VILNIAUS UNIVERSITETAS Rdiofiikos ktedr Ferognetinis reonnss feritinie rutuliuke Mikrobngų fiikos lbortorinis drbs Nr. 12 Pruošė doc. V. Klesinsks Vilnius 25
2 MIKROBANGŲ FIZIKOS LABORATORIJA Turinys Metodinii nurodyi... 4 NEAPGRĘŽIAMIEJI FERITINIAI MIKROBANGŲ ĮRENGINIAI... 5 Ferognetinis reonnss... 5 Mikrobngų feritinii filtri... 9 Litertūr... 1
Ferognetinis reonnss feritinie rutuliuke 3 Lbortorinis drbs Nr. 12 Ferognetinis reonnss feritinie rutuliuke Drbo tiksls. Susipžinti su nepgręžiųjų feritinių ikrobngų įrenginių veikio principis ir ištirti ferognetinį reonnsą feritinie rutuliuke. Drbo užduotis 1. Ištuoti ferognetinio reonnso rutuliuke džnio priklusoybę nuo išorinio gnetinio luko stiprio. Tyrius tlikti 12 18 G džnių intervle. Apskičiuoti šią priklusoybę ki vidinio išgnetinnčiojo luko stipris yr 358 1-6 A/. 2. Ištuoti ferognetinio reonnso juostos plotį. Mtvius tlikti vien ikrobngų džniui. Įvertinti reontorius kokybę. Pgl šį reulttą pskičiuoti gnetinio oento relkscijos trukę. Atsiskitnt pteikii šie reultti: 1. Ferognetinio reonnso džnio priklusoybės nuo gnetinio luko stiprio tvių ir skičivių grfiki. 2. Ferognetinio reonnso kreivės prie fiksuoto ikrobngų džnio tvių grfiks. 3. Reontorius kokybės ir gnetinio oento relkscijos trukės skičivių reultti. Litertūr 1. Специальный физический практикум. Ч. 3.под ред. А.А. Харламова. Москва: Моск. Унив. 1977 С. 77-95. 2. V. Ivšk. Elektrognetinii reiškinii gnetikuose. Vilnius: VU 1989 18 p. 3. А.Г. Гуревич. Ферриты на сверхвысоких частотах. - Москва: ГИФМЛ 196 С. 13-26 41-64. 4. А.А. Преображенский Е.Г. Бишард. Магнитные материалы и элементы. Уч. Пособ. Москва: ВШ. 1986 352 с. 5. А. Д. Григорьев. Электродинамика и техника СВЧ.- Москва: Высшая школа 199. С. 314-316.
4 MIKROBANGŲ FIZIKOS LABORATORIJA Metodinii nurodyi Mikrobngų genertorius Γ4-78 Feritinis reontorius su elektrognetu ir detektoriui Indiktorius C1-67 Φ 195 I 1 Grubus srovės šltinis TEC 88 I 2 Tikslus srovės šltinis Б5-45 1U pv. Struktūrinė tyrių įrenginio sche. Aukšto džnio signls (1U pv.) iš ikrobngų genertorius ptenk ždinnčiąją kilpelę (2U pv. ()) o suždints dėl įgnetinto feritinio rutuliuko A per stteną pirji kilpelę ntrinėje linijoje detektuojs detektoriui D ir jo gubtinė ptenk į indiktorių. Detektorius pkrovos vrž R = 1 kω. Mgnetinis luks kuris elektrognetu kurie yr dvi pvijos grubioji ir tikslioji. Kiekvieni jų itinti nudoji tskiri srovės šltinii. Apvijų sukurts luks = 1 + 2. Luki yr tiesiški proporcingi pvijų srovės: 1 = k 1 I 1 2 = k 2 I 2 o k 1 = 18 1 4 [1/]; k 2 = 28 1 3 [1/]. Eksperientą tlieke tip. Sujungie prietisus ir įjungie indiktorių. Grubiąją srovę nusttoe 65 A o tiksliąją 1 A. Įjungie genertorių ir nusttoe ksilią glią. Keisdi džnį surnde ferognetinį reonnsą. Nusttoe reonnsinį džnį. Pirąją užduotį tlieke nudodi tikslųjį srovės šltinį I 2. Grubiojo šltinio srovė I 1 prenk tokiu būdu kd didinnt I 2 intervle nuo iki 5 A gutue iškų reonnsinio džnio kitią. Tokiu būdu gun priklusoybė ν = f( ). Pgl žinoą vidinio išgnetinnčiojo luko stiprį iš pskičiuoj teorinė reonnsinio džnio priklusoybė nuo gnetinio luko: ν = γ( - iš ). Antroji užduotis tliek psirinkus reonnsinį džnį ir srovę I 1 tokius kd keičint I 2. gutue reonnsinę kreivę pnšią į pteiktą 2U (b) pveikslėlyje: D P iš 1 P in A R Į indiktorių 5 ) re b) 2U pv. Feritinio rutuliuko ždinis () ir perduodos glios priklusoybė nuo įgnetinnčio luko stiprio (b). Iš gutos reonnsinės kreivės nustto ir pskičiuoj gnetinio oento relkscijos trukė τ =1/(αγ re ). Či =2α re iš kurios gune α= /(2 re ).
