RU2492539C2 - Miniature device for mangetisation and thermal stabilisation of ferrite microwave resonators - Google Patents

Miniature device for mangetisation and thermal stabilisation of ferrite microwave resonators Download PDF

Info

Publication number
RU2492539C2
RU2492539C2 RU2011143096/07A RU2011143096A RU2492539C2 RU 2492539 C2 RU2492539 C2 RU 2492539C2 RU 2011143096/07 A RU2011143096/07 A RU 2011143096/07A RU 2011143096 A RU2011143096 A RU 2011143096A RU 2492539 C2 RU2492539 C2 RU 2492539C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
steel
resonator
ferrite
frequency
screen
Prior art date
Application number
RU2011143096/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011143096A (en
Inventor
Владимир Васильевич Тихонов
Сергей Аполлонович Никитов
Артем Николаевич Литвиненко
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Саратовский Государственный Университет Имени Н.Г. Чернышевского"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Саратовский Государственный Университет Имени Н.Г. Чернышевского" filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Саратовский Государственный Университет Имени Н.Г. Чернышевского"
Priority to RU2011143096/07A priority Critical patent/RU2492539C2/en
Publication of RU2011143096A publication Critical patent/RU2011143096A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2492539C2 publication Critical patent/RU2492539C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.
SUBSTANCE: dynamic frequency stability increases owing to design features of a magnetic system which includes heat-insulating elements which damp environmental thermal shocks. Frequency stability of the resonator is ensured by selecting thickness of two different magnets which are connected in a magnetic circuit in series to form a heat-insulating gap with an adjustment screw mounted in a hole in a magnetic shield. The adjustment screw is used only for tuning the resonator to a given thermal stabilisation frequency. Further frequency tuning is carried out using an electric control coil mounted in the lateral gap of permanent magnets. Temperature stability of the resonator frequency is maintained in the entire range of electrical adjustment. The design of the device enables accommodation in the working gap of a ferrite resonator together with the wafer of the microstrip integrated circuit of the electric device. The magnetic shield further operates as the housing of the electric device.
EFFECT: high dynamic stability of the resonator frequency during sharp changes in ambient temperature and miniaturisation of the functional microwave device.
3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в интегральных СВЧ устройствах, содержащих пленочные ферритовые резонаторы.The invention relates to radio engineering and can be used in integrated microwave devices containing film ferrite resonators.

Известно устройство намагничивания, состоящее из двух параллельных стальных пластин и двух одинаковых постоянных магнитов прямоугольной формы, расположенных между двумя стальными пластинами и присоединенных одноименными полюсами к одной пластине и противоположными полюсами к другой пластине. Напряженность поля в рабочем зазоре, образованном пластинами в промежутке между магнитами регулируется при помощи стальных шунтов расположенных на внешней боковой поверхности постоянных магнитов (Авторское свидетельство СССР №951208, МПК G01R 33/05).A magnetization device is known, consisting of two parallel steel plates and two identical permanent rectangular magnets located between two steel plates and connected by the same poles to one plate and opposite poles to another plate. The field strength in the working gap formed by the plates between the magnets is regulated using steel shunts located on the outer side surface of the permanent magnets (USSR Author's Certificate No. 951208, IPC G01R 33/05).

Однако это устройство не имеет защиты от внешних магнитных полей и сильно шунтируется окружающими стальными предметами.However, this device does not have protection against external magnetic fields and is strongly shunted by surrounding steel objects.

Известна также экранированная магнитная система с механической и электрической регулировкой поля, состоящая из цилиндрического стального экрана, внутри которого расположен стальной диск и пара кольцевых магнитов, присоединенных одноименными полюсами к стальной пластине, а противоположными полюсами к внутренним плоским поверхностям стального экрана. Между боковыми поверхностями стального диска и экраном выполнен зазор, который заполняется витками катушки электрического управления. Механическая регулировка поля в рабочем зазоре образованном плоскими поверхностями стального диска и экрана осуществляется регулировочным винтом, установленным симметрично на противоположной поверхности экрана (Авторское свидетельство СССР №1781744, МПК Н01К 33/05).Also known is a shielded magnetic system with mechanical and electrical field adjustment, consisting of a cylindrical steel screen, inside of which there is a steel disk and a pair of ring magnets connected by the same poles to a steel plate, and opposite poles to the inner flat surfaces of the steel screen. Between the side surfaces of the steel disk and the screen, a gap is made, which is filled with turns of an electric control coil. Mechanical adjustment of the field in the working gap formed by the flat surfaces of the steel disk and the screen is carried out by an adjusting screw mounted symmetrically on the opposite surface of the screen (USSR Author's Certificate No. 1781744, IPC Н01К 33/05).

Однако это устройство не обеспечивает температурной стабильности частоты ферритового резонатора, установленного в рабочем зазоре магнитной системы.However, this device does not provide temperature stability of the frequency of the ferrite resonator installed in the working gap of the magnetic system.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство намагничивания и термостабилизации ферритового резонатора, снабженное парой разнородных кольцевых магнитов с различающимися температурными коэффициентами размагничивания, удовлетворяющими условиюClosest to the proposed invention is a magnetization and thermal stabilization of a ferrite resonator equipped with a pair of dissimilar ring magnets with different temperature demagnetization coefficients that satisfy the condition

α M 1 < 4 π M 0 μ 0 H 0 α F < α M 2 ,                                                        ( 1 )

Figure 00000001
α M one < four π M 0 μ 0 H 0 α F < α M 2 , ( one )
Figure 00000001

где αF - температурный коэффициент размагничивания феррита;where α F is the temperature coefficient of demagnetization of ferrite;

