Вунтесмері В. С. Національний технічнскій університет України “Київський політехнічний інститут” Проспект Перемоги 37, Київ 03056, Україна Тел: +38 (044) 219-1824, e-mail: vladimir@vountesmery.org.ua


Анотація Розглянуто основні схеми геліконових вентилів метрового і декаметрового діапазону хвиль. Наведено розрахункові та експериментальні характеристики вентилів. Визначено область застосування геліконових вентилів для розв’язки в радіотехнічної апаратури.

I. Вступ

Геліконовие вентилі є аналогами феритових вентилів СВЧ і працюють на частотах нижче 100 МГц, де аналогічні ферритові пристрою не працюють. На відміну від феритових пристроїв, які використовують гіромагнітних середовища з тензорної магнітною проникністю, в геліконових пристроях використовують гіроелектріческіе середовища з тензорної еквівалентної діелектричної проникністю. Такий середовищем є плазма напівпровідника, вміщеного у зовнішнє постійне магнітне поле В0. Робота геліконових вентилів заснована на використанні невзаємних ефектів розповсюдження поляризованих по колу геліконових хвиль в замагніченій напівпровідникової плазмі.

II. Основна частина

Основним конструктивним елементом вентиля є геліконовий резонатор, який представляє собою плоскопаралельну пластину з матеріалу з високою рухливістю носіїв заряду, з двома ортогонально включеними котушками індуктивності. Зовнішнє магнітне поле спрямоване перпендикулярно пластині. Різні схеми включення резонатора дозволяють будувати вентилі за схемами невзаимной фільтра нижніх частот, незаімного фільтра верхніх частот, невзаимной полоснопропускающего, і невзаимной полоснозаграждающего фільтра [1]. Вентилі, побудовані за схемами невзаимной фільтра нижніх частот [2,3] і невзаимной фільтра верхніх частот [4] є вузькосмуговим, мають робочу смугу частот за рівнем зворотного загасання 15дБ не більше 8% і можуть знайти застосування при роботі на фіксованих частотах. Сучасні перешкодозахищеність системи зв’язку працюють в широкій смузі частот. Більш широкосмуговими є вентилі, реалізовані за схемою невзаимной полоснозаграждающего фільтра [5]. Ця схема є комбінацією двох перших і дозволяє розширити смугу робочих частот до 30%. Втрати в прямому напрямку для такої схеми досягають на практиці 2.5 … ЗдБ. Тому такі вентилі придатні, наприклад, для розв’язки малопотужних генераторів у вимірювальних стендах.

Запропонований нами вентиль [6] за схемою невзаимной смугово-проникного фільтру має розширену смугу робочих частот при менших прямих втратах. Подальше розширення смуги робочих частот до октави може бути досягнуто каскадним включенням вентилів.

Для розрахунку характеристик вентилів розглянемо модель геліконового резонатора з ортогонально намотаними котушками індуктивності (Рис.1). У напівпровідникової плазмі порушуються поляризовані по колу геліконовие хвилі, які рас

пространяются вздовж напрямку зовнішнього постійного магнітного поля з коефіцієнтами поширення [7]

де СО = 27tf кругова частота, | ДП = 47г-10 7Гн / м

– Магнітна постійна, о = Пее | Дп питома провідність матеріалу резонатора, пе концентрація електронів, е заряд електрона, | ДП рухливість

носіїв (електронів), і = | ДПВ(1 показник за-

магніченності матеріалу резонатора.

Для найбільш широко використовується напівпровідника n-lnSb фазові швидкості геліконовой хвилі в 104 разів менше швидкості світла. Таким чином, можливий полуволновой резонанс правополярізованних геліконових хвиль в метровому і декаметровому діапазонах для пластини товщиною в кілька

Рис. 6. Частотні характеристики широкосмугового вентиля

Fig. 6. Ampiitude-frequency response of broadband isolator

На рис.4 представлені результати розрахунку коефіцієнтів передачі в прямому і зворотному напрямках для геліконового вентиля за схемою ріс.З. Точками відзначені результати експерименту.

Як видно з малюнка, смуга робочих частот на рівні зворотного загасання 15 дБ складає 25%. Експериментальні прямі втрати дещо більше ніж теоретичні, що можна пояснити тим, що в теорії враховані не всі можливі механізми загасання геліконових хвиль. Каскадне включення двох вентилів як показано на рис.5 розширює смугу робочих частот до октави Типові розрахункові характеристики такого вентиля показані на рис. 6.

Вентилі, розроблені за схемою ріс.З мають такі параметри: Діапазон робочих частот –

1 …. 100МГц, Загублене в прямому напрямку –

0. 8 …. 1.5 дБ, Зворотне загасання на середній частоті

– 20 …. 25 дБ, Смуга частот на рівні зворотного загасання 15 дБ 20 …. 40%, розсіюється потужність –

5 …. 15 Вт, Діапазон робочих температур –

.. +50 ° С, маса 0.2 …. 0.5 Кг. Основний внесок в масу вентиля дає магнітна система, забезпечує магнітні поля 1.2 …. 1.5 Тл. Для вентилів з потужністю розсіювання менше 1 Вт при збільшенні прямих втрат до 3 дБ габарити і вага в метровому діапазоні можуть бути істотно зменшені.

