Глава пятая. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СВЧ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ РЕЗОНАТОРОВ

5.1. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ В ТЕХНИКЕ СВЧ

На основе твердотельных резонаторов можно построить большинство СВЧ-устройств, которые обычно создаются с использованием полых металлических резонаторов, например, таких устройств, как частотные фильтры и дискриминаторы. Наряду с этим использование твердотельных резонаторов открывает новые возможности при решении таких задач техники СВЧ, которые ранее принципиально или практически были неразрешимы с помощью полых резонаторов.

Применение твердотельных резонаторов, имеющих исключительно малые размеры, позволяет внести существенный вклад в решение проблемы миниатюризации устройств СВЧ. В сравнении с устройствами на основе объемных резонаторов особенно заметен выигрыш в уменьшении габаритов устройств в случае использования диэлектрических резонаторов. При использовании ферритовых резонаторов, несмотря на их исключительно малые размеры, не всегда удается получить выигрыш в уменьшении габаритов устройства, которые, как правило, определяются не размерами ферритового резонатора, а размерами магнитной системы, создающей поле подмагничивания, необходимое для работы резонатора. Причем, если с увеличением частоты размеры объемных металлических и диэлектрических резонаторов уменьшаются и соответственно уменьшаются габариты устройства на их основе, то для работы ферритовых резонаторов на более высоких частотах требуется более сильное магнитное поле, что приводит к увеличению размеров и веса магнитной системы и к увеличению габаритов устройства в целом. Однако при необходимости электрической перестройки резонансной частоты в больших пределах ферритовые резонаторы оказываются вне конкуренции. Широкие возможности открывает также использование невзаимных свойств ферритовых резонаторов. Использование их позволяет создавать устройства, одновременно выполняющие функции фильтра и вентиля, фильтра и циркулятора и другие устройства с комбинированными функциями. Имеется ряд устройств, которые могут быть созданы только на основе ферритовых резонаторов. В первую очередь это относится к устройствам, использующим нелинейные свойства ферритовых резонаторов.

Сравнительная оценка ферритовых и диэлектрических резонаторов показывает, что в устройствах, работающих на фиксированных частотах, предпочтительнее использовать диэлектрические резонаторы. В этом случае габариты устройства будут минимальными. Применение диэлектрических резонаторов особенно эффективно для создания резонансных цепей СВЧ интегральных схем.

Рис. 97. Классификация возможных применений твердотельных резонаторов в техннке СВЧ.

При предъявлении жестких требований к температурной стабильности параметров резонатора преимущества могут оказаться на стороне металлических резонаторов, по крайней мере при современном состоянии технологии производства диэлектриков.

Если условия работы устройства требуют быстрой электрической перестройки частоты, то предпочтительнее использовать ферритовые резонаторы. Проблема выбора вообще отпадает, если требуются резонаторы с иевзаимнымн или нелинейными свойствами, так как из сравниваемых резонаторов этими свойствами обладают только ферритовые, хотя в будущем могут применяться нелинейные диэлектрические резонаторы и невзаимные полупроводниковые намагниченные резонаторы.

На рис. 97 представлена схема классификации твердотельных резонаторов по режимам работы и по выполняемым функциям; перечислены также устройства, в которых резонаторы выполняют те или иные функции. Заметим, что перечень этот нельзя считать полным; со временем он постоянно увеличивается.

В большинстве устройств используются диэлектрические и ферритовые (как взаимные, так и невзаимные) резонаторы в линейном режиме работы. К классу линейных отнесены также

резонаторы, параметры которых во время работы можно регулировать. В первую очередь сюда относятся ферритовые резонаторы, у которых резонансная частота определяется напряженностью поля подмагничивания.

Одна из основных функций линейных резонаторов — линейная обработка сигналов, которую выполняют различные фильтры, а также устройства для регулирования амплитуды, фазы и плоскости поляризации волны в линии передачи. Линейные резонаторы также применяются в устройствах для преобразования параметров СВЧ-сигнала в величины, удобные для измерения. В частности, повышение температуры резонатора из-за нагрева поглощенной мощностью используют для измерения среднего значения мощности сигнала, хотя в большинстве случаев нагрев резонаторов поглощенной мощностью является нежелательным.

Параметрическая обработка сигналов выполняется резонаторами с управляемыми параметрами. Реализуется эта функция в устройствах, осуществляющих изменение во времени (модуляцию) амплитуды или фазы сигнала, вращение плоскости поляризации волны.

Резонаторы, параметры которых зависят от амплитуды СВЧ-сигнала (нелинейные резонаторы) выполняют функции нелинейной обработки сигнала и преобразования спектра. Практическое применение находят нелинейные ферритовые резонаторы. Безынерционные нелинейные явления в ферритовом резонаторе могут быть отнесены к двум различным группам: первая группа явлений, связанных с нелинейностью уравнения движения вектора намагниченности, принципиально существует при любых амплитудах магнитного поля СВЧ; однако заметное значение они имеют только при достаточно больших амплитудах поля. Эта группа нелинейных явлений характеризуется изменением магнитной восприимчивости ферритового резонатора вдоль направления поля подмагничивания (продольной восприимчивости) под воздействием поперечного поля СВЧ. Использование этих нелинейных явлений позволяет создать детекторы, смесители, удвоители частоты и другие устройства [122—125].

Вторая группа безынерционных нелинейных эффектов характеризуется зависимостью магнитной восприимчивости от амплитуды СВЧ магнитного поля при запороговых уровнях мощности. При этом резонаторы выполняют функцию нелинейной обработки сигналов и используются для создания ограничителей мощности и датчиков фиксированного уровня мощности (фиксаторов уровня мощности СВЧ).

В данной главе кратко рассмотрены принципы построения некоторых СВЧ функциональных элементов и устройств на основе твердотельных резонаторов.