αM1 - температурный коэффициент размагничивания первого магнита;α M1 - temperature coefficient of demagnetization of the first magnet;

αM2 - температурный коэффициент размагничивания второго магнита;α M2 is the temperature coefficient of demagnetization of the second magnet;

4πM0 - намагниченность насыщения феррита;4πM 0 is the saturation magnetization of ferrite;

H0 - требуемая напряженность магнитного поля в рабочем зазоре;H 0 - the required magnetic field strength in the working gap;

µ0 - магнитная постоянная,µ 0 is the magnetic constant,

а отношение площадей полюсов кольцевых магнитов SM0 и SM1 удовлетворяет условию:and the ratio of the pole areas of the ring magnets S M0 and S M1 satisfies the condition:

S M 0 S M 1 = B M 1 B M 0 4 π M 0 α F α M 0 μ 0 H 0 μ 0 H 0 α M 1 4 π M 0 α F                                      ( 2 )

Figure 00000002
S M 0 S M one = B M one B M 0 four π M 0 α F - α M 0 μ 0 H 0 μ 0 H 0 α M one - four π M 0 α F ( 2 )
Figure 00000002

где BM0 и BM1 - остаточные индукции постоянных магнитов. Устройство намагничивания содержит замкнутый цилиндрический стальной экран, стальной диск, установленный осесимметрично внутри экрана, два разнородных магнита, стальной регулировочный винт, катушку электрического управления, выполненную с возможностью подключения к источнику питания, установленную в боковом зазоре стального диска и экрана, ферритовый резонатор, выполненный с возможностью подключения к внешнему СВЧ тракту, расположенный осесимметрично между стальным диском и плоской поверхностью стального экрана (см. патент на изобретение RU №2356120, С2, МПК H01F 13/00).where B M0 and B M1 are the residual induction of permanent magnets. The magnetization device comprises a closed cylindrical steel screen, a steel disk mounted axisymmetrically inside the screen, two dissimilar magnets, a steel adjusting screw, an electric control coil, configured to connect to a power source, installed in the side gap of the steel disk and the screen, a ferrite resonator made with the ability to connect to an external microwave path, located axisymmetrically between the steel disk and the flat surface of the steel screen (see patent for retention RU No. 2356120, C2, IPC H01F 13/00).

Недостатком такого устройства является термодинамическая неустойчивость частоты ферритового резонатора, возникающая из-за неравномерного прогрева (охлаждения) постоянных магнитов и резонатора при резких изменениях температуры окружающей среды.The disadvantage of this device is the thermodynamic instability of the frequency of the ferrite resonator, which occurs due to the uneven heating (cooling) of the permanent magnets and the resonator during sudden changes in ambient temperature.

Технический результат изобретения заключается в повышении термодинамической устойчивости частоты ферритового резонатора, а также уменьшении габаритов интегрального устройства, элементом которого является ферритовый резонатор.The technical result of the invention is to increase the thermodynamic stability of the frequency of the ferrite resonator, as well as to reduce the size of the integrated device, the element of which is a ferrite resonator.

Указанный технический результат достигается тем, что миниатюрное устройство намагничивания и термостабилизации частоты ферритового СВЧ резонатора, содержащее: замкнутый цилиндрический стальной экран, стальной диск, установленный осесимметричпо внутри экрана; два разнородных магнита, стальной регулировочный винт, катушку электрического управления, выполненную с возможностью подключения к источнику питания, установленную в боковом зазоре стального диска и экрана; ферритовый резонатор, выполненный с возможностью подключения к внешнему СВЧ тракту, расположенный осесимметрично между стальным диском и плоской поверхностью стального экрана, согласно решению стальной регулировочный винт установлен в резьбовом отверстии, выполненном осесимметрично в плоской поверхности стального экрана напротив ферритового резонатора, устройство содержит второй стальной регулировочный винт, установленный в осесимметричном резьбовом отверстии на противоположной поверхности стального экрана; устройство содержит микрополосковую интегральную микросхему, подключенную к ферритовому резонатору, выполненную с возможностью подключения к источнику электропитания, первый и второй постоянные магниты выполнены в виде дисков с осевой намагниченностью; магниты соединены разноименными полюсами и присоединены одним из внешних полюсов к обратной стороне стального диска; противоположный внешний полюс образует зазор с первым регулировочным винтом; катушка электрического управления снабжена каркасом из теплоизолирующего материала. Диаметры первого и второго постоянных магнитов, стального диска, первого и второго регулировочного винта выполняются равными друг другу, а отношение толщин постоянных магнитов lM1, lM2 выбираются из условияThe specified technical result is achieved by the fact that a miniature magnetization and thermal stabilization frequency of a ferrite microwave resonator, comprising: a closed cylindrical steel screen, a steel disk mounted axisymmetric inside the screen; two dissimilar magnets, a steel adjusting screw, an electric control coil made with the ability to connect to a power source, installed in the lateral gap of the steel disk and the screen; a ferrite resonator configured to connect to an external microwave path, located axisymmetrically between the steel disk and the flat surface of the steel screen, according to the decision, the steel adjustment screw is mounted in a threaded hole made axisymmetrically in the flat surface of the steel screen opposite the ferrite resonator, the device contains a second steel adjustment screw mounted in an axisymmetric threaded hole on the opposite surface of the steel screen; the device comprises a microstrip integrated circuit connected to a ferrite resonator, configured to be connected to a power source, the first and second permanent magnets are made in the form of axial magnetized disks; magnets are connected by opposite poles and connected by one of the external poles to the back of the steel disk; the opposite outer pole forms a gap with the first adjusting screw; the electric control coil is provided with a frame of heat insulating material. The diameters of the first and second permanent magnets, the steel disk, the first and second adjusting screws are equal to each other, and the ratio of the thicknesses of the permanent magnets l M1 , l M2 are selected from the condition

l M 1 l M 2 = B r 2 B r 1 4 π γ M 0 ( α F / α M 2 1 ) f s t f s t 4 π γ M 0 ( α F / α M 1 1 )                                          ( 3 )

