Исследование влияния многослойных магнитных пленок на диаграмму направленности антенных систем РЭС

 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ИССЛЕДОВАНИЕ  ВЛИЯНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНОК НА ДИАГРАММУ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫХ СИСТЕМ РЭС 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Аннотация

      При проектировании антенн, расположенных  вблизи различных проводящих тел, возникает  проблема размещения антенн, когда  взаимное влияние между ними допустимо. Для решения этой задачи необходимы эффективные методы анализа и расчета параметров антенн, позволяющие на этапе предварительного проектирования по чертежу проводящего тела, вблизи которого расположены антенны, провести подробный расчет параметров антенн при различных вариантах их размещения и выбрать оптимальный вариант. Это сокращает время и материальные затраты на создание и ввод в эксплуатацию различных антенных систем.

      Путем численного анализа дисперсионного уравнения проведено теоретическое исследование характеристик временных задержек магнитостатических поверхностных волн (МСПВ), распространяющихся в многослойной структуре, которая состоит из тонких ЖИГ(железо-иттриевый гранат)-пленок, диэлектрических слоев и металлической подложки. Численные результаты для типов колебаний феррит-воздух (ФВ) и феррит-воздух-металл (ФВМ) сравниваются с ранее полученными результатами.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Оглавление

1. Введение………………………………………………………………………...4

2 Исследование влияния многослойных магнитных пленок на диаграмму направленности антенных систем РЭС………………………………………….5

3 Вывод………………………………………………………………………….11

4 Литература…………………………………………………………………….12 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      ВВЕДЕНИЕ

      Одним из важнейших направлений в совершенствовании  и модернизации радиоэлектронных систем (РЭС) является более широкое использование перспективных технологий при разработке и создании отдельных элементов этих систем, в частности, антенно–фидерных устройств. Последнее определяется тем, что именно антенна в значительной степени определяет электромагнитную совместимость РЭС, возможность пространственно – поляризационной селекции сигналов, коэффициент защитного действия. Это позволяет повысить не только помехоустойчивость РЭС, но и использовать различные методы уплотнения для повышения скорости передачи информации. В аппаратуре комплексов военного назначения антенная система определяет устойчивость РЭС к различным видам воздействия.

      Сравнительный анализ перечня современных требований к электрическим характеристикам  антенн радиоэлектронных комплексов и известных вариантов построения указанных антенн позволяет сделать вывод о том, что наиболее полно указанным требованиям отвечают фазированные антенные решетки (ФАР)[2]. Однако, даже при использовании ФАР, не решена задача полного исключения «антенного эффекта» фидерного тракта и коммутационных элементов антенной системы. Возможным направлением решения этой задачи является нанесение на поверхность указанных элементов специального защитного покрытия в виде диэлектрических слоев и тонких ЖИГ – (железо-иттриевый гранат) пленок. 
 
 
 
 
 
 

     2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ  МАГНИТНЫХ ПЛЕНОК НА ДИАГРАММУ  НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫХ СИСТЕМ  РЭС

       В данной работе путем численного анализа  дисперсионного уравнения проведено  теоретическое исследование характеристик временных задержек магнитостатических поверхностных волн (МСПВ)[1], рапространяющихся в многослойной структуре, которая состоит из тонких ЖИГ(железо-иттриевый гранат)-пленок, диэлектрических слоев и металлической подложки. Численные результаты для типов колебаний феррит-воздух (ФВ) и феррит-воздух-металл (ФВМ) сравниваются с ранее полученными результатами. Рассмотрены временные задержки магнитостатических поверхностных волн в многослойных структурах, состоящих из металлической подложки, тонких диэлектрических и ЖИГ-слоев, которые могут быть получены методом непрерывного эпитаксиального выращивания. Для двумерного случая выведено дисперсионное уравнение системы в магнитостатическом приближении. Для ФВ типа колебаний оказалось, что пороговое волновое число достигается на частоте , которая была аналитически определена из дисперсионного уравнения. При наличии потерь в ЖИГ прямая волна плавно изменяется на обратную при частоте и полоса пропускания для колебаний ФВ типа становится шире. Показано, что при надлежащем выборе величины зазора время задержки колебаний ФВМ типа имеет бездисперсионный характер. Во всей полосе пропускания время задержки такой многослойной системы больше, чем в случае одного слоя. Для того чтобы улучшить характеристики задержек многослойной ЖИГ-структуры, следует использовать эффект распределения намагниченности.

     Рассмотрим  дисперсионное уравнение, описывающее  характеристики распространения МСПВ в нашей модели. Пусть внешнее статическое поле ₀ приложено параллельно оси , а МСПВ распространяется вдоль оси и описывается функцией ( ) причем свойства волны не зависят от ( ). Наш двумерный анализ мы проводим, приняв магнитостатическое приближение. Магнитный потенциал в системе выражается следующим образом:

      =-[a_ie^-fx+b_ie^fx] ( ),

      = ,         (1)

где и -произвольные константы, -постоянная распространения. Знак при соответствует положительному или отрицательному направлению распространению волны вдоль оси . При непрерывности нормальной составляющей вектора магнитной индукции _х и тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля _z на каждой границе раздела в качестве граничных условий можно написать дисперсионное уравнение для нашей системы в виде

     

          (2)

где   _{1а 2а , 1а 2а , 1b 2b , 1b 2b ,}

      , _1а,b= ( _{r ma,b})/( ²_r ²), _2а,b=( _{r ma,b})/( ²_r ²),

      _{r I}, _{ma,b sa,b}.

