Вунтесмері В. С., Вунтесмері Ю. В. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» Проспект Перемоги, 37, Київ – 03056, Україна Тел.: +38 (044) 2191824; e-mail: vladimir@vountesmery.org. ua

Анотація – По схемним моделям досліджені залежності зворотного загасання і прямих втрат широкосмугового геліконового вентиля від температури. Результати експерименту підтверджують адекватність схемних моделей.

I. Вступ

У метровому і декаметровому діапазонах хвиль аналогами мікрохвильових феритових вентилів можуть бути геліконовие вентилі, виконані на основі розмірних резонансів поляризованої по колу геліконовой хвилі в геліконовом резонаторі. Геліконовий резонатор є плоскопаралельну напівпровідникову пластину обмежених поперечних розмірів, поміщену в постійне магнітне поле. Дослідження характеристик геліконового вентиля в діапазоні температур проводилося для вузькосмугового вентиля [1]. У цьому вентилі смуга робочих частот (7 … 10)% на рівні зворотного загасання 15 дБ забезпечувалася у вузькому діапазоні температур. Резонансна частота широкосмугових вентилів менш чутлива до температури, ніж у вузькосмугових.

II. Основна частина

Нами розроблений широкосмуговий термостабільний геліконовий вентиль (рис. 1). Вентиль складається з невзаимной трансформатора, що представляє собою геліконовий резонатор з ортогонально намотаними на нього збудливими котушками індуктивності Li, 1_2, і ємностей Ci Сг. За рахунок стоячій поляризованої по колу геліконовой хвилі виникає навзамін зв’язок між котушками індуктивності та взаємодія між котушками може бути описано за допомогою тензора еквівалентної магнітної проникності резонатора [2] р = Т + х, де% – тензор еквівалентної магнітної сприйнятливості резонатора. Як матеріал для геліконового резонатора використовується n-lnSb, концентрація і рухливість носіїв заряду в ньому залежать від температури. Температурні характеристики компонент тензора еквівалентної магнітної проникності геліконових резонаторів, виконаних з антимоніду індію легованого телуром, з різною концентрацією донорної домішки досліджувалися в роботі [3]. Температурна стабільність параметрів резонатора тим більше, чим більше концентрація донорної домішки. Але, зі збільшенням концентрації донорної домішки, зменшується рухливість електронів і, як наслідок, зменшується добротність геліконового резонатора при заданої індукції зовнішнього постійного магнітного поля. Показано, що концентрація донорної домішки, при якій забезпечується температурна стабільність параметрів геліконових резонаторів для технічно використовуваного діапазону температур (-50 … +70) ° С знаходиться в межах Nd=( 10 … 1024) М ‘3

Дослідження температурних характеристик втрат в прямому і загасання в зворотному напрямках для широкосмугового геліконового вентиля (рис. 1) виконано по схемним моделям з використанням матриці Y-параметрів невзаимной трансформатора [2].

, де

L01, L02 – індуктивності одновиткової котушок, ni, П2

– числа витків котушок індуктивності,

Рис. 2. Залежність прямих втрат (S12) І зворотного загасання (S21) вентиля від частоти.

Puc. 3. Залежність смуги робочих частот від температури на рівні зворотного загасання 15 дБ і 20 дБ (маркерами показані результати експерименту).

Fig. 3. Temperature response of bandwidth on the 15dB and 20 dB levels of backward attenuation (markers shows experimental results)

I. Висновок

Розроблено широкосмуговий геліконовий вентиль в метровому діапазоні хвиль. Характеристики вентиля досліджені по схемним моделями. Температурна стабільність вентиля в діапазоні температур (-50 … +50) ° С забезпечується вибором схеми включення невзаимной трансформатора і вибором матеріалу геліконового резонатора.

II. Список літератури

[1] Толутіс Р. Б. Про властивості напівпровідникових ВЧ-вентилів на ефекті розмірного резонансу електромагнітних магнітоплазменних хвиль. – Радіотехніка та Електроніка, 1978, т.23, № 3, С. 608.

[2] Vountesmery V. S., Vountesmery У. V. 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.

[3] Вунтесмері Ю. В. Температурні характеристики еквівалентних параметрів геліконових резонаторів, Електроніка та зв’язок, № 5, 1998, С. 80-81.

THERMOSTABLE HELICON ISOLATOR

Vountesmery V. S, Vountesmery Y. V.

National Technical University of Ukraine “Kiev Polytechnic Institute”

37, Pobeda Ave., Kiev – 03056, Ukraine Tel.+38 (044) 2191824 e-mail: vladimir@vountesmery. org. ua

Abstract -The temperature responses of forward loss and backward attenuation of broadband helicon isolator are investigated using schematic model. Experimental results confirm the model adequacy.