Figure 00000003
l M one l M 2 = B r 2 B r one four π γ M 0 ( α F / α M 2 - one ) - f s t f s t - four π γ M 0 ( α F / α M one - one ) ( 3 )
Figure 00000003

где αF - температурный коэффициент размагничивания феррита; М0 намагниченность насыщения феррита; αM1, αM2 - температурные коэффициенты размагничивания первого и второго постоянных магнитов; Br1, Br2 - остаточные индукции первого и второго постоянных магнитов; γ - гиромагнитное отношение; fst - заданная частота температурной стабилизации. Микрополосковая интегральная микросхема выполнена на дисковой диэлектрической подложке, диаметр которой выполнен равным внутреннему диаметру стального экрана; в центре подложки выполнено отверстие, внутри которого установлен ферритовый резонатор.where α F is the temperature coefficient of demagnetization of ferrite; M 0 is the saturation magnetization of ferrite; α M1 , α M2 - temperature coefficients of demagnetization of the first and second permanent magnets; B r1 , B r2 - residual induction of the first and second permanent magnets; γ is the gyromagnetic ratio; f st - a given frequency of temperature stabilization. The microstrip integrated circuit is made on a disk dielectric substrate, the diameter of which is made equal to the inner diameter of the steel screen; a hole is made in the center of the substrate, inside which a ferrite resonator is mounted.

Конструкция устройства представлена на фиг.1. Миниатюрное устройство намагничивания и термостабилизации частоты ферритового СВЧ резонатора, содержит замкнутый цилиндрический стальной экран 1. Внутри экрана осесимметрично установлены два разнородных постоянных магнита 2 и 3 и стальной диск 4. Магниты выполнены в виде дисков с диаметрами, равными диаметру стального диска, и имеют осевую намагниченность; магниты соединены разноименными полюсами и присоединены одним из внешних полюсов к одной плоской стороне стального диска. Устройство содержи г два стольных регулировочных винта 5 и 6, установленных в осесимметричных резьбовых отверстиях, выполненных на противоположных плоских поверхностях стального экрана. В зазоре между регулировочным винтом 6 и плоской стороной стального диска 4, обращенной от магнитов, расположен ферритовый СВЧ резонатор 7, установленный на диэлектрической подложке микрополосковой интегральной микросхемы 8, выполненной с возможностью подключения к внешнему СВЧ тракту посредством коаксиального СВЧ вывода 9 и к источнику электропитания посредством выводов 10. В боковом зазоре между стальным диском и внутренней поверхностью экрана расположена катушка электрического управления 12, снабженная диэлектрическим каркасом 11 и выполненная с возможностью подключения к источнику питания посредством выводов 13.The design of the device is presented in figure 1. The miniature magnetization and thermal stabilization device for the frequency of a ferrite microwave resonator contains a closed cylindrical steel screen 1. Two dissimilar permanent magnets 2 and 3 and a steel disk 4 are mounted axisymmetrically. The magnets are made in the form of disks with diameters equal to the diameter of the steel disk and have axial magnetization ; the magnets are connected by opposite poles and connected by one of the external poles to one flat side of the steel disk. The device contains two tabletop adjusting screws 5 and 6, mounted in axisymmetric threaded holes made on opposite flat surfaces of the steel screen. In the gap between the adjusting screw 6 and the flat side of the steel disk 4, facing away from the magnets, there is a ferrite microwave resonator 7 mounted on a dielectric substrate of a microstrip integrated circuit 8 configured to connect to an external microwave path through a coaxial microwave output 9 and to a power source by conclusions 10. In the lateral gap between the steel disk and the inner surface of the screen is an electric control coil 12, equipped with a dielectric frame 11 and complements to be connected to the power source via pin 13.

Устройство работает следующим образом. Последовательно включенные первый 2 и второй 3 дисковые магниты создают магнитный поток, который входит в стальной диск 4 и через воздушный зазор поступает во второй регулировочный винт бив стальной экран 1. Далее через первый регулировочный винт 5 и воздушный зазор замыкается на противоположном полюсе первого магнита 2. Механическая регулировка поля в рабочем зазоре осуществляется путем ввинчивания/вывинчивания регулировочных винтов 5 и 6. Эта регулировка используется только для начальной настройки резонатора на заданную частоту температурной стабилизации. После завершения настройки положение винтов жестко фиксируется. В дальнейшем используется только электрическая регулировка поля, которая осуществляется за счет изменения величины и направления тока в обмотке катушки электрического управления 12. Подвод электропитание катушки управления осуществляется посредством изолированных вводов 13, проходящих через отверстия в экране. Коаксиальный ввод 9 используются для подключения микрополосковой интегральной микросхемы 8 к внешнему СВЧ тракту. Изолированный ввод 10 используется для подвода электропитания активных элементов микрополосковой интегральной микросхемы.The device operates as follows. Serially connected first 2 and second 3 disk magnets create a magnetic flux, which enters the steel disk 4 and through the air gap enters the second adjusting screw by breaking the steel screen 1. Then through the first adjusting screw 5 and the air gap closes at the opposite pole of the first magnet 2. The mechanical adjustment of the field in the working gap is carried out by screwing in / out the adjusting screws 5 and 6. This adjustment is used only for initial tuning of the resonator to a given frequency of the temperature -temperature stabilization. After completing the setting, the position of the screws is fixed firmly. In the future, only electric field adjustment is used, which is carried out by changing the magnitude and direction of the current in the winding of the electric control coil 12. The power supply of the control coil is supplied through insulated inputs 13 passing through the holes in the screen. Coaxial input 9 are used to connect the microstrip integrated circuit 8 to an external microwave path. The insulated input 10 is used to supply power to the active elements of the microstrip integrated circuit.

