На базе диодных первичных преобразователей в сочетании с чувствительными малошумящимй усилителями строят ваттметры, позволяющие измерять мощности в диапазоне 0,1 нВт ... 10 мкВт. Усилитель с цифровым вольтметром можно использовать и с термоэлектрическими приемными преобразователями, таким образом перекрывая весь диапазон малых мощностей.

12.6. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ НА ОСНОВЕ ЯВЛЕНИЯ КРОССУМНОЖЕНИЯ В ФЕРРИТЕ

Этот метод позволяет измерять мощность в узкой полосе частот, которую можно смещать по диапазону частот в широких пределах. Поэтому метод удобен для спектральных измерений, в частности для анализа энергетических спектров шумов.

Ферромагнитный резонанс. Ферриты - это неметаллические материалы, близкие по своим свойствам к ферромагнитным. По своей химической природе ферриты являются сложными веществами, образуемыми окисью железа и окислами различных металлов. Например, существуют ферриты с окислами марганца, никеля, иттрия.

Магнитные свойства ферритов определяются в основном спиновыми моментами электронов. Вращающийся вокруг своей оси электрон подобно витку с током / можно характеризовать некоторым магнитным моментом М. При комнатной температуре под действием теплового движения магнитные моменты ориентированы не упорядоченно, так что суммарный магнитный момент равен нулю.

Если к ферриту приложено постоянное магнитное поле Но, то моменты отдельных спинов ориентируются в предпочтительном направлении, совпадающем с направлением поля (рис. 12.17, а). При некоторой напряженности поля наступает насыщение, когда практически все спиновые моменты ориентированы вдоль поля. В намагниченном до насыщения феррите влияние различных факторов, например слабых переменных полей, во многих случаях можно считать одинаковым для всех спинов. Следовательно, при качественном анализе свойств феррита можно ограничиться рассмотрением поведения одного электрона.

Но )М

Л My

Вращающийся вокруг своей оси электрон обладает массой и характеризуется моментом инерции (механическим моментом), так что его можно рассматривать как гироскоп с осью, совпадающей с вектором магнитного момента М. Под действием поля Но магнитный момент, а следовательно, и ось гироскопа ориентированы вдоль поля.

Если ось гироскопа отклонить от начального направления на угол а (рис. 12.7, б), то на нее будет действовать вращающий момент т = р,о[МНо], стремящийся вернуть ось в первоначальное состояние. Под влиянием вращающего момента ось гироскопа начнет прецессировать и конец вектора М будет описывать окружность в горизонтальной плоскости. Направление прецессии зависит от ориентации вектора Но: вращение вектора всегда происходит по часовой стрелке, если смотреть вдоль него.

Прецессия происходит с некоторой частотой fo, зависящей от напряженности магнитного поля, свойств ферритового материала и формы ферритового элемента. Например, для ферритового шарика, если в первом приближении пренебречь кристаллографической анизотропией материала, частота прецессии fo [кГц] = = 35,2Яо [А/м], т. е. частота линейно зависит от Яо.

Вследствие магнитных потерь прецессионные колебания затухают: конец вектора М движется не по окружности, а по спирали, показанной штриховой линией. Энергия электрона при этом переходит в тепло. Постоянная времени свободного процесса для разных ферритов составляет от 10" до 10" с.

Влияние магнитных потерь можно представить как момент «трения» Штр, стремящийся затормозить прецессионные колебания, т. е. перпендикулярный вектору М (в плоскости Ми Но), как показано на рис. 12.17, б.

Для поддержания незатухающих колебаний на электрон необходимо воздействовать вращающим моментом, компенсирующим момент трения, например с помощью слабого переменного магнитного поля, вектор Н которого перпендикулярен плоскости векторов М и Но. Если вектор Н направлен так, как показано на рис. 12.17, б, то создаваемый переменным полем момент т будет противоположен моменту Штр.

Вектор Н должен вращаться, т. е. переменное магнитное поле должно быть поляризовано по кругу, а направление вращения должно совпадать с направлением прецессии. Однако прецессионные колебания возбуждаются и в случае линейно поляризованного поля. Если же вектор Н имеет противоположное направление вращения, то вектор т в течение одного полупериода будет оказывать тормозящее воздействие, а в течение другого - компенсировать трение. Среднее за период воздействие будет равно нулю, и колебания затухнут.

Вынужденные колебания вектора магнитного момента феррита представляют собой прецессию с частотой f, совпадающей с частотой переменного поля. При его заданной амплитуде угол а тем больше, чем ближе частота внешнего воздействия к собственной частоте рассматриваемой колебательной системы- частоте прецессии fo. Это явление носит название ферромагнитного резонанса. Зависимость a(f) имеет вид резонансной кривой с центральной частотой fo, называемой частотой ферромагнитного резонанса.

Сущность кроссмодуляции. Пусть намагниченный до насыщения феррито-вый резонатор помещен в линию передачи СВЧ мощности. Если резонатор

настроен на частоту СВЧ колебаний, то угол прецессии в установившемся режиме пропорционален амплитуде Н высокочастотного поля в точке расположения резонатора: а = КН, где К-постоянный коэффициент, зависящий от свойств феррита. Резонатор можно расположить в плоскости круговой поляризации напряженности магнитного поля в прямоугольном волноводе, тогда при заданном поле угол а будет наибольшим.

При отклонении вектора магнитного момента М от начального положения на угол а составляющая My этого вектора, совпадающая с направлением Ну постоянного магнитного поля (рис. 12.17, в) уменьшается на

АМк = М -Mcosa=M(l - 1 -)

или My = MKH /2 = K,P„,

где Я„ - мощность падающей волны в линии передачи; К\ - коэффициент пропорциональности.

Отсюда следует, что для определения мощности достаточно измерить изменение магнитного момента.

Схема первичного преобразователя мощности показана на рис. 12.18, а. Ферритовая сфера располагается в плоскости круговой поляризации X в прямоугольном волноводе. Под действием поляризованного по кругу в плоскости К поля Я возникают прецессионные колебания вектора М и его составляющая My уменьшается (рис. 12.18, б). При значениях напряженности поля Ну, сильно отличающихся от напряженности На, соответствующей настройке резонатора на частоту поля СВЧ, прецессия не возникает, и Му==М. Если же НухНо, то в результате прецессии My уменьшается, причем максимальное отклонение чвет место при Иу = Нп.

На ферритовый резонатор намотана небольшая катушка, через которую проходит ток низкой частоты Q. от внешнего источника. Под действием тока возникает переменное магнитное поле „ cosQt, вектор которого направлен по

I T/Z