УСТРОЙСТВО ОРИЕНТАЦИИ ЖИГ-СФЕРЫ

Устройство ориентации ЖИГ-сферы является программно-аппаратным комплексом на основе шагового привода и системы сбора данных, управляемых программой, которая позволяет производить юстировку ЖИГ-резонатора в заданном направлении магнитного поля в различных устройствах - генераторах, усилителях, смесителях и других.
Известно устройство для измерения параметров монокристаллов, включая ЖИГ-сферы, в котором ЖИГ-сфера закреплена на диэлектрическом держателе и размещена в максимуме высокочастотного переменного магнитного поля в прямоугольном волноводном резонаторе. Другой конец диэлектрического держателя закреплен на оси зубчатого колеса, которое вращается с помощью зубчатой передачи, вращение ЖИГ-сферы происходит относительно фиксированного направления приложенного магнитного поля. Кристалл, из которого изготовлена ЖИГ-сфера, ориентируют на конце диэлектрического стержня так, чтобы нормаль к плоскости (110) совпадала с осью вращения стержня [Tannenwald Р.Е., http://Techn.Rep.71, MIT Lincoln Lab., September 1954; Б. Лаке, К. Баттол «Сверхвысокочастотные ферриты и ферримагнетики». Перевод с английского под ред. А.Г. Гуревич, М. «МИР», 1965, с. 418].
Недостатком является низкая точность ориентации ЖИГ-сферы и повторяемость.
Известно устройство и способ для юстировки ЖИГ-сферы в генераторе, в котором сферу, закрепленную на диэлектрическом держателе, настраивают на заданную резонаторную частоту постоянным магнитом, который содержит верхнюю и нижнюю секцию камер для размещения ЖИГ-сферы. Сфера закреплена на конце держателя, на другом конце которого имеется монтажная поверхность, прикрепленная непосредственно к нижней части камеры. ЖИГ-сферу юстируют на держателе таким образом, чтобы ось нулевой температурной зависимости была ориентирована под заданным углом к монтажной поверхности. В одном из вариантов монтажная поверхность держателя является плоской, а заданный угол между поверхностью и осью нулевой температурной зависимости равен нулю. [Korver Marinis L Mueller Heits Jeremy. Aligmnent nethod and system for YIG oseillator // международная заявка WO/2002/019513 (PCT/US 2001/023973), МПК H03B 5/18].
Недостатком является ручная установка ЖИГ-сферы и низкая точность ее ориентации, плохая повторяемость.
Известен ЖИГ-генератор, имеющий ЖИГ-сферу, магнитно-связанную с постоянным магнитом, концентратор поля, ферромагнитное кольцо. Концентратор поля присоединен к постоянному магниту, имеет форму диска определенного диаметра, и предназначен для того, чтобы сделать магнитное поле однородным. Внутренний диаметр ферромагнитного кольца соответствует диаметру концентратора поля. Ферромагнитное кольцо точно настраивает суммарное магнитное поле постоянного магнита и концентратора поля. Петля связи предназначена для передачи резонансных сигналов ЖИГ-сфере и от нее [Korber Marinus L. Ferromagnetic tunnig ring tor YIG oscillator. // международная заявка WO/2001/008291 (PCT/US 2000/020159), МПК H03B 5/18].
Недостатком является необходимость ручной установки угла ориентации сферы и низкой повторяемостью.
Наиболее близким является устройство ориентации ЖИГ-сферы внутри генератора, содержащего источник постоянного магнитного поля и источник переменного магнитного поля, включающее диэлектрический держатель, закрепленный с возможностью вращения, к одному концу которого прикреплена ЖИГ-сфера, и блок измерения частоты, подключенный к генератору. Сфера может двигаться в трех аксиальных направлениях или вращаться. Сферу, закрепленную на диэлектрическом держателе, настраивают ручным способом, изменяя ее положение по отношению к одной или двум петлям и постоянному магнитному полю, создаваемому постоянным или электрически управляемом магнитом [Finkle Tnomas W, Jones Terry A. YIG Sphere positioning apparatus // патент на изобретение GB 2269269, МПК F16H 25/00, H01P 1/218, H01P 7/00, также опубликовано как US 5291163, LP H 06104611, DE 4312410].
Недостатком является низкая точность и воспроизводимость установки ЖИГ-феры, низкая производительность, что сказывается на большом разбросе частоты, параметров выходных сигналов магнитных устройств - мощности, шумовых характеристик и других.
Задача настоящего устройства заключается в повышении повторяемости и точности, установки угла ориентации ЖИГ-сферы во внешнем магнитном поле.
