Устройства на основе ферритовых колец с различной геометрией катушек

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пщелко, Н.С. Использование полевых транзисторов для контроля характеристик диэлектриков [Текст]/Н.С. Пщелко, А.С. Мустафаев//Записки Горного института.-2010.-№° 187.-С.125-131.

2. Ханин, С.Д Модели прыжкового переноса и методы анализа электронных свойств неупорядоченных систем [Текст]/С.Д. Ханин//Изв. РГПУ им. А.И. Герцена. Сер. Естественные и точные науки.-2002. -№ 2(4).-С. 47-56.

3. Ханин, С.Д. Проблемы электрофизики ме-таллооксидных конденсаторных диэлектриков. [Текст]/С.Д. Ханин//Обзоры по электронной технике. Сер. 5. Радиодетали и радиокомпоненты.-1990.-Вып. 1 (1524).-57 с.

4. Khanin, S.D. Structure inhomogeneities of the oxide dielectric and the properties of tantalum capacitors [Текст]/ЗЛ. Khanin//Mater. Science Forum Passivation of metals and semiconductors. -Germany, Clausthal.-1995. -Vol. 185-188.-P. 573-580.

УДК 512.942 + 539.12; 539.21; 530.15

А. Эбанга, В.И. Тарханов

устройства на основе ферритовых колец с различной геометрией катушек

Кольцевые ферритовые сердечники широко используются в радиотехнике для обеспечения сильной магнитной связи между электрическими цепями [1]. Большая магнитная проницаемость и замкнутость магнитного потока позволяют создавать компактные трансформаторы, фильтры и другие элементы связи. В области высоких частот катушки таких элементов содержат малое число витков, что делает их простыми в изготовлении. Вместе с тем, сильная магнитная связь между электрическими цепями не всегда желательна и ее можно легко минимизировать. Цель работы состоит в том, чтобы показать, как, меняя форму или способ намотки катушек на ферритовое кольцо, можно существенно изменять характеристики самих элементов связи и свойства устройств, в составе которых они используются.

В статье рассматриваются два характерных примера катушек с измененной геометрией: градиентные катушки и катушки широкополосных трансформаторов [1]. Первый тип катушек представляет собой катушку, две одинаковые секции которой наматываются на диаметрально противоположных частях ферритового кольца в противоположном направлении. Это приводит к нарушению однородности магнитного потока в объеме кольцевого сердечника и к появлению двух узлов магнитного потока между указанными секциями. Размещение второй аналогичной катушки в узлах

магнитного потока первой приводит к минимизации магнитной связи между ними.

Такая конструкция из скрещенных градиентных катушек на общем кольцевом ферритовом сердечнике была использована нами в двух различных целях.

Первое применение она нашла при создании полосового фильтра для усилителя приемного тракта импульсного спектрометра ЯМР, предназначенного для работы с образцами литиевого феррита. Усилитель должен был обеспечивать усиление 40 дБ в полосе пропускания шириной в несколько мегагерц с центром около 70 МГц, а также обладать временем восстановления чувствительности менее 1 мкс.

Для сокращения времени восстановления чувствительности связь между каскадами усилителя была выбрана индуктивной [2]. Это исключало процесс перезаряда разделительных конденсаторов, характеризующийся большой постоянной времени. Чтобы расширить полосу пропускания до нескольких мегагерц, катушки индуктивной связи, которые представляли собой скрещенные градиентные катушки, намотанные на общем кольцевом ферритовом сердечнике К8х4х2 марки УВ-146, были введены в состав полосового фильтра с расстроенными контурами. Каждая секция градиентной катушки содержала по четыре витка провода ПЭВ-0,2, что облегчало ее локализацию

Рис. 1. Амплитудно частотная характеристика двухкаскадного усилителя на экране прибора Х1-42