Ferognetinis reonnss feritinie rutuliuke 5 NEAPGRĘŽIAMIEJI FERITINIAI MIKROBANGŲ ĮRENGINIAI Šiuolikiniuose ikrobngų įrenginiuose plčii tikoos gnetinės edžigos - feriti (kristlinės struktūros etlų oksidų junginii). Jų įgnetėjio dydis (tūrio vieneto gnetinis oents) prikluso nuo etlo jonų elektronų gnetinių oentų sukopensvio. Trp šių elektronų vykst stipri pkitinė sąveik dėl kurios susidro tvrki gnetinių oentų orientcij ir tsirnd sviinis įgnetėjis. Mkroskopinės teorijos požiūriu feritų gnetinės svybės pnšios į ferognetikų svybes tčiu juose lisvųjų elektronų nėr ir dėl to jų svitoji vrž yr didelė ždug 1 5 1 13 Ω c. (Plyginiui geležies svitoji vrž yr 1-5 Ω c). Kintsis elektrognetinis luks į feritus prsiskverbi 1 5 1 9 krtų giliu negu į etlinius ferognetikus ir netgi ilietrini dipone sieki keletą centietrų. Dėl didelio įgnetėjio ir luko prsiskverbio gylio vykst stipri ikrobngų gnetinio luko sąveik su feritu. Šių edžigų pgrindu veiki vis eilė ikrobngų prietisų: 1) nepgręžiieji bngolidinii įrenginii pgrįsti nevienodo tiesioginės ir tglinės bngos sklidio sąlygois; 2) įrenginii su sprčii keičiis pretris (perjungiklii odulitorii perderinos reonnsinės sisteos). Visų šių įrenginių veikis pgrįsts niotropinėis įgnetinto ferito svybėis. Bngų sklidio sąlygos įgnetintuose ferituose prikluso nuo sklidio krypties ir nuoltinio gnetinio luko stiprio dėl to šis sąlygs gli keisti plčiose ribose. Ferognetinis reonnss Prieš prdėdi ngrinėti elektrognetinių bngų sklidią feritinėje plinkoje išsiiškinsie kip yr susieti kintojo luko gnetinė indukcij ir gnetinio luko stipris t.y. pibrėšie gnetinę skvrbą. T psinudosie įgnetėjio M judėjio lygtii kuri iš nlogijos su elektrono gnetinio oento judėjio lygtii užršo tip: či yr visų įgnetėjią veikinčių lukų su γ = M = γ M (1) t r B r s = e = 176 1 11 [C/kg] elektrono sukinio girognetinis sntykis e elektrono krūvis elektrono sė = 4π 1-7 [/]. Pngrinėsie svuosius įgnetėjio virpesius beglinėje feritinėje plinkoje įgnetintoje iki soties vienlyčiu nuoltiniu luku. Nesnt gnetinio luko ši plink yr iotropinė. Psirinksie stčikpę koordinčių sisteą kurios šis nukreipt išilgi nuoltinio gnetinio luko (1 pv.). Likydi kd svieji virpesii nuo liko prikluso pgl hroninį dėsnį užršysie įgnetėjią toki for: iωt M = M + e (2)
6 MIKROBANGŲ FIZIKOS LABORATORIJA kurioje ω yr svitsis sisteos džnis; M - nuoltinis įgnetėjio snds; -kintsis įgnetėjio snds. Įsttę (2) išrišką į (1) gune dvi lygtis: M = ; iω = γ. (3) Piroji nusko pusiusvyros sąlygą M o ntroji - įgnetėjio svyrvius pie pusiusvyros pdėtį. Užršę (3) sisteos ntrosios lygties projekcijs koordinčių šyse gune lygčių sisteą: iω + γ x γ = x + iω y y = = (4) kurioje x y įgnetėjio kintojo sndo projekcijos koordinčių šyse. Iš (4) lygčių sisteos suderinuo sek svitojo džnio išrišk ω =. (5) γ Ją įsttę į vieną iš (4) sisteos lygčių gune sąryšį trp tskirų įgnetėjio sndų =. (6) y i x Iš (5) ir (6) sek kd įgnetėjio svuosius virpesius sudro dešininė ciklinė įgnetėjio vektorius M precesij pie nuoltinį luką. Jos džnis ω (1 pv.). M M M/ t y x 1 pv. Įgnetėjio vektorius precesij. Pngrinėsie žus priverstinius įgnetėjio svyrvius. Feritinę plinką veiki iωt kintsis ir nuoltinis gnetinii luki t. y. = + h e. Pprsti kintsis luko snds būn dug žesnis už nuoltinį. Pirosios lygties sprendinio ieškosie tokie
