную температуру охлаждения без затекания хладоагента внутрь полости циркулятора. Металлические входные и выходные коаксиальные линии, закрепленные в крышке криостата и подключенные к циркулятору, обеспечивали его надежное присоединение к измерительному тракту. Затухание определялось методом замещения по калиброванному аттенюатору измерительного генератора.

Общий вид А-циркуляторов дециметрового диапазона волн на иттриевых ферритах со структурой граната, предназначенных для работы при Т=77°К и Г=4,2°К, изображен на рис. 6.8. Один из таких циркуляторов при температуре жидкого азота имел прямые потери 0,2- 0,4 дб, обратные потери более 24 дб, при этом КБВ составлял 0,89-0,92 в относительной полосе частот около 4-7%.