По горизонтали отложена частота, по вертикали - нормированный на 1 коэффициент пропускания усилителя. Измерительная линия, выставленная по уровню 0,707, имеет одиночные метки через 1 МГц и сдвоенные метки через 10 МГц. Центральная сдвоенная метка соответствует частоте 70 МГц

на поверхности ферритового кольца. Ширина полосы пропускания задавалась величиной расстройки контуров полосового фильтра, которая регулировалась с помощью подстроечных конденсаторов, П-образная форма характеристики полосы пропускания усилителя достигалась за счет тонкой регулировки величины взаимной индуктивности катушек путем смещения секций одной градиентной катушки относительно узлов магнитного потока другой. Результат настройки контролировался по экрану измерителя амплитудно-частотных характеристик Х1-42. Оптимальное расположение секций на кольце фиксировалось клеем.

Пример амплитудно-частотной характеристики приемного тракта спектрометра с коэффициентом усиления 40 дБ и полосой пропускания 62-75 МГц по уровню 0,707 представлен на рис. 1. Время восстановления усилителя составило менее 0,2 мкс, что подтверждалось устойчивым наблюдением сигналов короткоживущего эха со временем поперечной релаксации Т2 = 1 мкс [2].

Время восстановления аналогичного усилителя с емкостной связью между каскадами составляло более 5 мкс.

В данном случае структурирование магнитных потоков в ферритовом кольце с помощью градиентных катушек позволило создать регулируемый элемент полосового фильтра с тонкой подстройкой величины взаимной индуктивности его катушек.

Другое применение этой же конструкции, но уже на кольце из обогащенного до 80 % изотопом 57Ре литиевого феррита, используемого в качестве рабочего вещества спинового эхо-процессора [3], позволило повысить эффективность режимов работы этого устройства функциональной электроники. Необходимость такого шага объясняется тем, что время продольной релаксации Т для ядер 57Ре в таком образце достигает 8 мс. Это значит, что время восстановления равновесного состояния в каждом цикле работы эхо-процессора составляет от 24 до 40 мс. Для увеличения частоты повторения рабочих циклов необходимо либо ис-

Рис. 2. Макет двухканального эхо-процессора на одном образце литиевого феррита

пользовать еще один образец, либо найти способ возбуждения данного образца, при котором он может работать в двух независимых каналах эхо-процессора. Для реализации именно такого способа возбуждения и была применена комбинация из двух взаимно перпендикулярных градиентных катушек.

Возможность такого подхода обусловлена тем, что литиевый феррит имеет поликристаллическую многодоменную структуру, в которой все пространственные ориентации внутрикристал-лического магнитного поля на ядрах равновероятны. В формировании эхо-сигналов принимают участие преимущественно ядра, расположенные в 180-градусных доменных границах, ширина которых достигает 1000 постоянных решетки. Для них коэффициент усиления при переносе внешнего радиочастотного поля на ядра составляет порядка 105. В этих условиях единственным выделенным направлением в пространстве оказывается ось катушки возбуждения, задающая направление линейной поляризации радиочастотного магнитного поля. Эхо-сигналы формируются с линейной поляризацией в направлении возбуждения. Поэтому для возбуждения и регистрации эхо-сигналов используют одну и ту же катушку [3].

Эксперимент проводился на макете, содержащем два идентичных приемных тракта, описанных выше, и две электродинамические системы в виде П-образных резонансных контуров. Внешний вид макета представлен на рис. 2.

Результат независимого возбуждения структурируемых градиентными катушками частей кольцевого образца представлен на рис. 3.

Нижний канал эхо-процессора возбуждается первыми двумя радиоимпульсами. Эхо-сигнал появляется только в этом канале. Второй канал в формировании эхо-сигнала практически не участвует. Верхний канал эхо-процессора возбуждается двумя радиоимпульсами сразу после наблюдения эхо-сигнала в нижнем канале. Сигнал первичного эха формируется только в этом канале. Различие в амплитудах эхо-сигналов объясняется различием в амплитудах возбуждающих радиоимпульсов. Для верхнего канала они были на 20 дБ слабее.