Суммарные габариты интегрального устройства, содержащего ферритовый резонатор, значительно уменьшаются за счет использования стального экрана намагничивающего устройства резонатора в качестве корпуса микрополосковой интегральной микросхемы. Конструктивные особенности предлагаемого изобретения дополнительно уменьшают габариты намагничивающего устройства за счет уменьшения диаметров дисковых магнитов, стального диска и регулировочных винтов до размеров сравнимых с размерами ферритового резонатора, а также за счет уменьшения толщин постоянных магнию» при уменьшении толщины рабочего зазора в случае расположения ферритового резонатора в отверстии подложки микрополосковой интегральной микросхемы.The overall dimensions of the integrated device containing the ferrite resonator are significantly reduced due to the use of the steel screen of the magnetizing device of the resonator as the housing of the microstrip integrated circuit. The design features of the invention further reduce the dimensions of the magnetizing device by reducing the diameters of disk magnets, steel disk and adjusting screws to sizes comparable to the dimensions of a ferrite resonator, as well as by reducing the thicknesses of the constants of magnesium "when reducing the thickness of the working gap in the case of a ferrite resonator in the hole substrates of a microstrip integrated circuit.

Встроенная система термостабилизации не увеличивает габариты устройства намагничивания ферритового резонатора. В данной конструкции она реализована на принципе компенсации температурного дрейфа частоты резонатора адекватным изменением поля в рабочем зазоре. В случае нормального намагничивания, как показано на фиг.1, условие температурной стабильности частоты резонатора f(T)≈γ[H0(T)-4πM0(T)] приводится к видуThe built-in thermal stabilization system does not increase the dimensions of the magnetization device of a ferrite resonator. In this design, it is implemented on the principle of compensating the temperature drift of the resonator frequency with an adequate change in the field in the working gap. In the case of normal magnetization, as shown in Fig. 1, the condition for the temperature stability of the resonator frequency f (T) ≈γ [H 0 (T) -4πM 0 (T)] is reduced to

H 0 ( T ) T 4 π M 0 ( T ) T = 0,                                                   ( 4 )

Figure 00000004
H 0 ( T ) T - four π M 0 ( T ) T = 0 ( four )
Figure 00000004

где H0(T) - напряженность поля в рабочем зазоре, М0(Т) - намагниченность насыщения феррита, γ=2,83 МГц/Э - гиромагнитное отношение. Напряженность поля H0(Т) рассчитывается по правилам Кирхгофа для магнитной цепи, представленной на фиг.2, где ΦM1(T)=Br1(T)SM1 и ΦM2(T)=Br2(T)SM2 - магнитные потоки, создаваемые первым и вторым магнитами, Br1(Т), Br2(Т) - остаточные индукции постоянных магнитов, SM1, SM2 - площади полюсов магнитов, RM1=lM10SM1, RM2=lM20SM2 - внутренние сопротивления магнитов, lM1, lM2 - толщины магнитов, µ0 - магнитная проницаемость вакуума, EM=Iw - магнитодвижущая сила катушки с током, I - сила тока, w - число витков катушки, R0=l00S0, R1=l10S1, R2=l20S2 - магнитные сопротивления, соответственно, рабочего, регулировочного и бокового зазоров, l0, S0; l1, S1; l2, S2 - соответственно, толщины и площади рабочего, регулировочного и бокового зазоров. С учетом требования S0=S1=SM1=SM2=S напряженность поля в рабочем зазоре получается в видеwhere H 0 (T) is the field strength in the working gap, M 0 (T) is the saturation magnetization of ferrite, γ = 2.83 MHz / E is the gyromagnetic ratio. The field strength H 0 (T) is calculated according to the Kirchhoff rules for the magnetic circuit shown in Fig. 2, where Φ M1 (T) = B r1 (T) S M1 and Φ M2 (T) = B r2 (T) S M2 - magnetic flux generated by the first and second magnets, B r1 (T), B r2 (T) - residual induction of permanent magnets, S M1 , S M2 - the area of the poles of the magnets, R M1 = l M1 / µ 0 S M1 , R M2 = l M2 / µ 0 S M2 are the internal resistances of the magnets, l M1 , l M2 are the thicknesses of the magnets, µ 0 is the magnetic permeability of the vacuum, E M = Iw is the magnetomotive force of the coil with current, I is the current strength, w is the number of turns of the coil, R 0 = l 0 / μ 0 S 0, R 1 = l 1 / μ 0 S 1, R 2 = l 2 / μ 0 S 2 - magnetic resisting I, respectively, working, adjustment and lateral clearances, l 0, S 0; l 1 , S 1 ; l 2 , S 2 - respectively, the thickness and area of the working, adjusting and lateral gaps. Taking into account the requirement S 0 = S 1 = S M1 = S M2 = S, the field strength in the working gap is obtained in the form

H 0 ( T ) = B r 1 ( T ) l M 1 + B r 2 ( T ) l M 2 ± I w μ 0 S μ 0 { l 0 + l 1 + ( l M 1 + l M 2 ) [ 1 + ( l 0 + l 1 ) l 2 S 2 S ] } ,               ( 5 )