Технический результат заключается в повышении точности установки угла ориентации ЖИГ-сферы во внешнем магнитном поле при заданном температурном интервале, повышение точности нахождения температурного коэффициента частоты устройства на основе ориентируемой ЖИГ-сферы.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство ориентации ЖИГ-сферы внутри генератора, содержащего источник постоянного магнитного поля и источник переменного магнитного поля, включает диэлектрический держатель, закрепленный с возможностью вращения, к одному концу которого прикреплена ЖИГ-сфера, и блок измерения частоты, подключенный к генератору, согласно решению содержит камеру тепла-холода, внутри которой расположены генератор и датчик температуры; шаговый двигатель, ось которого соединена со вторым концом диэлектрического держателя; управляющий микроконтроллер, соединенный с шаговым двигателем посредством драйвера, с датчиком температуры посредством блока измерения температуры и с блоком измерения частоты. Управляющий микроконтроллер снабжен средством подключения к ЭВМ.
Устройство поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена блок-схема заявляемого устройства. На фиг. 2 приведены зависимости изменения частоты выходного сигнала с выхода генератора от шага двигателя, однозначно связанного с углом (шагом) ориентации ЖИГ-сферы. Позициями на чертежах обозначены:
1 - ЖИГ-сфера;
2 - держатель;
3 - петля связи;
4 - постоянный магнит;
5 - генератор;
6 - датчик температуры;
7 - блок измерения температуры;
8 - шаговый двигатель;
9 - драйвер;
10 - контроллер;
11 - блок измерения частоты;
12 - камера тепла-холода;
13 - ЭВМ.
Предлагаемое устройство ориентации является программно-аппаратным. Устройство содержит диэлектрический держатель 2, один конец которого соединен с осью шагового двигателя 8, а к другому концу прикреплена ЖИГ-сфера 1. ЖИГ-сфера расположена внутри магниточувствительного генератора 5, содержащего источник постоянного магнитного поля и источник переменного магнитного поля, размещена в петле связи 3 и поле постоянного магнита 4. ЖИГ-сфера 1 закреплена на диэлектрическом держателе 2, размещена в элементе связи 3 в виде одного или двух скрещенных витков в цепи магниточувствительного генератора 5, выход которого соединены со входом цифрового блока 5 измерения частоты 11.
Устройство содержит драйвер 9, соединенный с шаговым двигателем 8. Драйвер 9 шагового двигателя 8 имеет современную элементную базу - дискретные компоненты для поверхностного монтажа, оптимально подобранные для данной задачи и алгоритмов управления, позволяющие исключить явления резонанса не используя обратной связи по току. Основной частью драйвера для всех типов шаговых двигателей являются электронные ключи. Они выполняются на биполярных или полевых транзисторах. Это ведет к возникновению потерь, связанных с сопротивлением транзистора в открытом состоянии и выделением большого количества тепла. Введение радиатора охлаждения во избежание выхода из строя транзистора, приводит к дополнительным затратам на материалы и увеличивает габариты и размеры драйвера. В драйвере данная проблема решена за счет использования полевых транзисторов MOSFET с сопротивлением канала в открытом состоянии равном 0,027 Ом. Транзисторы марки IRLR2905 предназначены для коммутации силовых цепей и имеют предельно допустимый импульсный ток стока 42 А, имеют небольшие габариты и корпус для поверхностного монтажа. Максимально допустимое напряжение сток-исток у вышеописанного транзистора 55 В. Драйвер универсален и позволяет подключать все имеющиеся униполярные шаговые двигатели в широком диапазоне мощностей.
Цифровой блок измерения частоты 11 построен на базе процессора архитектуры 8052, к которому подключены счетчик, предварительный делитель частоты, задающий генератор и последовательный асинхронный интерфейс, при помощи которого он обменивается данными с основным управляющим микроконтроллером 10. Выход управляющего микроконтроллера соединен с ЭВМ. Все устройство, содержащее 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, помещено в автоматизированную камеру тепла-холода 12.
Устройство содержит датчик температуры 6, соединенный с электронным блоком измерения температуры 7. Для измерения температуры использован полупроводниковый датчик марки DS18B20. Разрешающая способность датчика составляет 0,1°C. Этой точности достаточно для данного применения. С платой датчик обменивается при помощи 1 WIRE интерфейса по своему протоколу обмена.
Угол ориентации ЖИГ-сферы во внешнем поле подмагничивания φ будет различным для различных значений внешней температуры T и является существенно нелинейной функцией φ(T) [А.Г. Гуревич «Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках» // М., «Наука», 1973 г., с. 501].
Устройство ориентации ЖИГ-сферы по углу φ работает следующим образом.