Ferognetinis reonnss feritinie rutuliuke 7 pvidle: M M + iωt = e. (7) Kintojo gnetinio luko sndo žus reiški kd h << << M. (1) lygtį spręsie tiesini prirtėjie (tesie žus ntros eilės dydžius ir h tžvilgiu). b h + išreiški tip [1]: = Tuoet kintojo gnetinio luko indukcij ( ) bx = hx + i hy by = hx + i hy b = h. Tigi kintosios gnetinės indukcijos sąryšis su luku gnetinės skvrbos tenoriui (8) b = ) h išreiškis nesietriniu ) = i i. (9) Aplink kurios gnetinė skvrb pršo (9) pvidlo tenoriui yr vdin girognetine. Jeigu įskitoi nuostolii tuoet tenorius sndi yr kopleksinii: = i = i = i. Prktiški džniusii psitiko tveji ki feritinės plinkos nuostolii yr lbi ži todėl tskiri tenorius ) sndi užršoi tip [2]: ω ωm = 1+ ω ωm = ωωm = 2ω ω ωmω = = = = 2 2 2 ( ω ω + ω ) 2 2 2 ( ω + ω + ω ) 2 2 2 ( ω ω ω ) 2 2 2 2 2 ( ω ω ω ) + 4ω ω. Či ω M = γ M ω = γ ω = γ = αω nuostolių koeficients išreiškis reonnsinės džnių juostos pločiu. Išvednt (1) pritikyt žų nuostolių sąlyg: ω << ω. Iš (1) lygčių toe kd gnetinio tenorius sndi prikluso nuo įgnetėjio M kintojo luko džnio ω nuoltinio gnetinio luko ir nuostolių koeficiento ω. Tenorius sndų priklusoybė nuo džnio esnt fiksuot nuoltini gnetini lukui (1)
8 MIKROBANGŲ FIZIKOS LABORATORIJA ir nuo nuoltinio gnetinio luko - esnt pstovi džniui turi reonnsinį pobūdį (2 pv.). Pstrsis tvejis turi didžiusią prktinę nudą kdngi leidži keisti gnetinio tenorius sndų vertes lbi plčie intervle keičint nuoltinio gnetinio luko stiprį. Iš (1) lygčių ir 2 pv. toe kd esnt ω = ω ω ω = γ (11) re 2 2 tenorius sndi turi tokis vertes: re ωm = 1 + 2ω ωm + i 2 ω = i. M re ω 2ω / / /1 5 A/ /1 5 A/ 2 pv. Mgnetinės skvrbos tenorius sndų priklusoybė nuo gnetinio luko stiprio. Lbi džni ferito kokybei pibūdinti nudojs reonnsinės kreivės plotis kuris pibrėžis kip gnetinio luko verčių skirtus pusinie ksilios vertės lygyje. Psinudoję = i (1) ir re išriškois gune ω =. γ Mikrobngų dipone nudojies ferits vertės svyruoj intervle nuo keleto dešitųjų iki kelių šitų Erstedų [1Oe=1 4 G] (polikristlinis ferits). Mikrobngų įrenginiuose nudojos įvirios ferito sąveikos su kintuoju elektrognetiniu luku sąlygos. Piriusii pngrinėsie sąveiką su pskritiinės ± ± poliricijos lukis h y = ± ihx či pliuso ženkls žyi kirinę o inuso dešininę poliriciją šies tžvilgiu t.y. luko tžvilgiu. Iš (8) sek gnetinės indukcijos išrišk ± ± ± ( ) h b = ± ib ± b = y x. (12) Tigi jeigu feritą veiki išorinis pskritiiški poliriuots luks ti gnetinė indukcij turės tą pčią pskritiinę poliriciją o gnetinė skvrb bus sklirinis dydis. Tčiu jos vertė kirinei ir dešininei luko poliriciji skirisi. Jeigu dešininei poliriciji
