Главная >  Радитехнология низких температур 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 [ 50 ] 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61

Данные циркуляторы используются в схемах охлажденных усилителей различного типа, работающих па отражение. Для параметрического усилителя напряжение смещения на диод может быть подано по центральному проводнику коаксиальной линии с помощью охлажденной нагрузки, включенной в одно из плеч циркулятора.


Рис. 6.7. Усредненные экспериментальные характеристики охлажденного ферритового циркулятора дециметрового диапазона волн на феррпте 2.5Y 0,5Cd FcsOis-

Большое значение имеют входные нешумящие устройства, обеспечивающие защиту первых каскадов приемника от воздействия сильной помехи. Для этой цели весьма перспективно применение охлажденных ферритовых ограничителей, циркуляторов-ограничителей и резонансных пассивных ферритовых систем типа фильтров. Наиболее ярко низкотемпературные свойства ферритовых ограничителей видны из экспериментов, приведенных в работе [30]. Авторы этой работы использовали случаи совпадения основного и дополнительных резонансов в ограничителе. Как известно, критическое поле Лир вход-

ного СВЧ сигнала, при котором дополнительно поглощается проходящая мощность, определяется как

, АН-АНк

кр -

где ля - ширина линии ферромагнитного резонанса (ширина линии однородной прецессии);

ДЯй - ширина линии спиновой волны, возникающей в образце с длиной волны Х=2л/к; 4слМо - намагниченность насыщения.

Как упоминалось в § 4 гл. 3, дополнительный резонанс связан с генерацией спиновых волн на частоте, равной половине частоты сигнала. Длина воз-

бужденных спиновых волн столь мала, что они не излучаются ферритом внутрь объема всего устройства, а их энергия переходит в тепловые колебания решетки феррита.

Значит, при уменьшении ширины линии ДЯ (и ДЯ) величина поля сигнала, вызывающая вследствие нелинейности движения вектора намагниченности дополнительный резонанс, совпадающий с резонансом однородной прецессии, будет уменьшаться. Порог ограничения при этом уменьшится. Обратное влияние на hap оказывает из.менение величины 4пМо.

Так как понижение температуры приведет к росту намагниченности насыщения, а путем синтеза чистого материала (например, иттриевого феррит-граната нз достаточно чистого сырья) можно достигнуть уменьшения АЯ, то значение Лкр при охлаждении будет уменьшаться.

Экспериментальные зависимости ДЯ, ДЯ на частоте 9340 Мгц и 4лМо от температуры для образца иттриево-


Рис. 6.8. Внешний вид охлаждаемых Х-циркуляторов на иттриевых ферритах со структурой граната, предназначенных для работы при 7 =77°К и Г=4,2° К.



го феррита со структурой граната в ограничителе [30] показаны на рис. 6.9. Ограничитель состоит из двух не связанных между собой полуволновых коаксиальных резонаторов, подключенных к общей ферритовой сфере с оптически отполированной поверхностью. Феррнтовая сфера диаметром 1,38 мм изготовлена нз иттриевого монокристалла со структурой граната. На входе и выходе

2500

2000

1500

Г- -

. -

йН, э

Рис. 6.9. Экспериментальные зависимости АН, AHk и намагниченности насынхения 4лЛ1о от температуры для сферы иттриевого феррита со структурой граната, использованной в ограничителе.

ограничителя, настроенного на частоту 3000Mat, расположены четвертьволновые согласующие трансформаторы. Зависимость входной мощности Рвх от температуры при охлаждении от 297 до 4,2° К приведена на рис. 6.10. Из рисунка видно, что при понижении температуры ограничителя его динамический диапазон ограничения значительно расширяется. Большой интерес при охлаждении вызывает уменьшение шумов, вносимых таким устройством. Если пренебречь спонтанными шумами, которые могут возникнуть благодаря возбуждению спиновой системы феррита, то зависимость тепловых шумов ограничителя от Т будет иметь вид графика Тш==(р(Т), изображенного на рис. 6.10.

Можно полагать, что вследствие охлаждения и другие входные ферритовые устро/ктва, основанные на применении монокристаллов, например смесители, ферритовые фильтры и т. д., будут также иметь малый уровень собственных шумов и улучшенные остальные параметры. Прп этом наиболее ценными будут устройства, одновременно выполняюп1,не

.36 Pex,di5/Mffm 0.5


несколько функций в охлаждаемом СВЧ блоке, например функции ограничителя, циркулятора, фильтра. Одно из таких устройств, на-званиое криогенным циркулятором-ограни-чителем , описано в работе [32]. Устройство состоит из щелевых мостов, соединенных невзаимными фазовращателями из двух по-лосковых полуволновых резонаторов с ферромагнитной связью через сферу из монокристалла иттриевого феррита со структурой граната. Резонаторы расположены под прямым

углом. В сфере возбуждаются колебания типа однородной прецессии. На частотах вблизи ФМР фазовращатели обеспечивают невзаимный сдвиг фаз ±90°. Ширина резонансной линии поглощения в феррите при Г=4,2°К и 7 = 300° К состявила 0,5 э. При мощностях выше порога ограничения наблюдалось более быстрое уменьшение обратных потерь, чем возрастание прямых потерь.