I.  Introduction

Helicon isolators for meter and decameter wavebands are analogues of microwave ferrite isolators and have the same application. Operation of helicon isolators is based on the effect of dimensional resonance of circularly polarized helicon waves in the semiconductor (helicon) resonator. Helicon resonator is the parallel-sided plate of semiconductor placed to the static magnetic field.

II.  Main part

Characteristics of narrowband helicon isolators are strongly temperature-dependent. It makes difficult to apply such isolators. So, the broadband temperature-stable helicon isolators have been developed.

The material of the helicon resonator is n-lnSb, which has high carrier mobility. Both concentration of electrons in semiconductor and its mobility are strongly temperature dependent. Nevertheless, the helicon isolators must save their performance attributes, such as forward loss and backward attenuation for whole working temperature range. Temperature stability of isolator is first of all provided by stability of semiconductor helicon resonator.

Helicon waves in resonator for mentioned frequencies may be stimulated by two orthogonal inductors coiled above the resonator. Nonreciprocal coupling between inductors arises from the effect of standing circularly polarized helicon waves.

A temperature response of broadband helicon isolators (Fig. 1) can be analyzed using schematic model [2]. This model is acceptable for various circuits of inclusion of nonreciprocal transformer and additional elements of isolator circuit. Found Y- matrices of specific isolators may be normalized and converted to scattering matrices.

There is a family of calculated temperature responses for isolator designed in Fig. 2, according to Fig. 1 it has the donor impurity concentration Nd=4.3-1023. As figure indicates, the temperature dependency of forward losses is weak and the working temperature range also follows from the given backward attenuation in the given frequency range. A calculated response of backward attenuation on the 15 dB and 20 dB levels for this isolator in the working temperature range is shown in Fig. 3. Triangular marks show experimental results. As it follows from characteristics, this isolator save its bandwidth on the level of 40% for 15 dB of backward attenuation and 20% for 20 dB of backward attenuation for the working temperature range (-50…+50 °C).

III.  Conclusion

The broadband helicon isolator for meter wave range is developed. Responses of isolator are investigated using schematic models. Temperature stability of isolator in the range of (-50…+50)°C may be provided by the corresponding circuit of nonreciprocal transformer and optimal material of helicon resonator.

Анотація – Пропонується спосіб розрахунку матриці передачі відрізка нерегулярної планарной лінії, у якого ширина смужка змінюється за довільним законом уздовж довжини за умови поширення в лінії квазі ‘t-хвилі. Розрахункові вирази відрізняються простотою програмування і забезпечують прийнятну для практичних розрахунків точність.

I. Вступ

Незважаючи на очевидну перспективність застосування нерегулярних планарних ліній (НПЛ) в широкосмугових фільтрах, делителях-суматора СВЧ-потужності і ланцюгах узгодження активних елементів, вони порівняно рідко використовуються при практичній реалізації СВЧ-пристроїв. У першу чергу це пов’язано з тим, що в комерційно реалізовуються САПР зазвичай відсутні моделі НПЛ з довільним зміною ширини смужка уздовж його довжини.

При електростатичному аналізі НПЛ необхідно враховувати, що при зміні ширини смужка в основних типів планарних ліній (микрополосковой, підвішеній, зверненої тощо) змінюється не тільки хвилеве опір, а й коефіцієнт уповільнення квазі-Т хвилі. Таким чином, для їх аналізу не придатні матриці передачі нерегулярних ліній

[1] із змінним хвильовим опором, аналітично визначені на основі рішення телеграфних рівнянь, в яких зміна коефіцієнта уповільнення не враховується.

В даний час одним з основних методів електростатичного аналізу НПЛ з довільним законом зміни ширини смужка є визначення матриці передачі НПЛ на основі каскадного з’єднання елементарних відрізків регулярних ліній.

II. Основна частина

Загальний вид аналізованого відрізка НПЛ довжиною / приведений на рис. 1. Хвильовий опір p (z)

і ефективна діелектрична проникність ее.(Г) лінії залежать від лінійної координати г. Розіб’ємо лінію на елементарні ділянки довжиною h, малої настільки, що в їх межах p (z) і ее.(Г) можна вважати не залежними від м. Допускаючи в межах кожного отриманого ділянки поперечний характер електромагнітного поля (основне допущення однохвильовому теорії), можна визначити матрицю передачі НПЛ [я]Д71 / 7 як добуток матриць передачі елементарних відрізків регулярних ліній (РЛ)

тут [я] – класичні ненормовані матриці передачі.

Рис. 1. Відрізок НПЛ, включений між двома РЛ.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»