ГЕЛИКОНОВЫЕ ВЕНТИЛИ

July 24, 2012 by admin Комментировать »

Вунтесмери В. С. Национальный техничнский университет Украины “Киевский политехнический институт” Проспект Победы 37, Киев 03056, Украина Тел: +38 (044) 219-1824, e-mail: vladimir@vountesmery.org.ua


Аннотация Рассмотрены основные схемы геликоновых вентилей метрового и декаметрового диапазонов волн. Приведены расчетные и экспериментальные характеристики вентилей. Определена область применения геликоновых вентилей для развязки в радиотехнической аппаратуре.

I.  Введение

Геликоновые вентили являются аналогами ферритовых вентилей СВЧ и работают на частотах ниже 100 МГц, где аналогичные ферритовые устройства не работают .В отличие от ферритовых устройств, которые используют гиромагнитные среды с тензорной магнитной проницаемостью, в геликоновых устройствах используют гироэлектрические среды с тензорной эквивалентной диэлектрической проницаемостью. Такой средой является плазма полупроводника, помещенного во внешнее постоянное магнитное поле В0. Работа геликоновых вентилей основана на использовании невзаимных эффектов распространения поляризованных по кругу геликоновых волн в замагниченной полупроводниковой плазме.

II.  Основная часть

Основным конструктивным элементом вентиля является геликоновый резонатор, который представляет собой плоскопараллельную пластину из материала с высокой подвижностью носителей заряда, с двумя ортогонально включенными катушками индуктивности. Внешнее магнитное поле направлено перпендикулярно пластине. Различные схемы включения резонатора позволяют строить вентили по схемам невзаимного фильтра нижних частот, незаимного фильтра верхних частот, невзаимного полоснопропускающего, и невзаимного полоснозаграждающего фильтра [1].Вентили, построеные по схемам невзаимного фильтра нижних частот [2,3] и невзаимного фильтра верхних частот [4] являются узкополосными, имеют рабочую полосу частот по уровню обратного затухания 15дБ не более 8% и могут найти применение при работе на фиксированых частотах. Современные помехозащищенные системы связи работают в широкой полосе рабочих частот. Более широкополосными являются вентили, реализованные по схеме невзаимного полоснозаграждающего фильтра [5]. Эта схема является комбинацией двух первых и позволяет расширить полосу рабочих частот до 30%. Потери в прямом направлении для такой схемы достигают на практике 2.5… ЗдБ. Поэтому такие вентили пригодны, например, для развязки маломощных генераторов в измерительных стендах.

Предложеный нами вентиль [6] по схеме невзаимного полосно-пропускающего фильтра имеет расширенную полосу рабочих частот при меньших прямых потерях. Дальнейшее расширение полосы рабочих частот до октавы может быть достигнуто каскадным включением вентилей.

Для расчета характеристик вентилей рассмотрим модель геликонового резонатора с ортогонально намотанными катушками индуктивности (Рис.1). В полупроводниковой плазме возбуждаются поляризованные по кругу геликоновые волны, которые рас

пространяются вдоль направления внешнего постоянного магнитного поля с коэффициентами распространения [7]

где СО = 27tf круговая частота, |ДП = 47Г-10 7Гн/м

–      магнитная постоянная, о = Пее|Дп удельная проводимость материала резонатора, пе концентрация электронов, е заряд электрона, |ДП подвижность

носителей (электронов), и = |ДПВ(1 показатель за-

магниченности материала резонатора.

Для наиболее широко используемого полупроводника n-lnSb фазовые скорости геликоновой волны в 104 раз меньше скорости света. Таким образом, возможен полуволновой резонанс правополяризованных геликоновых волн в метровом и декаметровом диапазонах для пластины толщиной в несколько

Рис. 6. Частотные характеристики широкополосного вентиля

Fig. 6. Ampiitude-frequency response of broadband isolator

На рис.4 представлены результаты расчета коэффициентов передачи в прямом и обратном направлениях для геликонового вентиля по схеме рис.З. Точками отмечены результаты эксперимента.

Как видно из рисунка, полоса рабочих частот на уровне обратного затухания 15 дБ составляет 25%. Экспериментальные прямые потери несколько больше чем теоретические, что можно объяснить тем, что в теории учтены не все возможные механизмы затухания геликоновых волн. Каскадное включение двух вентилей как показано на рис.5 расширяет полосу рабочих частот до октавы Типичные расчетные характеристики такого вентиля показаны на рис. 6.

Вентили, разработаные по схеме рис.З имеют следующие параметры: Диапазон рабочих частот –

1..     ..     100МГц, Потери в прямом направлении –

0.      8….1.5 дБ, Обратное затухание на средней частоте

–       20….25 дБ, Полоса частот на уровне обратного затухания 15 дБ 20….40 %,Рассеиваемая мощность –

5..    ..      15 Вт, Диапазон рабочих температур –

200..                   ..+50°С,        масса 0.2….0.5 Кг. Основной вклад в масу вентиля дает магнитная система, обеспечивающая магнитные поля 1.2….1.5 Тл. Для вентилей с мощностью рассеяния меньше 1 Вт при увеличении прямих потерь до 3 дБ габариты и вес в метровом диапазоне могут быть существенно уменьшены.