Полученный результат показывает, что если одновременное возбуждение обоих каналов явля-

Рис. 3. Последовательное возбуждение двух каналов эхо-процессора на экране двухканального осциллографа С1-99 Развертка по горизонтали 1 мкс/дел, чувствительность по вертикали 100 мкВ/дел

ется проблематичным, поскольку возбуждающие импульсы одного канала могут мешать наблюдению эхо-сигналов во втором, то поочередное их возбуждение позволяет, во-первых, сократить в два раза требуемое время восстановления равновесной намагниченности, а, во-вторых, обеспечить чередование разнородных операций обработки. Это дает возможность, например, оперативно изменять параметры согласованного фильтра [3], чередуя ЛЧМ сигнал с ФКМ сигналом в разных каналах эхо-процессора. При ширине линии ЯМР

2 МГц и времени поперечной релаксации Т2 = 2 мс максимальная база обрабатываемого сигнала составляет 2000, что представляет несомненный интерес в области радиолокации. Недостатком описанной конструкции является снижение на

3 дБ отношения сигнал-шум на выходе каждого из каналов эхо-процессора по сравнению с одно-канальным использованием того же образца из-за эффективного уменьшения объема рабочего вещества.

Другая разновидность катушек наматывается на кольцевом ферритовом сердечнике коротким отрезком кабеля, скрученным из двух или более изолированных проводов. Такое устройство известно в радиотехнике как широкополосный трансформатор [1]. Оно обладает тремя важными свойствами: обеспечивает перенос электромагнитных сигналов между электрически изолированными цепями; имеет широкую полосу пропускания, достигающую восьми октав [1], и задает «поляризацию» вторичных обмоток подключением одного из концов первичной обмотки к «земле». Это позволяет выбирать полярность включения вторичной обмотки, а значит, и полярность возбуждаемых в ней сигналов эдс индукции, и полярность вносимых ими во вторичную цепь токов, переносящих электромагнитные сигналы. Последняя степень свободы использована нами для создания устройства кодирования, позволяющего объединять восемь физических линий связи типа «витая пара» [4] в единую систему или сеть, и устройства декодирования, позволяющего восстанавливать исходные потоки электрических сигналов из смешанных состояний.

Цифра восемь выбрана не случайно. Она соответствует размерности базиса геометрической алгебры Клиффорда G3 0 [3], построенной на ортах трехмерного евклидова пространства. В работах [5-7] показано, что этот базис имеет два представления: мультивекторное и аддитивное, кото-

рые связаны между собой простыми линейными соотношениями. Мы использовали эти соотношения в качестве ключа при создании кодирующего и декодирующего устройств.

Смысл кодирования заключается в таком перераспределении потоков сигналов, поступающих с независимых кабелей первичного набора, чтобы по каждому кабелю вторичного набора проходили все восемь потоков сигналов, но с различными и линейно независимыми комбинациями направлений токов, переносящих эти потоки. Это достигается за счет электрической изоляции кабелей первичного набора от кабелей вторичного набора и перераспределения потоков электрических сигналов кодирующим устройством, в состав которого входят восемь специально сконструированных широкополосных трансформаторов.

Каждый трансформатор представляет собой семь витков кабеля из скрученных вместе девяти изолированных проводников из провода ПЭВ-0,2, намотанных на кольцевом сердечнике К10х6х4 из феррита Ф-2000. Один из проводников кабеля служит первичной обмоткой трансформатора и подключается к выходу одного из кабелей первичного набора линий связи. Восемь вторичных обмоток этого трансформатора делят приходящий на первичную обмотку поток электрических сигналов на восемь равных частей и вводят их в восемь вторичных линий связи. Вторичные обмотки разных трансформаторов соединяются последовательно с соблюдением полярности, предписанной соотношениями (5) работы [7]. Такой способ коммутации аналогичен способу формирования луч-сумм в рентгеновской компьютерной томографии [8], но реализуется в отношении потоков электрических сигналов, а не их отдельных составляющих. Особенность процесса кодирования состоит в том, что только для одного из исходных потоков сигналов все восемь составляющих тока в кабелях вторичного набора оказываются одной направленности (полярности). Для каждого из семи других потоков четыре составляющих тока передаются с одной направленностью (полярностью) и четыре - с противоположной. В результате создаваемые ими магнитные поля как в окружающем пространстве взаимно гасятся (деструктивно интерферируют). Это защищает передаваемые по ним потоки сигналов от несанкционированного доступа.

