5.8. ЧАСТОТНО-ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ МАЛЫХ УРОВНЕЙ МОЩНОСТИ

В технике СВЧ часто требуются устройства, пропускающие почти без ослабления сигналы малой мощности и ослабляющие сигналы большой мощности до определенного уровня. Для создания таких устройств, называемых ограничителями мощности, могут быть использованы нелинейные свойства ферритов в полях СВЧ. При использовании ферритовых резонаторов, работающих в режиме совпадения основного и дополнительного резонансов, можно создать ограничители с весьма низкими уровнями мощности на выходе устройства в режиме ограничения (порядка единиц и десятков микроватт). Кроме этого, ограничители на основе ферритовых резонаторов [158] выгодно отличаются от ограничителей других типов малым временем восстановления, высокой надежностью и частотной избирательностью, чрезвычайно большим сроком службы и возможностью регулирования уровня мощности в режиме ограничения.

Ограничители малых уровней мощности с ферритовыми резонаторами конструктивно выполняются на основе полосно-пропускающих фильтров и фильтров-циркуляторов, которые приобретают нелинейные свойства, когда уровень сигнала превышает пороговое значение.

Рассмотрим особенности ферритовых ограничителей мощности [159] и их типичные характеристики.

1. Потери в линейном режиме. Для уменьшения потерь устройства в линейном режиме ферритовый резонатор должен иметь сильную связь с линиями передачи. Для того, чтобы потери в линейном режиме не превышали 1 дб, коэффициент связи ферритового резонатора с линиями передачи должен быть не менее 9.

2. Магнитная настройка. Резонансная частота ферритовых резонаторов не зависит в первом приближении от размеров резонатора, а зависит от напряженности постоянного магнитного поля, приложенного к ферриту. Поэтому, если в ограничителе для связи с нужными типами колебаний используется широкополосная нерезонансная СВЧ-структура, то можно осуществлять магнитную настройку ограничителя во всем частотном

диапазоне. Скорость, с которой такая настройка может быть реализована, зависит от конструкции магнитной и СВЧ-цепей и мощности управляющего сигнала, подаваемого на вход системы настройки.

3. Порог ограничения. Уровень сигнала, при котором начинается ограничение, зависит от ряда факторов: намагниченности насыщения, собственной добротности резонатора, степени связи резонатора с цепью СВЧ, ширины резонансной линии спиновых волн и других факторов [160, 161].

4. Динамический диапазон. Ферритовые ограничители малых уровней мощности работают в большом динамическом диапазоне уровней мощности. На практике динамический диапазон в ряде случаев ограничивается развязкой через конструктивные элементы связи. Типичные значения динамического диапазона лежат между 20 и 40 дб.

5. Фазовые характеристики ограничителя. Используемый в ограничителях механизм ограничения уровня сигналов не вызывает больших изменений реактивной составляющей эквивалентного импеданса феррита. Как показывают исследования (рис. 86), в динамическом диапазоне порядка 20 дб изменение фазы коэффициента прохождения на фиксированных частотах составляет несколько градусов. При изменении частоты в полосе пропускания ограничителя изменение фазы достигает нескольких десятков градусов.

6. Частотная избирательность. Ограничитель малых уровней мощности на основе ферритового резонатора является частотно-избирательным в том смысле, что различные по частоте компоненты сложного немонохроматического сигнала ослабляются не одинаково [159, 162]. Это связано с тем, что действие ферритового ограничителя основано на преобразовании энергии сигнала в энергию субгармонических колебаний. В ферритовом резонаторе существует большое число таких типов субгармонических колебаний, являющихся высокодобротными типами колебаний спиновых волн, не связанных друг с другом непосредственно и мало смещенных относительно друг друга по частоте так, что получается почти непрерывный спектр. Благодаря этому одновременно и независимо друг от друга может ограничиваться большее число сигналов, если только они отличаются по частоте не менее чем на величину, сравнимую с полосой возбуждения субгармоник. При этом частотно-избирательный ограничитель обладает следующими особенностями:

а) ограничитель не подавляет слабый сигнал, когда на него одновременно поступает сильный сигнал, претерпевающий ограничение и имеющий частоту, отличающуюся от частоты слабого сигнала на несколько мегагерц;

б) полная выходная мощность ослабленного сигнала зависит от числа насыщающих ограничитель сигналов (например, если ограничитель насыщается одиночным сигналом, мощность

которого равна 10 мквт, то при подаче на вход ограничителя трех насыщающих сигналов различных частот полная выходная мощность будет порядка 30 мквт);

в) при подаче на вход частотно-избирательного ограничителя нескольких насыщающих сигналов не наблюдается (в отличие от ограничителей других типов) генерации значительных по амплитуде гармоник с суммарными и разностными частотами.

7. Прохождение импульсных сигналов через ограничитель. Одним из недостатков ферритового ограничителя малых уровней мощности является импульсное просачивание мощности [163]. Наблюдается оно при уровнях мощности, превышающих пороговое значение, и проявляется в виде короткого выброса, сопровождающего начало процесса ограничения. Причиной выброса на переднем фронте ограниченного импульса является [159] то, что увеличение амплитуды субгармонических колебаний от уровня тепловых шумов до уровня, определяемого интенсивностью входного сигнала, происходит в течение конечного промежутка времени. Во время этого переходного процесса ограничение не происходит и возникает импульс просачивающейся мощности. Амплитуда и длительность пика просачивающейся мощности очень сильно зависят от амплитуды и крутизны переднего фронта сигнала, подаваемого на вход ограничителя. При прохождении импульсного сигнала через ограничитель, кроме пика просачивающейся мощности, на переднем фронте импульса после окончания входного импульса на его заднем фронте также возникает импульс [164]. Этот импульс содержит часть энергии, запасенной спиновыми волнами и возвращаемой после окончания входного импульса обратно в линию передачи за счет колебаний, обусловленных однородной прецессией. Измерение фазы показало, что импульс на заднем фронте сдвинут по фазе на 180° по отношению к остальной части выходного импульса [165].

8. Прохождение АМ-сигналов через ограничитель. Исследование прохождения АМ-сигналов через ферритовый ограничитель малых уровней мощности показывает [166], что при частотах модуляции, меньших устройство работает как ограничитель огибающей, уменьшая глубину модуляции более чем в два раза. При частотах модуляции-, превышающих указанную величину, устройство работает как частотноизбирательный ограничитель, который может не только уменьшать глубину модуляции, а наоборот, даже увеличивать ее. Указанное значение частоты модуляции связано с величиной добротности субгармонических видов колебаний в резонаторе, изготовленном из монокристалла железоиттриевого граната.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)