Figure 00000005
H 0 ( T ) = B r one ( T ) l M one + B r 2 ( T ) l M 2 ± I w μ 0 S μ 0 { l 0 + l one + ( l M one + l M 2 ) [ one + ( l 0 + l one ) l 2 S 2 S ] } , ( 5 )
Figure 00000005

где знак (±) определяется направлением протекания тока в катушке управления. С учетом (5) условие термостабилизации (4) перепишется в видеwhere the sign (±) is determined by the direction of current flow in the control coil. Taking into account (5), the condition of thermal stabilization (4) is rewritten in the form

α M 1 B r 1 ( T ) l M 1 + α M 2 B r 2 ( T ) l M 2 B r 1 ( T ) l M 1 + B r 2 ( T ) l M 2 = 4 π α F M 0 ( T ) H 0 M ( T ) ,                    ( 6 )

Figure 00000006
α M one B r one ( T ) l M one + α M 2 B r 2 ( T ) l M 2 B r one ( T ) l M one + B r 2 ( T ) l M 2 = four π α F M 0 ( T ) H 0 M ( T ) , ( 6 )
Figure 00000006

где H0M(Т) - напряженность поля в рабочем зазоре при отсутствии тока в катушке управления, α M 1 = 1 B r 1 ( T ) B r 1 ( T ) ( T )

Figure 00000007
, α M 2 = 1 B r 2 ( T ) B r 2 ( T ) T
Figure 00000008
- температурные коэффициенты остаточной индукции первого и второго магнитов, α F = 1 B r 1 ( T ) M 0 ( T ) ( T )
Figure 00000009
- температурный коэффициент намагниченности феррита. Из условия (6) нетрудно получить соотношение толщин постоянных магнитовwhere H 0M (T) is the field strength in the working gap in the absence of current in the control coil, α M one = one B r one ( T ) B r one ( T ) ( T )
Figure 00000007
, α M 2 = one B r 2 ( T ) B r 2 ( T ) T
Figure 00000008
- temperature coefficients of the residual induction of the first and second magnets, α F = one B r one ( T ) M 0 ( T ) ( T )
Figure 00000009
- temperature coefficient of magnetization of ferrite. From condition (6) it is easy to obtain the ratio of the thicknesses of permanent magnets

l M 1 l M 2 = B r 2 B r 1 4 π γ M 0 ( α F / α M 2 1 ) f s t f s t 4 π γ M 0 ( α F / α M 1 1 ) ,                                ( 7 )

Figure 00000010
l M one l M 2 = B r 2 B r one four π γ M 0 ( α F / α M 2 - one ) - f s t f s t - four π γ M 0 ( α F / α M one - one ) , ( 7 )
Figure 00000010

при котором частота резонатора fst стабилизируется во всем диапазоне рабочих температур, в пределах которого температурное размагничивание феррита и постоянных магнитов имеет линейный и обратимый характер, а частота стабилизации удовлетворяет условиюat which the resonator frequency f st is stabilized over the entire range of operating temperatures, within which the temperature demagnetization of ferrite and permanent magnets is linear and reversible, and the stabilization frequency satisfies the condition

f s t 1 f s t f s t 2 ,                                                                     ( 8 )

Figure 00000011
f s t one f s t f s t 2 , ( 8 )
Figure 00000011

где fst1=4πγM0FM1-1), fst2=4πγM0FM2-1) - граничные частоты диапазона стабилизации, соответствующие нулевой толщине одного из магнитов. Существенно, что ток, протекающий в катушке управления, не входит в выражение (6). Это означает, что температурная стабилизация частоты резонатора сохраняется во всем диапазоне электрической перестройки. Однако это не исключает сдвигов частоты, при возникновении градиентов температур постоянных магнитов и резонатора.where f st1 = 4πγM 0F / α M1 -1), f st2 = 4πγM 0F / α M2 -1) are the boundary frequencies of the stabilization range corresponding to the zero thickness of one of the magnets. It is essential that the current flowing in the control coil is not included in expression (6). This means that the temperature stabilization of the resonator frequency is maintained over the entire range of electrical tuning. However, this does not exclude frequency shifts when temperature gradients of the permanent magnets and the resonator occur.

В данном изобретении причины возникновения температурных градиентов устраняются конструктивными особенностями устройства. Диэлектрическая подложка микрополосковой схемы, каркас катушки электрического управления 11 и воздушные зазоры образованные первым 5 и вторым 6 регулировочным винтом дополнительно выполняют функции теплоизоляторов демпфирующих тепловые удары окружающей среды. Теплоизоляция обуславливает более медленный и, соответственно, более равномерный прогрев (охлаждение) постоянных магнитов и резонатора, исключающий возможность возникновение градиентов температур.In this invention, the causes of temperature gradients are eliminated by the design features of the device. The dielectric substrate of the microstrip circuit, the frame of the electric control coil 11 and the air gaps formed by the first 5 and second 6 adjusting screws additionally perform the functions of heat insulators damping thermal shock of the environment. Thermal insulation causes a slower and, accordingly, more uniform heating (cooling) of permanent magnets and a resonator, eliminating the possibility of temperature gradients.

Следует отметить, что расчеты частот температурной стабилизации fst по правилам Кирхгофа для магнитных цепей дают лишь приближенный результат, поскольку в них не учитываются поля рассеяния, а магниты рассматриваются в приближении прямоугольности петли гистерезиса. В реальном устройстве частота стабилизации может отличаться от расчетной, но это не мешает реализации изобретения.It should be noted that calculations of the temperature stabilization frequencies f st according to the Kirchhoff rules for magnetic circuits give only an approximate result, since they do not take into account the scattering fields, and magnets are considered in the approximation of the rectangularity of the hysteresis loop. In a real device, the stabilization frequency may differ from the calculated one, but this does not interfere with the implementation of the invention.

