ДАТЧИК СВЧ МОЩНОСТИ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ

Полезная модель относится к области техники СВЧ и может быть использована в радиолокации, радиосвязи и измерительной технике преимущественно для измерения больших мощностей СВЧ сигнала.
Существующие датчики СВЧ мощности (диодный детектор, датчик Холла, термисторная головка и др.) обладают рядом недостатков: нелинейность в сильных магнитных полях, узкий динамический, частотный и температурный диапазоны, необходимость подачи питающего напряжения, низкая стойкость к статическому электричеству и радиоактивным излучениям. Одним из перспективных направлений совершенствования датчиков СВЧ мощности является использование магнитоэлектрических (МЭ) материалов (см. Bichurin M.I., Petrov V.M., Petrov R.V., Kapralov G.N., Bukashev F.L, SmirnovA. Yu., Tatarenko A.S. Magnetoelectric Microwave Devices // Ferroelectrics 2002. Vol. 280. P. 213-220), применение которых позволяет улучшить характеристики устройств, расширить их функциональные возможности, создать датчики со свойствами, недостижимыми в датчиках других типов.
Известен датчик СВЧ мощности (см. а.с. SU №1188666, G01R 21/04, опубл. 30.10.1985), содержащий чувствительный элемент в виде отрезка трубы, установленного между первым и вторым отрезками круглого волновода, отличающийся тем, что, с целью раздельного измерения проходящей и отраженной СВЧ мощности при сохранении структуры СВЧ поля, отрезок трубы разделен на две части металлической пластиной с отверстием, в котором соосно первому и второму отрезкам круглого волновода установлен третий отрезок круглого волновода, внешний диаметр которого в центральной части совпадает с диаметром отверстия в металлической пластине и плавно уменьшается к периферии, при этом первый и второй отрезки круглого волновода выполнены расширяющимися и торцами большего диаметра состыкованы с торцами отрезка трубы.
К недостаткам датчика СВЧ мощности относятся узкий динамический диапазон и малый уровень измеряемой мощности.
Известен датчик СВЧ мощности (см. а.с. SU №1681277, G01R 21/04, опубл. 30.09.1991), содержащий отрезок круглого волновода, диэлектрическую втулку резонансных размеров с наружным диаметром равным внутреннему диаметру волновода, а внутренний диаметр диэлектрической втулки выполнен увеличивающимся от средней части к торцам. Часть СВЧ энергии поглощается диэлектрическим вкладышем, что вызывает его нагрев, который приводит к изменению резонансной частоты резонатора. Измерение мощности СВЧ сводится к измерению резонансной частоты резонатора.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является селективный детектор СВЧ-мощности, состоящий из диэлектрической подложки, чувствительного элемента, размещенного в поле постоянного магнита и полупроводникового элемента, при этом чувствительный элемент выполнен в форме диска из композита состава феррит - сегнетоэлектрик - планарный полупроводниковый диод, причем круговая поляризация магнитного СВЧ поля создана полосковыми шлейфами длиной λ/2 и λ/4, при этом подмагничивающее резонансное поле создано постоянным магнитом в форме диска, прикрепленным с обратной стороны платы, а на подложке установлены разделительные конденсаторы, фильтры низких частот, а также шины управляющего и выходного сигналов, (см. RU №2451942, G01R 21/01, опубл. 27.05.2012) - прототип.
Недостатками известных датчиков являются узкая рабочая полоса частот, ограниченные функциональные возможностии малый уровень измеряемой мощности.
Задачей полезной модели является существенное увеличение измеряемой СВЧ мощности.
Поставленная задача достигается тем, что датчик СВЧ мощности магнитоэлектрический на основе тороидального резонатора, содержит чувствительный элемент, размещенный в пучности электрического СВЧ поля тороидального резонатора и в магнитном поле постоянного магнита, при этом чувствительный элемент выполнен в форме слоистой структуры из магнитоэлектрического (МЭ) композита состава феррит-сегнетоэлектрик и планарного полупроводникового диода.
Датчик СВЧ мощности магнитоэлектрический представляет собой конструкцию, содержащую тороидальный резонатор и чувствительный элемент, выполненный из слоистой феррит-сегнетоэлектрической-полупроводниковой структуры.