_1а,b и _2а,b соответствуют диагональному и недиагональному элементам тензора магнитной проницаемости ЖИГ-пленок, -гиромагнитное отношение, _i-внутреннее магнитное поле, _sa и _sb-намагниченности насыщения для ЖИГ-пленок.

      Численное решение диперсионного уравнения  было выполнено методом градиентного спуска. При расчетах использовались следующие параметры: ₀=600Э, _sa=1750Гс, а=b=5мкм, d=125мкм.

     

Рис. 1. -кривые, зависимость рабочей частоты от волнового числа

       для колебаий ФВ типа; параметром  служит намагниченность

       насыщения  _sb.

     На  рис.1 приведены  -зависимости, соответствующие ФВ типу колебаний в нашей модели при _sb в качестве параметра. Кривая А характеризует ФВ-колебания, верхняя и нижняя граничные частоты обозначены стрелками на вертикальной оси, им соответствуют значения _н+1/2 и [ _н( _н+1)]^0,5, где _н= _r/ _ma. Путем тщательного подбора _sb и толщины диэлектрика можно добиться большей полосы пропускания, чем у системы с одним ЖИГ-слоем. Кривая В переходит с прямой ветви на обратную на частоте , которая приблизительно определяется только намагниченностями насыщения. Исходя из граничного уровня, легко получить следующее уравнение:

      ²-( _мА- _мb)-[ ²_r+( _мА+ _мb) _r]=0     (3)

Для кривой В из уравнения (2) получено значение , равное 3702 МГц, при следующих параметрах: _sb=875Гс, =0,05Э. С другой стороны, при условии отсутствия потерь для той же кривой частота , определенная из уравнения (3), равна 3674МГц; таким образом, можно сделать вывод, что совпадение с точным значением хорошее. -ширина линии ферромагнитного резонанса. Из уравнения (3) следует, что при уменьшении _sb частота увеличивается. На рис.2 в увеличенном масштабе приведен фрагмент рис.1b в окрестности частоты при в качестве параметра. При малых потерях кривая А имеет излом, однако кривые С и D, соответствующие большим значениям , изменяются гладко. Для больших величин пороговое волновое число резко уменьшается.

Время задержки МСПВ определяется следующим образом:

=      (4)

В данном случае будем использовать простое  выражение, аппроксимирующее с помощью предела на единицу длины.

                                           

На рис.3 показано изменение  с частотой сигнала при тех же параметрах, что и на рис.1. Время задержки при обычных значениях не достигает бесконечности. Из рис.3 следует, что при _{sb sа} задержка больше времени задержки обычной однослойной структуры и с

      

Рис. 2.  Увеличенный фрагмент рис.1b в окресности порогового волнового

числа, -параметр. Кривые A,B,C и D соответствуют =0,0005; 0,05; 0,5; 5Э. 

     

Рис. 3.  Зависимости времени задержки от рабочей частоты . Кривые

  построены с использованием результатов  рис.1.

Рис. 4.  Зависимости времени задержки от рабочей частоты .для    обратной волны, называемой волной ФВМ типа. Использованы те же

параметры, что на рис.1.

уменьшением _sb кривая зависимости от частоты сдвигается в сторону больших частот. В этой расширенной полосе пропускания меньше, чем время задержки, описываемое кривыми B и C.

       Магнитостатическая  поверхностная волна типа ФВМ  распространяется в отрицательном  направлении оси Y между ЖИГ-слоем и диэлектриком. Рис.4 иллюстрирует звисимость времени задержки от частоты (параметр- _sb). Во всей полосе пропускания значения , соответствующие кривой кривой В, больше значений времени задержки , описываемое кривой А, между кривыми В и С существенного различия нет. Если величина зазора выбрана правильно, то можно получить линию задержки с бездисперсионными характеристиками; однако при малой величине зазора такие характеристики получить не удается. Точка, где / равна нулю, при уменьшении _sb смещается в сторону меньших частот. Для того чтобы получить хорошую бездисперсионную линию задержки, следует подобрать соответствующие значения величины зазора, толщину ЖИГ - слоя, _sа и _sb. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВЫВОДЫ

     Анализ  результатов проведенного математического  моделирования позволяет сделать  однозначный вывод о том, что  использование в фидерных трактах и коммутационных элементах антенных систем защитных покрытий в виде диэлектрических слоев и тонких ЖИГ – пленок открывает путь к устранению «антенного эффекта» в указанных элементах антенных систем, а значит позволит повысить помехоустойчивость и помехозащищенность РЭС. Представляется целесообразным использование рассмотренных защитных покрытий при проектировании и создании ФАР для перспективных радиоэлектронных комплексов военного назначения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1988-440 с.

2.Марков  Г.Т. Антенны. Москва. МЭИ, 1960г. 97-197с.

3.Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн Москва. «Радио и связь», 2000г.-342с.