Ниже приведен пример реализации изобретения. Для наглядности рассматривалась математическая модель реального устройства, как на фиг.2, с последовательно включенными неодим-железо-боровым (Nd-Fe-B) и самарий-кобальтовым (Sm-Co) магнитами, предназначенного для намагничивания и термостабилизации пленочного ЖИГ резонатора в диапазоне температур (-40, +60)ºС. Моделирование топологии поля осуществлялось методом конечных элементов, реализованным в пакете программ Ansoft Maxwell SV. Исходными данными расчета являлись заданные толщины: Nd-Fe-B магнита lM1=2 мм; Sm-Co магнита lM2=1 мм; стального диска d0=0,5 мм, рабочего зазора l0=1 мм и регулировочного зазора l1=0; 0,5; 1; 1,5; 2 мм. Радиусы Nd-Fe-B и Sm-Co магнитов, стального диска и регулировочных винтов выбирались равными r0=2,5 мм. Внутренний радиус стального экрана составлял r1=7 мм, а внешний радиус - r2=8 мм. Толщина торцевых стенок магнитного экрана составляла d1=1,5 мм. При этом габариты устройства составляли ⌀16×10 мм. Для расчетов использовались справочные данные: для ЖИГ - αF=0.23%/ºС, 4πM0=1.75 КГс; для Nd-Fe-B - αM1=0.12%/ºС, Br1=11.2 КГс; для Sm-Co - αM2=0.05%/ºС, Br2=7.5 КГс.The following is an example implementation of the invention. For clarity, a mathematical model of a real device was considered, as in Fig. 2, with neodymium-iron-boron (Nd-Fe-B) and samarium-cobalt (Sm-Co) magnets connected in series for magnetizing and thermal stabilization of the film YIG resonator in the range temperatures (-40, +60) ºС. The field topology was modeled by the finite element method implemented in the Ansoft Maxwell SV software package. The initial calculation data were the specified thicknesses: Nd-Fe-B magnet l M1 = 2 mm; Sm-Co magnet l M2 = 1 mm; steel disk d 0 = 0.5 mm, working clearance l 0 = 1 mm and adjusting clearance l 1 = 0; 0.5; one; 1.5; 2 mm. The radii of the Nd-Fe-B and Sm-Co magnets, the steel disk, and the adjusting screws were chosen equal to r 0 = 2.5 mm. The inner radius of the steel screen was r 1 = 7 mm, and the outer radius was r 2 = 8 mm. The thickness of the end walls of the magnetic screen was d 1 = 1.5 mm. The dimensions of the device were ⌀16 × 10 mm. For the calculations, reference data were used: for YIG - α F = 0.23% / ºС, 4πM 0 = 1.75 KG; for Nd-Fe-B - α M1 = 0.12% / ºС, B r1 = 11.2 KG; for Sm-Co - α M2 = 0.05% / ºС, B r2 = 7.5 kgf.

Ниже приведены результаты численных расчетов. На графике фиг.3 представлена радиальная зависимость напряженности поля в рабочем зазоре H0(r), рассчитанная в плоскости расположения пленочного резонатора при толщине регулировочного зазора l1=0,5 мм. Пунктиром на графике отмечен радиус полюсных наконечников r0=2,5 мм. Видно, что в радиусе расположения пленки ЖИГ rF~1,5 мм поле однородно, что необходимо для эффективного возбуждения ЖИГ резонатора, а его напряженность составляет H0=3754 Э, что соответствует возбуждению резонатора на частоте f(T0)=5674 МГц. На фиг.3 видно, что силовые линии поля не выходят за пределы стального корпуса, что свидетельствует о хорошей экранировке магнитной системы.Below are the results of numerical calculations. The graph of figure 3 shows the radial dependence of the field strength in the working gap H 0 (r), calculated in the plane of the film resonator with a thickness of the adjustment gap l 1 = 0.5 mm. The dotted line on the graph indicates the radius of the pole pieces r 0 = 2.5 mm. It is seen that the field is uniform in the radius of the YIG film r F ~ 1.5 mm, which is necessary for the effective excitation of the YIG resonator, and its intensity is H 0 = 3754 Oe, which corresponds to excitation of the resonator at a frequency f (T 0 ) = 5674 MHz . Figure 3 shows that the field lines do not extend beyond the steel casing, which indicates a good shielding of the magnetic system.

На фиг.4 представлен расчет температурной зависимости частот возбуждения ЖИГ резонатора f(T), при двух толщинах регулировочного зазора l1=0 и l1=0,5 мм. Видно, что зависимость f(T) имеет строго линейный характер, причем частота возбуждения резонатора и наклон температурной характеристики частоты ∆f/∆T существенно зависят от положения регулировочного винта. Расчет значений ∆f/∆T для ряда толщин регулировочного зазора l1=0; 0,5; 1; 1,5; 2 мм представлен на фиг.5. Здесь на оси абсцисс отмечены частоты возбуждения ЖИГ резонатора при комнатной температуре T0=20ºС.Figure 4 presents the calculation of the temperature dependence of the excitation frequencies of the YIG resonator f (T), with two thicknesses of the adjustment gap l 1 = 0 and l 1 = 0.5 mm. It is seen that the dependence f (T) has a strictly linear character, and the resonator excitation frequency and the slope of the temperature characteristic of the frequency ∆f / ∆T substantially depend on the position of the adjusting screw. Calculation of ∆f / ∆T values for a number of thicknesses of the adjustment gap l 1 = 0; 0.5; one; 1.5; 2 mm is shown in FIG. Here, on the abscissa axis, the frequencies of the YIG resonator excitation at room temperature T 0 = 20 ° C are marked.