Перед началом настройки устройство ориентации с ЖИГ-сферой 1 в устройстве 5 с магнитом 4 устанавливаются в камеру тепла и холода 12, в которой производится настройка сферы на угол требуемой ориентации. Выставляется режим работы камеры тепла-холода 12 от минус 50 до плюс 50 градусов по Цельсию. Управляющий микроконтроллер 10 находится в режиме ожидания до поступления сигнала от блока измерения температуры 7 о достижении нижнего предела температуры T. При достижении этого значения T, микроконтроллер 10 отдает команду драйверу 9 на начало вращения оси шагового двигателя 8. Совершается несколько оборотов двигателя 8 и снимают частоту с выхода генератора 4 на каждом шаге двигателя 8, данные поступают на микроконтроллер 10, а затем в управляющую программу на компьютере 13. Далее температура T в камере тепла-холода 12 начинает расти и постепенно достигает верхнего установленного предела. В это время микроконтроллер 10 осуществляет измерение температуры датчиком температуры 6 и при ее повышении на каждые 5°C осуществляет вращение оси двигателя 8 на заданное число оборотов, при этом снимает частоту при повороте на каждый дискрет поворота двигателя 8. Собранные данные передаются в ЭВМ 13.
Система управляется контроллером 10, сигнал с выхода генератора 5 частотой ν поступает на цифровой блок измерения частоты 11, с выхода которого данные поступают на управляющий микроконтроллер 10, на который поступает сигнал с выхода блока измерения температуры 7 и драйвера 9, задающего угол ориентации φ сферы 1 на держателе 2, соединенного с осью шагового двигателя 8. От управляющего микроконтроллера 10 данные ν(φ,T) для различных текущих углов φ при заданной температуре T передаются для регистрации на ЭВМ 13.
1
1
2
2
n
отн
отн
1
n
Шаговый двигатель управляется посредством драйвера, соединенного с управляющим микроконтроллером, которые позволяют проводить автоматизированный поиск требуемого угла ориентации ЖИГ-сферы. Угол поворота оси двигателя φ дискретный, он изменяется управляющим микроконтроллером при температуре T, заданной в камере тепла и холода, в которую помещено все устройство со сферой. Управляющий микроконтроллер посредством цифровых блоков измерения частоты и температуры и данных о текущем угле поворота φ, поступающих от драйвера, позволяет регистрировать зависимость частоты от угла т.е ν(φT), затем изменят температуру до значения T, задаваемую в камере тепла и холода и вновь снимают зависимость частоты выходного сигнала от угла поворота φ т.е. ν(φT) и до T. Затем определяют угол значения поворота φ, при котором частота ν принимает одинаковое значение ν (φ) для значений температур от T и до T.
Драйвер 9 под управлением микроконтроллера 10 осуществляет вращение шагового двигателя 8 при повороте которого на каждый дискрет измеряется частота генерации на выходе устройства 5. Изменяется температура T с интервалом 1°C, что достаточно для вычисления температурных коэффициентов и построения зависимостей. В разработанной конструкции драйвер 9 осуществляет перемещение угла ориентации сферы вокруг оси держателя с дискретностью 0,9°, что достаточно для определения оптимального положения ЖИГ-сферы.
Данные о текущем положении оси двигателя 8 в виде номера шага двигателя передаются в ЭВМ 13 для последующей обработки. Далее данные обрабатываются программой на ЭВМ 13, по ним строится семейство кривых ν(φ,T) по которым оператор принимает окончательное решение на установку шага (номера дискреты) оси двигателя 8. На фиг. 2 приведены результаты записи на ЭВМ 13 трех семейств частоты сигнала генератора от угла ориентации ЖИГ-сферы 1 ν(φ) в диапазоне -50°+50°C в ходе нее выявлено три позиции ЖИГ-сферы 1, в которых частота с изменением температуры T осталась неизменной. Исходя из этого сделано предположение, что в этих трех точках минимальный или близкий к нулю температурный уход частоты. Далее последовательно устанавливая в каждую из позиций предполагаемого минимального ухода частоты от угла ориентации и осуществляется проверка выходной мощности преобразователя посредством различных аппаратных средств. Если она оказывается недостаточной для корректной работы генератора 5 в составе измерительного комплекса, то выставляется следующая найденная позиция двигателя (угол, номер дискреты) и далее по очереди. Найдя оптимальное положение ЖИГ-сферы 1 по параметру выходной мощности осуществляется проверка на близость к нулю температурного коэффициента и вычисляется его численное значение необходимое для дальнейшего использования генератора 5. Датчик по результатам проведенного исследования был установлен в позицию 11.