+7 (499) 654-00-40

Модель реального процесса перемагничивания для ферритовых фазовращателей фарадеевского типа
Новиков А.В., Ашурбейли Р.И.

1. Постановка задачи

В процессе многолетнего изготовления ферритовых фазовращателей Фарадеевского типа для фазированных антенных решеток радиолокационных систем Х –диапазона (3 см) неоднократно фиксировался теоретически необоснованный значительный разброс величины фазы электромагнитной волны -φ при одинаковых длительностях импульсов управления на фазовращателях , собранных из ферритовых стержней с одинаковыми основными электромагнитным параметрам .Эта ситуация существенно осложняет процесс изготовления и настройки фазовращателей.

Основными электромагнитными параметрами ферритовых стержней являются. магнитостатические параметры петли гистерезиса на предельном цикле петли, как материала стержня –феррита марки 3СЧ-18(измерения проводились на сопровождающих кольцах), так и параметры предельных и частных петель гистерезиса магнитной системы фазовращателя, состоящей из феррита марки 3СЧ-18 и магнитопроводов ,замыкающих магнитный поток, изготовленных из Ni-Zn ферритов марки 0,35ВТ. Контролировались: коэрцитивная сила- Нс, Вm -– индукция в поле Н=5 Нс , остаточная индукция – Вr, коэффициент прямоугольности – Кппг, коэффициент квадратичности – Ккв, а так же СВЧ- параметры: величина диэлектрической проницаемости - ε', диэлектрические потери – tgδε. СВЧ параметры контролировались резонаторным методом в 3-х см диапазоне длин волн.

Зависимость величин φ от длительностей импульсов управления характеризуется параметром Δφср, (среднее арифметическое значение отклонения реального фазового сдвига от нормированного для данной длительности управляющего импульса для серии из нескольких последовательных импульсов управления (дискретов) разной длительности).

Описанное выше несоответствие основных параметров ферритовых стержней характеристикам фазовращателей Δφср иллюстрируется данными таблицы 1.

Таблица 1

Δφср Bm, Гс Br, Гс Hc, Э Кппг Ккв ε'
-60 1368 1235 0,975 0,9 0,46 16,8
1351 1211 1,03 0,9 0,43 16,55
+37 1368 1228 1,03 0,9 0,425 16,4
1386 1249 1,03 0,9 0,475 16,8
+95 1368 1235 1,03 0,9 0,525 16,5
1386 1231 1,09 0,9 0,54 16,4

Таким образом, невозможно с высокой вероятностью предсказать Δφср фазовращателя (то есть гарантировать его работоспособность в антенне), исходя из знания основных электромагнитных параметров ферритового стержня. Такое положение приводит к усложнению и удорожанию производства фазовращателей и особенно ферритовых стержней. Решение этой проблемы может иметь существенное значение, как для повышения эффективности производства, так и в целом для углубления понимания работы фазовращателя.

2. Формулирование рабочей гипотезы

Для исследования корреляции параметров фазовращателя и входящего в его состав ферритового стержня была сформулирована рабочая гипотеза.

Рассмотрим работу фазовращателя Фарадеевского типа при использовании вольт-секундного (импульсного) метода управления [1],которая заключается в следующем: сначала в обмотку управления подаётся «обнуляющий» импульс, имеющий большую амплитуду и длительность, а значит и энергию, обеспечивающую перевод магнитной системы фазовращателя в состояние остаточной индукции на предельной петле гистерезиса (Br0). Набор необходимой фазы осуществляется за счёт подачи в обмотку управления импульса противоположной «обнуляющему» полярности и определённой длительности, приводящего к частичному перемагничиванию магнитной системы фазовращателя. Таким образом, намагниченность магнитной системы становится равной некой величине Bri. Изменение индукции ΔB= Br0 – Bri вызывает соответствующее изменение фазы волны, то есть Δφ или просто φ ~ ΔB.

Характеристики СВЧ феррита, изменение его намагниченности (учитываемая постоянной Фарадея), а также размера фазосдвигающей секции [2] и т.п. параметры, рассматриваемые общепринятой теорией, можно объединить в некий фактор «А». В качестве рабочей гипотезы предполагается, что кроме фактора «А» существует некий фактор «Б», имеющий природу, не учитываемую фактором «А». Фактор «Б» при определённых условиях способен значительно изменять влияние фактора «А», становясь определяющим для величины φ. При этом величину фазы можно выразить условной формулой φ=А*Б. (Здесь не идёт речь о конкретной форме учёта влияния этого фактора «Б» на величину фазы).

В качестве фактора «Б» предлагается принять однородность распределения перемагничивающего магнитного потока по сечению ферритового стержня фазовращателя, который будем называть «обратным» магнитным потоком.

«Обратный» магнитный поток индуцируется импульсом управления (или набора фазы). Этот магнитный поток реализуется в виде системы перемагниченных областей (доменов) в объёме стержня. Характер расположения этой системы перемагниченных областей по сечению стержня и определяет в данной гипотезе однородность распределения «обратного» магнитного потока по его плотности.

Введение фактора «Б» оправдано, так как параметры петли гистерезиса, фигурирующие в общепринятой теории, учитывают изменение полного магнитного потока, проходящего через сечение стержня. При этом распределение этого магнитного потока считается однородным по сечению стержня и конкретный характер его никак не учитывается.