Ключом для реконструкции исходных потоков электрических сигналов является переход

Рис. 4. Макет комбинированной линии связи для передачи данных в томографическом формате

из аддитивного базиса в мультивекторный. Для этого используется декодирующее устройство, в состав которого входит набор из восьми таких же широкополосных трансформаторов. Однако эти трансформаторы включаются в противоположном направлении. Полярность подключения вторичных обмоток каждого трансформатора к выходам кабелей вторичного набора определяется соотношениями (6) работы [7]. Порядок реконструкции потоков электрических сигналов, передаваемых по линиям первичного кабеля, произволен.

Экспериментальная проверка работоспособности кодирующего и декодирующего устройств проводилась на макете, внешний вид которого представлен на рис. 4.

Справа и слева расположены разъемы, к которым подключаются обычные линии связи типа витая пара. Один из выводов каждой такой линии соединен с землей. Центральный ряд разъемов позволяет наблюдать электрические сигналы во вторичной линии связи. Эти разъемы изолированы от земли. Ферритовые кольца широкополосных трансформаторов располагаются снизу и экранируются алюминиевой фольгой.

При правильной коммутации выводов вторичных обмоток трансформаторов поток электрических сигналов с каждой первичной линии связи слева передается по всем восьми линиям связи вторичного кабеля, но выводится только на одном из разъемов справа и наоборот. В качестве тестовых потоков сигналов использовались гар-

монические сигналы, меандры, последовательности импульсов, музыкальные мелодии с плеера, радиоприемника и из Интернета, а также сигналы, имитирующие белый шум. Для удобства они выбирались преимущественно в звуковом диапазоне частот с амплитудой порядка 100 мВ. Прохождение сигналов через комбинированную линию связи контролировалось визуально на экране осциллографа С1-99 и на слух при воспроизведении через динамик.

Результаты экспериментов показали, что передача по вторичному набору кабелей только одного потока сигналов приводит к его реконструкции только в одном из восьми широкополосных трансформаторов декодирующего устройства. На остальных выходах декодирующего устройства амплитуда выходных сигналов не превышает уровня собственного шума регистрирующего устройства, величина которого оценивается в 4 мкВ. Эти сигналы не прослушиваются и через динамик на выходе усилительного тракта акустической системы.

Аддитивное смешивание кодирующим устройством потоков гармонических, импульсных, музыкальных и шумовых сигналов, передаваемых в общем диапазоне частот, делает их труднодоступными для акустического и визуального восприятия в кабелях вторичного набора, а также для разделения стандартными методами обработки сигналов. В то же время декодирующее устройство уверенно разъединяет их на исходные потоки сигналов в реальном масштабе времени и без заметных искажений.

Интересно, что реализуемая в декодирующем устройстве разновидность конструктивной интерференции никак не связана с фазами передаваемых сигналов и со степенью их когерентности. Она определяется только однонаправленностью токов, переносящих поток сигналов во всех восьми вторичных обмотках декодирующего широкополосного трансформатора. Это позволяет говорить о новом типе бинарных операций, выполняемых широкополосным трансформатором над произвольными потоками электрических сигналов, которые реализуются на уровне базисных элементов [7].

Описанное устройство является пассивным. Оно не требует затрат энергии на выполнение описанных преобразований над потоками информационных электрических сигналов.

Устройство симметрично и допускает одновременную передачу потоков сигналов в противоположных направлениях.