Возможные области применения геликоновых вентилей в метровом и декаметровом диапазонах волн: для защиты передатчика при изменении входного сопротивления нагрузки (вплоть до обрыва антенны), развязка передатчиков с близкими или перекрывающимися частотами при работе на одну антенну, уменьшение интермодуляционных искажений двух близко расположенных передатчиков с близкими или перекрывающимися частотами , для дополнительного подавления излучения гетеродина приемника, для развязки генератора в измерительных и испытательных стендах.

IV.  Список литературы

[1]    В. С. Вунтесмери, Ю. В. Завражнов, Г. П. Красилич,

Е. Е. Мещеряков. Полупроводниковые вентили для радиопередатчиков КВ и УКВ диапазонов.-Теория и техника радиосвязи 1993, вып.1, с.132.

[2]    J. Gremillet. Propagation des ondes metriques et decametriques dans ies semi-conducteurs et presence d’une induction magnetique continue. Effect "Helicon" -Annales de Radioelectricite, 1964, No. 76, p.122

[3]    P. Б. Толутис. О свойствах полупроводниковых ВЧвентилей на эффекте размерного резонанса электромагнитных магнитоплазменных волн.-Радиотехника и Электроника, 1978, т.23, №3, с.608.

[4]    Г. П. Красилич. Полупроводниковый вентиль метрового диапазона волн. Изв.вузов Радиоэлектроника, 1976, т.19, №3, с.122.

[5]    V. S. Vountesmery, У. V. Vountesmery Broadband Helicon Isolator For Meter and Decameter Wave Ranges, Proceedings of the XIII International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications, Poland, Wroclaw, May 22-24, 2000.

[6]    Вунтесмери В. С. Вентиль / А.с. .№ 1626280. БИ №5.-1991 г.

[7]    А. А. Бокринская, В. С. Вунтесмери, Г. П. Красилич Радиотехнические устройства на основе геликоновых волн, Киев: "Вища школа", 1984, 88 с.

Vountesmery V. S.

Department of Radio Engineering,

Institute of Telecommunications,

National Technical University of Ukraine ‘Kyiv Polytechnical Institute’

37 Prospekt Peremogy, Kyiv, Ukraine, 03056 phone +380(44) 2191824 e-mail: vladimir@vountesmery. org. ua

Abstract Basic schematics of meterand decameter-wave helicon isolators are considered. Calculated and experimental performance of isolators is presented. The range of application of helicon isolators for decoupling purposes in a radio engineering equipment is defined.

I.  Introduction

Helicon isolators are similar to microwave ferrite isolators and can operate at frequencies below 100 MHz. The operation of helicon isolators is based on nonreciprocal effects of distribution of circularly polarized helicon waves in magnetized semiconductor plasma.

II.  Main part

The principal structural component of the isolator is a helicon resonator which is a plane-parallel slice of a high carrier mobility material with two orthogonally coupled inductance coils. The external magnetic field B0 is normal to the slice. The isolators manufactured according to the schematics of a nonreciprocal low-pass filter [2,3] and a nonreciprocal high-pass filter [4] are narrow-band ones with an operating frequency range below 8% at the level of an inverse damping of 15dB, and may find applications at fixed frequencies. Isolators with a wide up to 30% operating range realized according to the nonreciprocal band-rejection filter schematics are described in [5]. The isolator proposed in [6] manufactured according to the schematics of a nonreciprocal band-pass filter has an extended operating frequency band at smaller direct losses. A further (up by an octave) extension of the operating frequency range may be achieved by cascading the isolators.

To calculate the performance of isolators consider a model of helicon resonator with orthogonal inductance coils (Fig. 1). In semiconducting plasma circularly polarized helicon waves are excited which spread along the direction of an external constant magnetic field with the propagation factors [7].

Since the coupling between inductances occurs via a magnetic field, it would be expedient to present the coupling between the magnetic field of the coils (1) and the averaged field of the standing helicon wave in the resonator as a tensor of an effective relative magnetic permeability by expressing it through a tensor of an effective magnetic susceptibility. This device represents a nonreciprocal transformer.

The circuit model of a nonreciprocal transformer disregarding the end-point conductivity of coils and parasitic capacitances is shown in Fig. 2. With these schematics we can find a matrix of S-parameters for any type of coupling.

In Fig. 4 the frequency response of transmission factors in forward and reverse directions for a helicon isolator manufactured according to the schematics in Fig. 3 is presented. Experimental results are indicated by dots. As shown in the figure, the operating frequency range at the 15dB level of the inverse damping is 25%. The cascade coupling of two isolators, as shown in Fig. 5, expands the operating frequency band up to an octave. Typical calculated characteristics of this isolator are shown in Fig. 6.

III.  Conclusion

Possible applications of helicon isolators in the meterand decameter-wave bands could be as follows: to protect transmitters against the varying input resistance of a load (up to antenna break), to decouple the antenna-sharing transmitters operating at closely spaced or overlapping frequencies, to decrease the intermodulation distortions between two adjacent transmitters operating at closely spaced or overlapping frequencies, to suppress further emissions of the receiver heterodyne, to decouple oscillators used in measuring and test benches.


Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты