РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 8, с. 966-972
РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ^^^^^^^^^^ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ
УДК 537.624;537.632
О ПАРАМЕТРАХ ДИАГРАММ ИЗЛУЧЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩЕГО ПРИ ПРЕОБРАЗОВАНИИ ПОВЕРХНОСТНОЙ МАГНИТОСТАТИЧЕСКОЙ ВОЛНЫ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНУЮ
© 2004 г. А. В. Вашковский, Э. Г. Локк
Поступила в редакцию 07.10.2003 г.
Проведено исследование диаграмм направленности электромагнитного излучения, возникающего в результате преобразования поверхностной магнитостатической волны, распространяющейся в неоднородно намагниченной пленке железоиттриевого граната, в электромагнитную волну окружающего пространства. Установлено, что направление и ширина диаграммы направленности определяются величиной производной касательной компоненты неоднородного магнитного поля в направлении распространения магнитостатической волны. Проведено сравнение диаграмм указанного излучения и диаграмм электрического вибратора, помещенного в макет вместо пленки.
ВВЕДЕНИЕ
При исследовании распространения волновых пучков поверхностной магнитостатической волны (ПМСВ) в неоднородно намагниченных пленках железоиттриевого граната (ЖИГ), было обнаружено, что если по мере распространения пучка длина волны увеличивается, то происходит преобразование ПМСВ в электромагнитную волну, излучающуюся в пространство [1]. Дальнейшие эксперименты показали, что излучение исходит из узкой области поверхности пленки, где волновое число ПМСВ становится близким волновому числу к0 электромагнитной волны в вакууме. Факт существования такой узкой излучающей области вызвал различные предположения относительно формы диаграмм направленности излучения: с одной стороны, диаграмма узкой излучающей полоски должна соответствовать диаграмме элементарного электрического вибратора, с другой стороны, на формирование диаграммы направленности сильное влияние могло оказать СВЧ-поле ПМСВ из соседних областей пленки ЖИГ, находящихся в ближней зоне. Если бы последнее предположение оказалось верным, то, очевидно, возникла бы реальная возможность управления диаграммой направленности электромагнитного излучения путем изменения параметров ПМСВ, пленки ЖИГ или неоднородного магнитного поля.
Проведенные нами эксперименты показали, что диаграммы излучения имеют направленный характер, совершенно не похожий на диаграммы направленности элементарного электрического вибратора [2]. Однако механизм формирования достаточно острой диаграммы направленности остается до сих пор неизученным, так же как и вопрос о возможности изменения параметров излучения. В данной работе описываем эксперимен-
тальные исследования, которые позволяют понять, каким образом можно изменить основные параметры диаграммы - направление максимального излучения и ее ширину.
Приступая к постановке новых экспериментов, мы руководствовались следующей идеей: по мере распространения ПМСВ в неоднородно намагниченной пленке ЖИГ увеличивается не только ее длина волны, но и глубина проникновения СВЧ-поля волны в окружающее пленку пространство; это СВЧ-поле, находясь в непосредственной близости от излучающей области, очевидно, будет оказывать на диаграмму направленности излучения заметное влияние, зависящее от пространственного распределения СВЧ-поля. Очевидно, что весь процесс от возбуждения ПМСВ до ее преобразования в электромагнитную волну может занимать в пленке область размером от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров; это зависит от величины производной касательной компоненты неоднородного магнитного поля в направлении распространения волны (в математическом смысле имеем в виду производную по направлению). Следовательно, степень влияния СВЧ-полей ПМСВ на излучающую область будет зависеть от величины этой производной. Приведенные рассуждения побудили нас продолжить эксперименты, изменив и усовершенствовав экспериментальный макет, использованный в [2].
1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МАКЕТ
Схема экспериментального макета показана на рис. 1. В целом идеи создания макета, описанные в [2], были сохранены, поэтому рассмотрим лишь основные принципы и отличительные особенности конструкции. В отличие от макета, описанного в [2], для создания в пленке ЖИГ 1 стати-
Рис. 1. Схема экспериментального макета (вид в направлении оси, соединяющей центры полюсов магнита): 1 - пленка ЖИГ; 2 - двухполюсный магнит; 3 и 4 - поглотители электромагнитного излучения; 5 - преобразователь, возбуждающий ПМСВ; 6-8 - диэлектрические пластины; 9 - подложка из поликора с микрополосковой линией; 10 - коакси-ально-полосковый переход (размеры на схеме приведены в мм).
ческого неоднородного магнитного поля использован сравнительно небольшой двухполюсный магнит 2 с расстоянием между полюсами =70 мм и диаметром наконечников полюсов 40 мм. Для того чтобы металлические части магнита не влияли на параметры излучения, пленка ЖИГ была отделена от магнита высокоэффективными поглотителями электромагнитного излучения 3 и 4, рассчитанными для диапазона 2.5.. .5 ГГц.
Введем декартову систему координат х, у, z, в которой ось х перпендикулярна плоскости пленки ЖИГ, ось у лежит в плоскости пленки и перпендикулярна оси возбуждающего ПМСВ преобразователя 5, ось z совпадает с проекцией на плоскость пленки оси преобразователя, а начало системы координат находится в центре проекции преобразователя (см. рис. 1). В выбранной системе координат статическое неоднородное магнитное поле Н можно описать выражением
Н = Нх(х, у, z) хо + Ну (х, у, z)уо + Нг (х, у, z)Zo, где Нх, Ну, Нг - компоненты неоднородного магнитного поля, х0, у0, z0 - тройка ортогональных единичных векторов. Поскольку магнит был расположен так, что плоскость ХОУ являлась плоскостью симметрии одновременно и для полюсов магнита 2 и для преобразователя 5, то на оси у, вдоль которой распространялась ПМСВ, компоненты Нх и Ну были равны нулю, а при отклоне-
нии от оси у на расстояние, равное половине длины преобразователя (±4 мм), величины Нх и Ну не превышали 20 Э.
Таким образом, поскольку ширина волнового пучка ПМСВ примерно равна длине возбуждающего преобразователя (8 мм), то можно полагать, что компоненты Нх и Ну пренебрежимо малы, а возбуждение и распространение ПМСВ полностью определяются величиной компоненты Нг в плоскости пленки ЖИГ, т.е. зависимостью Нг(0, у, z). Качественно зависимость Н(0, у, z) аналогична приведенной в [2] на рис. 3, а зависимость Н^0, 0, z) -приведенной в [2] на рис. 2 и представляет собой поле с профилем типа "вала", предотвращающее дифракционное расширение волнового пучка [2, 3].
Другой постоянный магнит в макете, был использован прежде всего с целью получения иной (по сравнению с [2]) зависимости Н^0, у, 0), характеризующейся более высоким значением производной дНг/ду. На рис. 2 приведены зависимость Н^0, у, 0), характеризующая описываемый экспериментальный макет, и аналогичная зависимость, характеризующая макет из [2] (кривые 1 и 2 соответственно). Видно, что в первом случае вдоль всей траектории распространения волнового пучка значение производной дНг/ду = 8 Э/мм, тогда как в [2] это значение равно =3.6 Э/мм. Кроме того, помещая между пленкой ЖИГ и магнитом различные диэлектрические пластины (6-8 на рис. 1), мы добились того, чтобы, как и в [2], возбуждаю-
Н, э
500 450 400 350 300 250
-10 0
10 20 30 40
50 60
у, мм
Рис. 2. Зависимость величины И1 вдоль направления распространения ПМСВ (или вдоль оси у, где реализуются максимальные значения Иг(у, г)): 1 - для макета с дИ^ду = 8 Э/мм; 2 - для макета с дИ^ду = 3.6 Э/мм. Точками отмечены значения поля, соответствующие началу спектра ПМСВ для частоты 2732 МГц.
60°
2
270°
Рис. 3. Нормированные диаграммы направленности ^(ф, 0), измеренные в плоскости углов ф для 6 = 0 и / = 2732 МГц: 1 - для макета с дИ^/ду = 8 Э/мм; 2 - для макета с дИг/ду = 3.6 Э/мм; 3 - для элементарного электрического вибратора, помещенного вместо пленки ЖИГ в макете с дИг/ду = 8 Э/мм.
щий ПМСВ преобразователь располагался в поле Иг(0, 0, 0) = 333 Э. При этом расстояние между пленкой ЖИГ и поглотителем электромагнитной волны 4 составило 4.3 мм.
Отметим, что для обеспечения в данном исследовании и в [2] идентичных условий проведения эксперимента мы использовали те же самые коаксиаль-но-плосковый переход 9, микрополосковую линию 10, преобразователь, возбуждающий ПМСВ, приемную рупорную антенну и пленку ЖИГ толщиной -50 мкм с намагниченностью насыщения 4пМ0 = = 1916 Гс и шириной линии резонанса 2АИ = 0.7 Э, причем пленка ЖИГ была расположена так, что ориентация ее кристаллографических осей относительно направления распространения ПМСВ была сохранена, а преобразователь располагался над тем же местом пленки ЖИГ.
2. ИЗМЕРЕНИЕ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Эксперименты проводили в помещении, стены которого покрыты радиопоглощающими материалами (в безэховой камере). В целом методика измерения диаграмм направленности излучения описана в [2], поэтому ниже проведем анализ полученных результатов.
Экспериментальный макет и приемная рупорная антенна были установлены на расстоянии 5.6 м друг от друга, причем ориентация рупора, как и в [2], была рассчитана на прием поляризованной
волны, у которой вектор Е параллелен оси г (преобразователю, возбуждающему ПМСВ). При проведении измерений макет при помощи специально сконструированной механической системы вращали в плоскости ХОУ (плоскость углов ф) или в азимутальной плоскости (плоскость углов 6). Отсчет углов ф и 6 проводили против часовой стрелки от оси у (или от направления распространения ПМСВ).
Угловую ширину исследуемых диаграмм направленности, определяемую по уровню 0.5 от максимального уровня сигнала, будем обозначать как Аф и А6 для соответствующих плоскостей, а направление максимального излучения, определяемое как среднее между значениями углов по уровню 0.5 - как 6ср и 6ср.
Диаграмма направленности излучения ^(ф, 0), измеренная на частоте / = 2732 МГц в плоскости углов ф при 6 = 0 и нормированная к максимальному уровню сигнала, приведена на рис. 3 (кривая 1). Там же для сравнения показана аналогичная диаграмма Дф, 0), полученная на экспериментальном макете из [2] при той же частоте (кривая 2). Поско
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.