Можливі області застосування геліконових вентилів в метровому і декаметровому діапазонах хвиль: для захисту передавача при зміні вхідного опору навантаження (аж до обриву антени), розв’язка передавачів з близькими або перекриваються частотами при роботі на одну антену, зменшення інтермодуляційних спотворень двох близько розташованих передавачів з близькими або перекриваються частотами, для додаткового придушення випромінювання гетеродина приймача, для розв’язки генератора в вимірювальних та випробувальних стендах.

IV. Список літератури

[1]    В. С. Вунтесмері, Ю. В. Завражнов, Г. П. Красіліч,

Е. Е. Мещеряков. Напівпровідникові вентилі для радіопередавачів КВ і УКВ діапазонов.-Теорія і техніка радіозв’язку 1993, вип.1, с.132.

[2]    J. Gremillet. Propagation des ondes metriques et decametriques dans ies semi-conducteurs et presence d’une induction magnetique continue. Effect "Helicon" -Annales de Radioelectricite, 1964, No. 76, p.122

[3] P. Б. Толутіс. Про властивості напівпровідникових ВЧвентілей на ефекті розмірного резонансу електромагнітних магнітоплазменних волн.-Радіотехніка та Електроніка, 1978, т.23, № 3, с.608.

[4] Г. П. Красіліч. Напівпровідниковий вентиль метрового діапазону хвиль. Ізв.вузов Радіоелектроніка, 1976, т.19, № 3, с.122.

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

[6] Вунтесмері В. С. Вентиль / А.с. . № 1626280. БІ № 5.-1991

[7] А. А. Бокрінская, В. С. Вунтесмері, Г. П. Красіліч Радіотехнічні пристрої на основі геліконових хвиль, Київ: “Вища школа”, 1984, 88 с.

Vountesmery V. S.

Department of Radio Engineering,

Institute of Telecommunications,

National Technical University of Ukraine ‘Kyiv Polytechnical Institute’

37 Prospekt Peremogy, Kyiv, Ukraine, 03056 phone +380(44) 2191824 e-mail: vladimir@vountesmery. org. ua

Abstract Basic schematics of meterand decameter-wave helicon isolators are considered. Calculated and experimental performance of isolators is presented. The range of application of helicon isolators for decoupling purposes in a radio engineering equipment is defined.

I.  Introduction

Helicon isolators are similar to microwave ferrite isolators and can operate at frequencies below 100 MHz. The operation of helicon isolators is based on nonreciprocal effects of distribution of circularly polarized helicon waves in magnetized semiconductor plasma.

II.  Main part

The principal structural component of the isolator is a helicon resonator which is a plane-parallel slice of a high carrier mobility material with two orthogonally coupled inductance coils. The external magnetic field B0 is normal to the slice. The isolators manufactured according to the schematics of a nonreciprocal low-pass filter [2,3] and a nonreciprocal high-pass filter [4] are narrow-band ones with an operating frequency range below 8% at the level of an inverse damping of 15dB, and may find applications at fixed frequencies. Isolators with a wide up to 30% operating range realized according to the nonreciprocal band-rejection filter schematics are described in [5]. The isolator proposed in [6] manufactured according to the schematics of a nonreciprocal band-pass filter has an extended operating frequency band at smaller direct losses. A further (up by an octave) extension of the operating frequency range may be achieved by cascading the isolators.

To calculate the performance of isolators consider a model of helicon resonator with orthogonal inductance coils (Fig. 1). In semiconducting plasma circularly polarized helicon waves are excited which spread along the direction of an external constant magnetic field with the propagation factors [7].

Since the coupling between inductances occurs via a magnetic field, it would be expedient to present the coupling between the magnetic field of the coils (1) and the averaged field of the standing helicon wave in the resonator as a tensor of an effective relative magnetic permeability by expressing it through a tensor of an effective magnetic susceptibility. This device represents a nonreciprocal transformer.

The circuit model of a nonreciprocal transformer disregarding the end-point conductivity of coils and parasitic capacitances is shown in Fig. 2. With these schematics we can find a matrix of S-parameters for any type of coupling.

In Fig. 4 the frequency response of transmission factors in forward and reverse directions for a helicon isolator manufactured according to the schematics in Fig. 3 is presented. Experimental results are indicated by dots. As shown in the figure, the operating frequency range at the 15dB level of the inverse damping is 25%. The cascade coupling of two isolators, as shown in Fig. 5, expands the operating frequency band up to an octave. Typical calculated characteristics of this isolator are shown in Fig. 6.

III.  Conclusion

Possible applications of helicon isolators in the meterand decameter-wave bands could be as follows: to protect transmitters against the varying input resistance of a load (up to antenna break), to decouple the antenna-sharing transmitters operating at closely spaced or overlapping frequencies, to decrease the intermodulation distortions between two adjacent transmitters operating at closely spaced or overlapping frequencies, to suppress further emissions of the receiver heterodyne, to decouple oscillators used in measuring and test benches.


Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.