Отличие датчика СВЧ мощности магнитоэлектрического состоит в том, что он содержит чувствительный элемент, размещенный в пучности электрического СВЧ поля тороидального резонатора и в магнитном поле постоянного магнита, при этом чувствительный элемент выполнен в форме слоистой структуры из МЭ композита состава феррит-сегнетоэлектрик и планарного полупроводникового диода. Основными преимуществами датчика СВЧ мощности магнитоэлектрического являются: расширенные функциональные возможности, высокий уровень измеряемой СВЧ мощности.
Для пояснения полезной модели предложен чертеж. На фиг. 1 представлена конструкция датчика СВЧ мощности магнитоэлектрического, где:
- МЭ элемент,
- тороидальный резонатор,
- планарный полупроводниковый диод,
- постоянный магнит,
- выходное отсчетное устройство.
МЭ элемент 1 помещен в пучность переменного электрического поля в тороидальном резонаторе 2 и одновременно находится в поле постоянного магнита 4. Планарный полупроводниковый диод 3 располагается непосредственно на поверхности МЭ элемента. Детектированный выходной сигнале омических контактов планарного диода, образованных металлизированными проводящими пленками, поступает на выходное отсчетное устройство 5. Величина резонансного подмагничивающего поля будет определять рабочую частоту датчика. Представленный датчик работает на фиксированной частоте, определяемой величиной постоянного магнитного поля и собственной резонансной частотой тороидального резонатора. При использовании электромагнита, и механической перестройки тороидального резонатора можно изменять рабочую частоту датчика.
погл
1
1
эфф
В основе работы датчика СВЧ мощности магнитоэлектрического лежит метод измерений в диапазоне СВЧ, использующий электродипольные переходы, заключающийся в измерении мощности, поглощаемой материалом, помещенным в пучность электрической составляющей СВЧ поля. При этом поглощаемая мощность связана с магнитным моментом, индуцированным в материале посредством МЭ взаимодействия. Данный метод не требует знания внутренней структуры тензора МЭ восприимчивости. При наблюдении электродипольных переходов образец помещается не в пучность магнитной составляющей СВЧ поля, как это имеет место в случае магнитодипольных переходов (см. Ludwig G.W., Ham F.S. Electrically induced transitions between spin levels // Phys. Rev. Lett. 1962. Vol. 8. P. 210-212), а в пучность электрической составляющей СВЧ поля. Поглощение мощности может быть описано с помощью эффективного магнитного СВЧ поля, обусловленного МЭ взаимодействием (см. Bichurin M.I., Petrov V.M. Srinivasan G. Theory of Magnetoelectric Effects in Ferromagnetic Ferroelectric layer Composites // J. Appl. Phys, 2002. Vol. 92, №12, P. 7681). При этом поглощенная мощность так же, как и в случае магнитодипольных переходов, определяется известным выражением P=kh, где k - коэффициент, зависящий от формы и магнитных свойств образца. Для диска, намагниченного перпендикулярно, или сферического образца: , для диска, намагниченного касательно,  где: ΔH - полуширина резонансной линии ФМР, V - объем образца. Таким образом, для определения СВЧ мощности используется МЭ-восприимчивость.
-2
Поглощенная образцом мощность СВЧ определяется параметрами линии поглощения по аналогии с магнитодипольными переходами, однако отношение МЭ-восприимчивости к магнитной восприимчивости составляет 10 Э·см/кВ, что и позволяет измерять большие СВЧ мощности без насыщения чувствительного элемента.
Устройство работает следующим образом. СВЧ сигнал, уровень мощности которого необходимо детектировать, подается на вход устройства. Чувствительный элемент располагается в пучности переменного электрического поля в тороидальном резонаторе 2 и одновременно находится в поле постоянного магнита 4. Амплитуда электрической составляющей СВЧ поля, действующего на чувствительный элемент, определяется величиной МЭ восприимчивости композита. Электрическая компонента СВЧ поля детектируется распределенным p-n переходом. С омических контактов планарного диода, образованных металлизированными проводящими пленками сигнал поступает на выходное отсчетное устройство 5, где детектируется постоянное выходное напряжение, пропорциональное падающей мощности.
Предложенная конструкция датчика СВЧ мощности магнитоэлектрического позволяет измерять большие СВЧ мощности.