Частота стабилизации fst, соответствующая условию ∆f/∆T=0, расположена в интервале частот 5673,98…6621,95 МГц, на котором функция ∆f/∆T меняет знак (на фиг.5 частота fst отмечена стрелкой). Используя правило подобия прямоугольных треугольников, рассчитывается требуемая толщина регулировочного зазора l1=0,3 8 мм и частота стабилизации ЖИГ резонатора fst=5892,46 МГц. Требуемый зазор устанавливается вращением первого регулировочного винта.The stabilization frequency f st corresponding to the condition Δf / ΔT = 0 is located in the frequency range 5673.98 ... 6621.95 MHz, at which the function Δf / ΔT changes sign (in figure 5, the frequency f st is marked by an arrow). Using the rule of similarity of right-angled triangles, the required thickness of the adjusting gap l 1 = 0.3 8 mm and the stabilization frequency of the YIG resonator f st = 5892.46 MHz are calculated. The required clearance is set by rotating the first adjusting screw.

На практике параметром настройки системы термостабилизации является частота ЖИГ резонатора, измеряемая в заданном диапазоне температур. При этом процедура определения частоты стабилизации fst и настройки резонатора на эту частоту в точности повторяет действия, описанные выше. По окончании настройки положение обоих регулировочных винтов жестко фиксируют. В дальнейшем перестройку резонансной частоты осуществляют электрической регулировкой.In practice, the thermal stabilization system settings parameter is the frequency of the YIG resonator, measured in a given temperature range. In this case, the procedure for determining the stabilization frequency f st and tuning the resonator to this frequency exactly repeats the steps described above. At the end of the adjustment, the position of both adjusting screws is firmly fixed. In the future, the tuning of the resonant frequency is carried out by electrical adjustment.

Claims (3)

1. Миниатюрное устройство намагничивания и термостабилизации частоты ферритового СВЧ резонатора, содержащее замкнутый цилиндрический стальной экран, стальной диск, установленный осесимметрично внутри экрана; два разнородных магнита, стальной регулировочный винт, катушку электрического управления, выполненную с возможностью подключения к источнику питания, установленную в боковом зазоре стального диска и экрана, ферритовый резонатор, выполненный с возможностью подключения к внешнему СВЧ тракту, расположенный осесимметрично между стальным диском и плоской поверхностью стального экрана, отличающееся тем, что стальной регулировочный винт установлен в резьбовом отверстии, выполненном осесимметрично в плоской поверхности стального экрана напротив ферритового резонатора, устройство содержит второй стальной регулировочный винт, установленный в осесимметричном резьбовом отверстии на противоположной поверхности стального экрана, устройство содержит микрополосковую интегральную микросхему, подключенную к ферритовому резонатору, выполненную с возможностью подключения к источнику электропитания, первый и второй постоянные магниты выполнены в виде дисков с осевой намагниченностью, магниты соединены разноименными полюсами и присоединены одним из внешних полюсов к обратной стороне стального диска, противоположный внешний полюс образует зазор с первым регулировочным винтом, катушка электрического управления снабжена каркасом из теплоизолирующего материала.1. A miniature device for magnetizing and thermally stabilizing the frequency of a ferrite microwave resonator, comprising a closed cylindrical steel screen, a steel disk mounted axisymmetrically inside the screen; two dissimilar magnets, a steel adjusting screw, an electric control coil made with the ability to connect to a power source, installed in the side gap of the steel disk and the screen, a ferrite resonator made with the ability to connect to the external microwave path, located axisymmetrically between the steel disk and the flat surface of the steel screen, characterized in that the steel adjusting screw is installed in a threaded hole made axisymmetrically in the flat surface of the steel screen n against a ferrite resonator, the device contains a second steel adjusting screw mounted in an axisymmetric threaded hole on the opposite surface of the steel screen, the device contains a microstrip integrated circuit connected to a ferrite resonator, configured to connect to a power source, the first and second permanent magnets are made in the form of disks with axial magnetization, the magnets are connected by opposite poles and connected by one of the external poles to the back the opposite side of the steel disk forms a gap with the first adjusting screw, the electric control coil is equipped with a frame made of heat-insulating material. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметры первого и второго постоянных магнитов, стального диска, первого и второго регулировочного винта выполнены равными друг другу, а отношение толщин постоянных магнитов lМ1, lМ2 выбраны из условия
l M 1 l M 2 = B r 2 B r 1 4 π γ M 0 ( α F / α M 2 1 ) f s t f s t 4 π γ M 0 ( α F / α M 1 1 )   ,
Figure 00000012