Ferognetinis reonnss feritinie rutuliuke 9 gnetinė skvrb yr + = + ir turi reonnsinę priklusoybę nuo nuoltinio luko ir džnio ti kirinei poliriciji yr = ir silpni prikluso nuo luko [1]. Tip yr todėl kd svituoju įgnetėjio virpesiu yr dešininė pskritiinė precesij ir todėl ji stiprii sąveikoj su dešininės poliricijos luku o su kirinės poliricijos luku silpni. Reonnso etu sugertosios luko energijos dydį lei enosios gnetinės skvrbos dydis. Ki ω = γ precesijos džnis sutp su išorinio luko džniu ir sąveik trp dešininės poliricijos luko ir įgnetėjio yr stipriusi o ferito sugert energij didžiusi. Kintojo ukšto džnio luko sugertis įgnetintuose ferituose yr vdin ferognetiniu reonnsu. Mikrobngų feritinii filtri Pgrindinis tokių filtrų eleents yr onokristlinis ferits džniusii itrio grnts. Kd būtų didesnė kokybė poliruoto pviršius ferits dros tikslios sferos rb disko foros. Tuoet jo reonnsinė kokybė sieki 1 4. Ferognetinio reonnso reiškinys kurio etu srkii išug įgnetėjio precesijos plitudė ir pdidėj sukupt ferite ikrobngos energij gli būti pnudotos sukurti reontoris kurių tenys nesusieti su elektrognetinių svyrvių bngos ilgiu o svsis džnis veikint feritą nuoltiniu gnetiniu luku keičisi plčiose ribose. Tokie reontorii sudro vldoų ikrobngų filtrų pgrindą. Tipinis feritinis reontorius ti yr rutulys rb disks kurio dietrs 5 15. Disko ukštis dug žesnis už dietrą. Svoji reontorius kokybė nusko ferognetinio reonnso kreivės pločiu ir soties įgnetėjiu M s. Sferini reontoriui [3] 1 M s Q = 3 (19) 2 kur išorinio gnetinio luko stipris. Ryšys trp feritinio reontorius 1 ir perdvio linijos 2 sudros kilpos 3 pglb (3 pv.) rb ptlpinnt reontorių į perdvio linijos elektrognetinį luką (3b pv.). ) b) 3 pv. Feritinio reontorius ryšys su perdvio linij sudros kilpos () ir krštinio luko (b) pglb. 3 pv. pviduotuose įrenginiuose reonnso etu dlis energijos iš perdvio linijos ptenk į reontorių ir ten išsklido. Todėl tokius įrenginius gli ngrinėti kip užtvrinius (režektorinius) filtrus. Norint sukonstruoti juostinius filtrus reiki feritinio
1 MIKROBANGŲ FIZIKOS LABORATORIJA reontorius pglb susieti dvi perdvio linijs kurios nesnt reonnso trpusvyje nėr susietos. Tokio filtro konstrukcij prodyt 4 pv. P iš P in ) b) 4 pv. Juostinis feritinis filtrs ir jo džninė chrkteristik. Juostinį filtrą sudro dvi trpusvyje sttenos kilpos (4 pv. ) trp kurių norliois sąlygois nėr ryšio. Arti ferognetinio reonnso feritinie reontoriuje suždins pskritiinės poliricijos gnetinis luks dėl kurio tsirnd ryšys trp kilpų (perdvio linijų). Litertūr 1. А. Г. Гуревич. Ферриты на сверхвысоких частотах. - Москва: ГИФМЛ 196 С. 13-26 41-64. 2. V. Ivšk. Elektrognetinii reiškinii gnetikuose. Vilnius: VU 1989 18 p. 3. А. Д. Григорьев. Электродинамика и техника СВЧ.- Москва: Высшая школа 199. С. 314-316.