Радиотехника и электроника, 2019, T. 64, № 3, стр. 310-314

ВВЕДЕНИЕ

За последние годы получили развитие генераторы СВЧ-импульсов, принцип работы которых основан на возбуждении гиромагнитной прецессии в нелинейных передающих линиях [1–3]. Такие генераторы позволяют получать радиочастотные импульсы наносекундной длительности с пиковой мощностью в сотни мегаватт. Из-за отсутствия вакуумных и электронно-оптических систем они могут занять собственную нишу среди различных источников, и уже сегодня вызывают интерес у потребителей. Возбуждение гиромагнитной прецессии в нелинейных линиях происходит за счет быстрого изменения направления вектора намагниченности предварительно намагниченного до насыщения феррита [4]. При этом нелинейные линии способны генерировать электромагнитные колебания с частотой до 4 ГГц [5]. Перестройка частоты генерации осуществляется за счет изменения амплитуды магнитных полей, прикладываемых к ферриту [3], что дает определенные преимущества данному способу генерации перед генераторами биполярных высоковольтных импульсов фиксированной длительности [6, 7]. Для ряда задач, например, для биологических исследований, представляет практический интерес уменьшение размеров генераторов с намагниченным ферритом. В данной статье обсуждается возможность создания генератора наносекундных СВЧ-импульсов за счет возбуждения гиромагнитной прецессии не в распределенной системе нелинейной линии, а в сосредоточенном ферритовом образце, что позволит уменьшить габариты генератора. Данная возможность рассматривается на основе аналитических оценок и моделирования с помощью программного обеспечения Ansys HFSS.

1. КОНЦЕПЦИЯ ГЕНЕРАТОРА

Идея использовать возбуждение гиромагнитной прецессии в феррите малого по сравнению с длиной волны размера для генерации СВЧ-импульсов предлагалась еще в 60-е гг. [8]. Однако она не получила дальнейшего развития из-за низкой связи между колебаниями намагниченности и ВЧ-колебаниями в выходном тракте генератора. Также высказывалась идея использовать импульсное перемагничивание насыщенного феррита для формирования осциллирующего поля, ускоряющего электронный пучок [9], но экспериментально реализована эта идея не была. В данной статье предлагается новая схема генератора СВЧ-импульсов с намагниченным ферритом, представляющая собой низкоиндуктивный импульсный трансформатор с одним витком в первичной и вторичной обмотке (рис. 1), роль витков в котором играют две коаксиальные короткозамкнутые передающие линии. Проводники второго коаксиала, имеющие поперечные разрезы, выводятся через отверстия в короткозамыкающей стенке первого коаксиала (рис. 2). Сам трансформатор помещается во внешнее продольное магнитное поле, которое обеспечивает предварительное насыщение феррита.

Принцип действия предлагаемого устройства состоит в следующем. Импульс тока с субнаносекундным фронтом от генератора высоковольтных импульсов проходя по первому коаксиалу создает азимутальное магнитное поле, которое в результате импульсного перемагничивания насыщенного в продольном направлении феррита возбуждает в нем гиромагнитную прецессию. Затухающие колебания магнитного потока в резонаторе, образованном витком вторичной обмотки, в свою очередь приводят к возбуждению электромагнитных колебаний, которые передаются по второму коаксиалу в нагрузку (рис. 3). Таким образом, анализ процесса генерации СВЧ-сигнала в гиромагнитном трансформаторе можно разделить на три задачи: формирование субнаносекундного фронта азимутального поля в феррите, возбуждение гиромагнитной прецессии, вывод СВЧ-сигнала во второй коаксиал. Рассмотрим их последовательно.

2. ПЕРЕДАЧА СУБНАНОСЕКУНДНОГО ФРОНТА

Для оценки фронта азимутального магнитного поля, формируемого в феррите предварительно сформированным фронтом тока в первом коаксиале, можно рассмотреть задачу искажения фронта импульса в таком трансформаторе. Искажение фронта импульсного трансформатора можно рассмотреть с помощью схемы замещения (рис. 4) [10]. Нормированное напряжение фронта передаваемого импульса на нагрузке описывается следующей функцией

где Здесь L – индуктивность рассеивания, C – динамическая емкость трансформатора R_l – сопротивление нагрузки, R_g – сопротивление генератора.

Индуктивность рассеяния и динамическая емкость для данной геометрии даются следующими выражениями:

Здесь μ₀ – магнитная постоянная, ε₀ – электрическая постоянная, ε – диэлектрическая проницаемость, R_i1, R_o1 – внутренний и внешний радиусы коаксиальной линии первичной обмотки, R_i2, R_o2 – внутренний и внешний радиусы коаксиальной линии вторичной обмотки, h – толщина ферритовых колец.