где αF - температурный коэффициент размагничивания феррита; М0 - намагниченность насыщения феррита; αМ1, αМ2 - температурные коэффициенты размагничивания первого и второго постоянных магнитов; Вr1, Вr2 - остаточные индукции первого и второго постоянных магнитов; γ - гиромагнитное отношение; fst - заданная частота температурной стабилизации.
2. The device according to claim 1, characterized in that the diameters of the first and second permanent magnets, steel disk, first and second adjusting screws are made equal to each other, and the ratio of the thicknesses of the permanent magnets l M1 , l M2 is selected from the condition
l M one l M 2 = B r 2 B r one four π γ M 0 ( α F / α M 2 - one ) - f s t f s t - four π γ M 0 ( α F / α M one - one ) ,
Figure 00000012

where α F is the temperature coefficient of demagnetization of ferrite; M 0 is the saturation magnetization of ferrite; α M1 , α M2 - temperature coefficients of demagnetization of the first and second permanent magnets; In r1 , In r2 - residual induction of the first and second permanent magnets; γ is the gyromagnetic ratio; f st - a given frequency of temperature stabilization.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электрическая схема выполнена на дисковой диэлектрической подложке, диаметр которой выполнен равным внутреннему диаметру стального экрана; в центре подложки выполнено отверстие, внутри которого установлен ферритовый резонатор. 3. The device according to claim 1, characterized in that the electrical circuit is made on a disk dielectric substrate, the diameter of which is made equal to the inner diameter of the steel screen; a hole is made in the center of the substrate, inside which a ferrite resonator is mounted.
RU2011143096/07A 2011-10-26 2011-10-26 Miniature device for mangetisation and thermal stabilisation of ferrite microwave resonators RU2492539C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011143096/07A RU2492539C2 (en) 2011-10-26 2011-10-26 Miniature device for mangetisation and thermal stabilisation of ferrite microwave resonators

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011143096/07A RU2492539C2 (en) 2011-10-26 2011-10-26 Miniature device for mangetisation and thermal stabilisation of ferrite microwave resonators

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011143096A RU2011143096A (en) 2013-05-10
RU2492539C2 true RU2492539C2 (en) 2013-09-10

Family

ID=49165051

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011143096/07A RU2492539C2 (en) 2011-10-26 2011-10-26 Miniature device for mangetisation and thermal stabilisation of ferrite microwave resonators

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2492539C2 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB918171A (en) * 1960-03-25 1963-02-13 Smith & Sons Ltd S A method of magnetising a permanently magnetisible body
SU513396A1 (en) * 1973-12-28 1976-05-05 Предприятие П/Я Р-6927 Magnetic system
SU636690A1 (en) * 1976-12-13 1978-12-05 Предприятие П/Я А-1216 Disc magnetizing device
SU1170516A1 (en) * 1983-11-02 1985-07-30 Рижский Электромеханический Завод Производственного Объединения "Радиотехника" Device for pulsed magnetizing of disk ferrodielectric anisotropic magnets
RU5065565A (en) * 1992-08-18 1996-04-10 Саратовский филиал института радиотехники и электроники РАН SCREEN MAGNETIC SYSTEM
RU2356120C2 (en) * 2007-06-26 2009-05-20 Владимир Васильевич Тихонов Device for magnetisation and thermal stabilisation of microwave ferrite devices

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB918171A (en) * 1960-03-25 1963-02-13 Smith & Sons Ltd S A method of magnetising a permanently magnetisible body
SU513396A1 (en) * 1973-12-28 1976-05-05 Предприятие П/Я Р-6927 Magnetic system
SU636690A1 (en) * 1976-12-13 1978-12-05 Предприятие П/Я А-1216 Disc magnetizing device
SU1170516A1 (en) * 1983-11-02 1985-07-30 Рижский Электромеханический Завод Производственного Объединения "Радиотехника" Device for pulsed magnetizing of disk ferrodielectric anisotropic magnets
RU5065565A (en) * 1992-08-18 1996-04-10 Саратовский филиал института радиотехники и электроники РАН SCREEN MAGNETIC SYSTEM
RU2356120C2 (en) * 2007-06-26 2009-05-20 Владимир Васильевич Тихонов Device for magnetisation and thermal stabilisation of microwave ferrite devices

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Schlömann Behavior of ferrites in the microwave frequency range
Chang Ferrite materials and applications
Guan et al. Ionic modulation of the interfacial magnetism in a bilayer system comprising a heavy metal and a magnetic insulator for voltage‐tunable spintronic devices
Krupka Measurement of the complex permittivity, initial permeability, permeability tensor and ferromagnetic linewidth of gyromagnetic materials
Feng et al. Micromachined Tunable Magnetostatic Forward Volume Wave Bandstop Filter
RU2492539C2 (en) Miniature device for mangetisation and thermal stabilisation of ferrite microwave resonators
RU2356120C2 (en) Device for magnetisation and thermal stabilisation of microwave ferrite devices
EP2221911A1 (en) Waveguide circulator
Wiese et al. Subsidiary absorption spin wave instability processes in yttrium iron garnet thin films, critical modes, and the ‘‘kink’’effect
Pardavi-Horvath et al. Nonuniform internal field in planar ferrite elements
Poirier Perpendicular biased ferrite-tuned cavities
Dillon et al. Analysis of partial-height ferrite-slab differential phase-shift sections
Popov et al. Mode splitting in 37–42 GHz barium hexaferrite resonator: Theory and device applications
Geiler et al. Low Bias Field Hexagonal Y-Type Ferrite Phase Shifters at ${K} _ {U} $-Band
Kelaiya et al. Design and simulation of X band microstrip circulator
US3030593A (en) Temperature compensated gyromagnetic device
JP5622085B2 (en) Heating method of magnetic member using high frequency magnetic field
Gao An Equivalent Circuit Model for Tunable Bandpass Filters Based on Ferromagnetic Resonance
Popov et al. Magnetic and dielectric excitations in the W-band in aluminum substituted barium and strontium hexaferrites
Popov et al. An electric field controlled dual resonator magneto‐electric band‐stop filter
Kalinikos et al. Frequency dependence of magnetic dissipation in microwave garnet films
Madrak et al. Permeability of AL800 Garnet Material
US20230048990A1 (en) Magnetically Tunable Ferrimagnetic Filter
Cardona et al. Multipactor characterization of ferrite materials for space applications
Lingel Numerical studies about the temperature compensation of microwave circulators

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171027