Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время всё более возрастает роль колебаний сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Приборы и техника СВЧ находят широкое применение в самых разнообразных областях науки и техники - радиолокации, навигации, связи, медицине и биологии, а также в ряде физических исследований. Это в свою очередь стимулирует разработки новых элементов и устройств СВЧ диапазона, повышение их технико-экономических характеристик. Успешное решение поставленных задач возможно лишь при глубоком и всестороннем исследовании и поиске новых физических явлений и эффектов в твёрдом теле, позволяющих создавать качественно новые элементы и устройства электроники СВЧ [1-9].
Одним из перспективных путей решения этих задач является использование магнитоэлектрических (МЭ) материалов. В МЭ материалах одновременно существуют магнитно- и электрически упорядоченные подсистемы, взаимодействие между которыми вносит ряд особенностей в свойства материала, в реакцию, системы на электрическое и магнитное поля. Кроме того, магнитоэлектрическое взаимодействие индуцирует ряд новых интересных эффектов.
Впервые предположение о возможности существования веществ, молекулы которых одновременно имеют электрические и магнитные дипольные моменты, а также о том, что электрическое поле может наряду с электрической поляризацией вызывать намагниченность, а магнитное - наряду с намагниченностью и электрическую поляризацию высказал профессор Московского
Университета С.А. Богуславский ещё в 1916 году. Однако, экспериментально магнитоэлектрический эффект (МЭЭ) в окиси хрома обнаружил Д.Н. Астров только в 1960 году. В настоящее время известно уже большое число МЭ материалов и как у нас в стране, так и за рубежом продолжается поиск и исследование новых. Задача эта является достаточно актуальной, особенно в связи с тем, что в последнее время показана широкая перспектива практического использования. МЭ материалов [1]. Наличие у них ряда важных для техники свойств (диэлектрических, магнитных, оптических, и др.) .позволяет надеяться, что на их основе могут быть созданы новые элементы функциональной электроники. Кроме того, вследствие существования взаимосвязи. между диэлектрическими и магнитными подсистемами эти вещества могут найти принципиально новые применения. В обзоре [9] особенно отмечается перспективность использования магнитоэлектрических материалов для построения устройств, работающих в СВЧ и оптическом диапазонах. В частности, это могут быть управляющие СВЧ устройства магнитного типа, управление параметрами которых осуществляется электрическим полем. Такие устройства, по сравнению с известными, обладают рядом преимуществ. Управление электрическим полем позволяет
[9];..
- снизить мощность, потребляемую в цепи управления;
избавиться от наводок, возникающих при управлении магнитным полем; .
осуществить развязку цепей управления при управлении одновременно электрическим и магнитным полем;
- повысить быстродействие управления;
- расширить функциональные возможности управляющих
СВЧ устройств.
Однако, широкое применение МЭ материалов в технике пока сдерживается отсутствием у имеющихся материалов нужного сочетания МЭ свойств с другими физическими параметрами. Поэтому для реализации устройств на их основе прежде всего необходимо всестороннее исследование МЭ материалов в СВЧ диапазоне. Между тем в литературе в настоящее время практически отсутствуют сведения о свойствах МЭ материалов на СВЧ, о разработке на их основе сверхвысокочастотных устройств. Учитывая отмеченные преимущества таких устройств, исследование МЭ материалов, в СВЧ диапазоне и построение на их основе СВЧ устройств с электрическим управлением представляются весьма актуальными.
Целью работы является исследование возможности построения на основе магнитоэлектрических материалов СВЧ фазовращателей.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие основные задачи:
разработать обоснованные требования к МЭ материалам по физическим параметрам и величине МЭЭ с целью построения на их основе СВЧ фазовращателей;
разработать методы расчёта позволяющие производить расчёт характеристик МЭ СВЧ фазовращателей как приближённо, так и с необходимой степенью точности;
- провести теоретический расчёт наиболее применяемых
конструкций фазовращателей и дать оценку их практического
применения;
- разработать и экспериментально исследовать устройства
управления фазой СВЧ колебаний на основе
магнитоэлектрических материалов.
Научная новизна работы.
При выполнении диссертационной работы получены следующие новые результаты:
- доказана возможность построения магнитоэлектрических
СВЧ фазовращателей;
получены расчётные соотношения для вычисления фазового сдвига с помощью управляющего электрического поля;
предложено использование в МЭ фазовращателях магнитостатических типов колебаний;
разработаны и экспериментально исследованы МЭ фазовращатели СВЧ диапазона.
Практическая ценность полученных в диссертации
результатов заключается в том, что теоретически и
экспериментально показана возможность практической
реализации МЭ фазовращателей СВЧ диапазона на основе
существующих композиционных магнитоэлектрических
материалов.
Основные положения и результаты выносимые на защиту:
- для построения МЭ фазовращателей СВЧ диапазона с
электрическим управлением в настоящее время могут быть
использованы композиционные феррит-сегнетоэлектрические
материалы с магнитоэлектрическими свойствами;
- использование расчётных формул, полученных с помощью
метода возмущений, метода эквивалентных схем и с помощью
вариационного метода, позволяет провести удовлетворительный расчёт характеристик МЭ фазовращателей СВЧ диапазона;
- на основе композиционных МЭ материалов построены
СВЧ фазовращатели с электрическим управлением, которые
обладают удовлетворительными характеристиками.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
7 Всероссийской научно-технической конференции
"Датчики и преобразователи информации систем измерения,
контроля и управления" / М.: МГИЭМ, 1995;
- 1 Объединенной конференции по магнитоэлектронике /
ИРЭ РАН, Москва, 1995;
8 Всероссийской научно-технической конференции
"Датчики и преобразователи информации систем измерения,
контроля и управления" / М.: МГИЭМ, 1996;
- Молодёжной научной конференции "XXI Гагаринские
чтения" / МГАТУ, Москва, 1996;
- The 2hd International Conference and Exhibition on Satellite
Communications - ICSC'96 / Moscow, 1996;
- Magnetoelectric Interaction Phenomena In Crystalls I III
International conferences, Novgorod, 1996);
- Научно-технической конференции "Оптико-электронные и
микроволновые приборы и системы для исследования Земли из
космоса и наземных измерений" / Москва, 1996;
2 Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин" / НГТУ, Нижний Новгород, 1997 г;
Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования/МИИГАИК, Москва, 1997; .
Sterowanie w Eneirgoelektronice і Napedzie Elektrycznym I SENE'97 Lodz-Arturowek, 1997 r; '
Микроволновая электроника больших мощностей:
измерения, идентификация, применение / ИИЭР-ШТУ -ИИП-
МЭ'97, Новосибирск, 1997; ;
- Научно-технические конференции преподавателей и
студентов НовГУ (Новгород, 1993-1997).
Публикация результатов работы. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 печатных работ.
Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, приложений и списка использованной литературы.