Разрыв одной из линий связи внутри комбинированного кабеля не приводит к потере одного из восьми потоков сигналов. Все восемь потоков попадают к своим адресатам, однако каждый из адресатов замечает появление шумовой дорожки с амплитудой в 1/8 от амплитуды передаваемых сигналов. Это объясняется тем, что в этом случае конструктивная и деструктивная интерференция составных частей потоков реализуются не полностью. Появление шумовой дорожки не зависит от направления передачи потоков сигналов. Это обстоятельство может служить индикатором появления неисправности обобщенного канала связи или акта несанкционированного вторжения.

Описанное устройство представляет интерес для создания защищенных от внешних помех и от утечки информации фрагментов линий передачи данных длиной до 400 м с полосой пропускания до 1 ГГц. Полоса пропускания ограничивается полосой пропускания кабеля типа «витая пара». Дополнительное экранирование кабеля не требуется.

В статье описаны устройства, в основе работы которых лежит использование ферритовых колец с катушками различного типа. Показано, что

скрещенные градиентные катушки на феррито-вом кольце позволяют минимизировать магнитную связь между цепями и тонко подстраивать ее величину. В случае ферритового образца эхо-процессора это обеспечивает возможность формирования двух независимых каналов обработки информации на одном образце, что способствует повышению эффективности режимов его работы. В то же время поляризационные свойства обмоток широкополосных трансформаторов позволяют создавать пассивные устройства обработки информации, выполняющие операции над потоками электрических сигналов независимо от их содержания. Рассмотрен пример таких преобразований в восьмиэлементной линии связи, приводящий к изменению образов передаваемых потоков сигналов при изменении базиса их представления. Полезным эффектом оказывается защита от несанкционированного доступа и от внешних электромагнитных помех на фрагментах линии длиной до 400 м, ограничиваемых свойствами кабеля типа «витая пара». Особого внимания заслуживает предложенный способ аддитивного смешивания пассивным кодирующим устройством произвольных потоков сигналов, включая шумовые, с последующим чистым разделением их пассивным декодирующим устройством в реальном масштабе времени. Указанные устойства не имеют аналогов среди устройств других типов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рэд, Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. Схемы, блоки, 50-омная техника [Текст]/Э. Рэд.-М.: Мир, 1990.-229 с.

2. Черемисин, С.М. Усилитель промежуточной частоты с быстрым восстановлением [Текст]/С.М. Че-ремисин//ПТЭ.-1976.-№° 3.-С. 118-119.

3. Тарханов, В.И. Геометрическая алгебра, ЯМР и обработка информации [Текст]/В.И. Тарханов.-СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2002.-214 с.

4. Горшкова, Л. Среды передачи данных [Электронный ресурс]/Л. Горшкова, Г. Ефимов, Сетевой журнал. -2000. -№ 5//http://www.setevoi.ru/cgi-bm/text. pl/magazines/2000/5/82

5. Ebanga, A. Additive basis for multivector information [Текст]/У! Tarkhanov, A. Ebanga//Proc. SPIE.-Jan.

2007.-Vol. 6594A.

6. Ebanga, A. Information in eight dimensions: structuring and processing [Текст]/А. Ebanga, V.I. Tarkhanov// Proc. SPIE.-2008.-Vol. 7006, 70060P.

7. Эбанга, А. Паравекторная логика операций на состояниях геометрического байта [Текст]/А. Эбанга, В.И. Тарханов//Научно-технические ведомости СПбГПУ Сер. Информатика. Телекоммуникации. Управление.-2008.-№° 3 (59).-С. 278-283.

8. Эбанга, А. Томографическое управление потоками информации в многомерном канале связи [Текст]/А. Эбанга, В.И. Тарханов//Молодые ученые -промышленности Северо-Западного региона. Матер. конф. Политехнического симп. 2006.-СПб.: Изд-во По-литехн. ун-та.-С. 66-67.