Выходные ферритовые устройства (как правило, вентили) устанавливаются на выходе усилителей и служат для устранения воздействия шумов последующих каскадов на параметры усилителя и для согласования его с этими каскадами, а также средством для уменьшения шумов наиболее широко применяемых невырожденных параметрических усилителей. Это становится понятным,

Рис. 6.10. Зависимость входной мощности порога ограничения Рвх, прямых- потерь и 7 ,ц ферритового ограничителя от температуры.



если вспомнить, что наименьшая температура шума ПУ-преобразователя может быть достигнута только при охлаждении всего усилителя вместе с ферритовым вентилем (гл. 3). Это является общеизвестным и объясняется тем, что в рассматриваемой схеме вентиль играет роль охлажденной нагрузки и обеспечивает зпачительиое снижение шумов. Экспериментальные исследования подтверждают указанные зависимости.

Анализ уравнения для Гш ПУ-преобразователя также показывает, что при обычных смесителях (Гш - 2000--3000° К) активное снижение температуры шума усилителя возможно только при обратных потерях вентиля не менее 20 дб {L <0,01). В случае уменьшения шумовой температуры смесителей (например, вследствие его охлаждения) величина обратных потерь может быть снижена.

Влияние прямых потерь вентиля .на температуру шума схемы, состоящей из усилителя с последующими каскадами, может быть оценено по формуле

ш см

= Г,С +

Гф (1 -тф) 1 Тсь

где Ку-коэффициент усиления;

т]ф - к. п. д. выходного вентиля в прямом направлении.

Отсюда видно, что, в отличие от входных ферритовых устройств, прямые потери в рассматриваемых вентилях могут достигать значительных величин (порядка 1 дб). При этом требования по согласованию этих устройств как в случае подключения их на вход усилителя, так и при подключении на выходе охлажденного гетеродина (или генератора накачки) остаются неизменными. Эти же требования относятся и к проходным ферритовым устройствам, обеспечивающим многокаскадное включение малошумящих охлажденных усилителей.

Для создания охлажденных ферритовых вентилей сантиметрового диапазона волн могут быть использованы различные материалы (гадолиниевые, никель-кобальтовые, иттриевые). Вентили резонансного типа с вкладышами из железо-гадолиниевого феррита со структурой граната (ЗОсЮз-ЗРвгОз) и диэлектрической активирующей пластиной из керамики с е=15 при температуре кипения

азота в полосе частот ±3% в 3-см диапазоне волн обычно имеют следующие параметры:

- обратные потерн не хуже 20 дб;

- прямые потери не более 0,5-0,7 дб;

- КСВ не хуже 1,2.

Как отмечалось ранее, путем специальной разработки магнитной системы и синтеза новых марок феррита могут быть созданы вентили, обеспечивающие свои параметры неизменными как при комнатной тем- -пературе, так и при глубоком охлаждении. Такие устройства представляют большую ценность для инженеров, разрабатывающих охлаждаемую радиоаппаратуру, так как при их использовании настройка аппаратуры значительно облегчается. Кроме того, это позволяет создавать универсальные радиоустройства, пригодные для эксплуатации в различных режимах (с охлаждением и без него).

Общий вид вентиля, обеспечивающего в 3-см диапазоне волн обратные потери более 20 дб и прямые около 0,5 дб при комнатной температуре и при Г = 77° К, представлен на рис. 6.11 В вентиле применен никель-цинковый феррит. Хорошие результаты при Т77° К также получены на иттрий-галлиевых ферритах с ДЯ=(0,5н-1) э.

Большой интерес представляют ферритовые вентили с никель-цинковыми ферритами [12], предназначенные для квантовых парамагнитных усилителей бегущей волны, охлажденных до 7=4,2° К. В них получена развязка до 70 дб при малых потерях и высоком согласовании. Величина внешнего резонансного поля составила примерно 4000 э при 7=4,2° К-

Необходимо также отметить, что низкие температуры охлаждения дают возможность приступить к прак-


Рис. 6.11. Внешний вид охлажденного ферритового вентиля сантиметрового диапазона волн в узком сечении волновода.



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 [ 50 ] 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61