Для аналитических оценок искажения фронта и для моделирования были выбраны следующие радиусы: R_o1 = 60 мм, R_i1 = 5 мм, R_o2 = 36 мм, R_i2 = = 20 мм. Для ферритовых колец были выбраны размеры 40 × 65 мм с общей толщиной h = 6 мм. На рис. 5 представлена форма фронта импульса на нагрузке такого трансформатора при подаче на него прямоугольного импульса. На рис. 6 представлены результаты моделирования прохождения импульса через гиромагнитный трансформатор при помощи программы Ansys HFSS.

Как видно из результатов моделирования, искажения субнаносекундного фронта в этой геометрии практически отсутствует. Как следует из опыта возбуждения СВЧ-колебаний в нелинейных линиях, оно происходит эффективно, когда длительность фронта падающего импульса меньше или сравнима с периодом возбуждаемых колебаний [1]. Рассмотрим задачу возбуждения гиромагнитной прецессии в феррите субнаносекундным фронтом азимутального магнитного поля на частоте около 1 ГГц, пренебрегая краевыми эффектами.

3. ВОЗБУЖДЕНИЕ ГИРОМАГНИТНОЙ ПРЕЦЕССИИ В НАМАГНИЧЕННОМ ФЕРРИТЕ ИМПУЛЬСНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Для оценки частоты и амплитуды возбуждаемых колебаний необходимо рассматривать процессы импульсного перемагничивания феррита. Динамика вектора намагниченности описывается уравнением Ландау–Лифшица [11]

Здесь $\vec {M}$ – вектор намагниченности, $\vec {H}$ – вектор напряженности магнитного поля, μ₀ – магнитная постоянная, γ – гиромагнитное отношение для электрона, α – феноменологический декремент затухания, M_s – намагниченность насыщения.

Первый член в правой части описывает прецессию вектора намагниченности, второй член отвечает за затухание. В случае гиромагнитного импульсного трансформатора, полагая толщину ферритового кольца меньше характерной длины волны для частоты гиромагнитной прецессии, можно найти численное решение этого уравнения в цилиндрической системе координат при следующих компонентах вектора напряженности магнитного поля: H_r = 0,

где τ – характерное время нарастания тока в линии. Малость толщины ферритового кольца позволяет пренебречь волновыми процессами в феррите. Начальными условиями в этом случае будут следующие значения компонент вектора намагниченности: M_r = 0, M_φ = 0, M_z = M_s. Решение для азимутальной компоненты вектора намагниченности M_φ при α = 0.07, M_s = 0.35 Тл, τ = 0.5 нс, H_φ0 = = 30 кА/м, H_z = 22 кА/м представлено на рис. 7.

Используя решение (4), можно найти ЭДС, обусловленную прецессией азимутальной компоненты вектора намагниченности, как $U = \int {\frac{{d{{M}_{\varphi }}}}{{dt}}dS} $ в ферритовом кольце с размерами 40 × 65 мм (рис. 8).

Из рисунка видно, что при таких компонентах вектора напряженности магнитного поля прецессия вектора намагниченности будет создавать ЭДС во вторичном контуре импульсного трансформатора с частотой 1 ГГц. Рассмотрим, позволяет ли полоса пропускания устройства вывести эти колебания во второй коаксиал.

4. ВЫВОД СВЧ-МОЩНОСТИ ВО ВТОРИЧНЫЙ КОНТУР ИМПУЛЬСНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

На рис. 9 представлены результаты моделирования прохождения импульса с гауссовской огибающей по второму коаксиалу через короткозамыкающую стенку. В моделировании входной порт, через который импульс заходит во второй коаксиал, находился на его короткозамыкающей стенке. Второй порт располагался в конце второго коаксиала. Из рисунка видно, что предложенная геометрия короткозамыкающей стенки первого коаксиала позволяет передать ВЧ-колебания гиромагнитной прецессии вектора намагниченности феррита в широкой полосе по второму коаксиалу в нагрузку с эффективностью, превышающей 50%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на основе результатов численного моделирования в Ansys HFSS показана принципиальная возможность создания новой схемы генератора наносекундных СВЧ импульсов с намагниченным ферритом. На основании аналитических оценок и численного моделирования можно полагать, что предложенная геометрия импульсного трансформатора способна обеспечить формирование крутого фронта азимутального магнитного поля, необходимого для возбуждения гиромагнитной прецессии в феррите. Согласно расчетам коэффициента прохождения СВЧ-импульса через короткозамыкающую стенку S₂₁, данная геометрия позволяет вывести колебания, возбужденные в феррите с эффективностью более 50% в нагрузку, что подразумевает дальнейшее излучение при помощи соответствующей антенны.