Стандартная методика измерения магнитостатических параметров петли гистерезиса реальной магнитной системы фазовращателя не пригодна для выявления распределения плотности «обратного» магнитного потока по сечению стержня, так как, намагничивающая и измерительная катушки охватывают полностью всё сечение стержня фазовращателя и, следовательно, обеспечивают только измерение полного магнитного потока в фазовращателе.

Прямое измерение однородности плотности «обратного» магнитного потока в различных участках сечения стержня представляется нереализуемым на магнитных системах реальных фазовращателей, так как не возможно сделать измерительные катушки охватывающие отдельные участки сечения стержней фазовращателя.

В свете сказанного, косвенная оценка однородности распределения плотности «обратного» магнитного потока представляет особый интерес как, доказательство рассматриваемой гипотезы.

3. Доказательство рабочей гипотезы

Алгоритм доказательства предложенной рабочей гипотезы заключается в следующем:

3.1. Формулирование модели поведения магнитной системы фазовращателя в режиме управления фазой.

3.2. Выбор типа воздействия на магнитную систему, изменяющего ее характеристики в режиме управления фазой . Такое воздействие должно быть надежно реализуемо в эксперименте.

3.3. Определение параметров фазовращателя, которые позволят зафиксировать ожидаемое влияние воздействия указанного типа на магнитную систему.

3.4. Экспериментальное исследование магнитной системы фазовращателя до и после указанного воздействия .

При совпадении экспериментальных данных с предполагаемыми изменениями параметров фазовращателя в результате воздействия выбранного типа будем считать , что сформулированная модель отражает реальные явления , существующие в магнитной системе фазовращателя , и следовательно предложенная рабочая гипотеза будет считаться доказанной.

Переходим к реализации предложенного апгоритма.

Стандартные расчеты фазовращателя базируется на однородном распределении плотности «обратного» магнитного потока.

Наша модель предпологает, что распределение плотности «обратного» магнитного потока неоднородно по радиусу сечения ферритового стержня фазовращателя. При этом магнитный поток с максимальной плотностью проходит ближе к поверхности стержня, по периферии сечения и поэтому часть СВЧ-волны, распространяющаяся ближе к ценру стержня слабо взаимодействует с перемагниченными областями. При увеличении длительности и следовательно энергии управляющих импульсов перемагниченные области увеличиваются по площади и занимают положения, расположенные ближе к центру сечения стержня ( Рис. 1).

Если «переместить» максимум плотности «обратного» магнитного потока от периферии сечения стержня к его центру, то даже для импульсов с малой энергией должно наблюдаться заметное увеличение изменения фазы СВЧ- волны . Это явление будет существовать только в случае неоднородного распределения «обратного» магнитного потока, для однородного распределения такое «перемещение» магнитного потока с периферии во внутренние области скорее всего приведёт к снижению степени взаимодействия СВЧ-волны и перемагниченного объема стержня и, как следствие, к снижению величины фазового сдвига.

odnorodnoe-raspredelenie-101.png
а) однородное распределение

neodnorodnoe-raspredelenie-102.png
Рис 1. Схема распределения плотности «обратного» магнитного потока, τ123i – управляющего импульса.
б) неоднородное распределение

Для «перемещения» максимума плотности «обратного» магнитного потока от периферии сечения стержня к его центру был выбран следующий способ: на стержнях стандартных размеров были сделаны кольцевые канавки квадратного сечения с размерами 1х1 мм. Плоскости в которых расположены канавки были перпендикулярны продольной оси стержня. Сделаны по три канавки на каждом стержне, расстояния между соседними канавками, а также между крайними канавками и торцами стержней составляли, примерно, четверть длинны стержня (Рис 2).

shema-raspolojeniya-kanavok-na-ferritovom-sterjne.png
Рис 2. Схема расположения «канавок» на ферритовом стержне.

Предполагается, что наличие канавок приведёт к появлению размагниченных объёмов в стержне, содержащих сами канавки и некоторые области в непосредственной близости от них. «Обратный» магнитный поток в окрестностях этих размагниченных объёмов будет «сдвинут» во внутренние области сечения стержня в соответствии с предложенной моделью.

Для контроля «перемещения» максимума плотности «обратного» магнитного потока будем измерять фазовые характеристики на специальном измерительном стенде на стержнях без металлизации, как в случае стандартного стержня , так и после нанесения канавок. Характеристики определялись в одних и тех же магнитных системах и условиях (те же магнитопроводы, катушки, режимы управления).

Для эксперимента были отобраны несколько групп стержней с изначально различными фазовыми характеристиками (Δφср) и близкими значениями основных электромагнитных параметров. Образцы в отобранных группах имели следующие величины Δφср: -53; -7; +28; +56; +88; +110.

Для всех групп образцов нанесение канавок привело к заметному изменению набора фазы по сравнению со стандартной конфигурацией стержней.

При этом на образцах с пониженной фазовой активностью Δφср<+20 наблюдается прирост набора фазы: для стержней с Δφср=-53° он составил ~10-15 %. Затем с увеличением Δφср прирост фазы монотонно уменьшается и у образцов с Δφср ~ +80° он равен нулю. На стержнях с Δφср>+80° изменение набора фазы становится отрицательным, то есть нанесение канавок привело к снижению фазового сдвига по–сравнению с исходным состоянием примерно на 3 %. Результаты измерений приведены в виде графиков на рисунке 3.

Полученные данные полностью подтвердили, ожидаемое поведение изменения фазового сдвига для предложенной модели распределения плотности «обратного» магнитного потока, и тем самым доказывает необходимость учёта влияния фактора «Б» при прогнозировании качества фазовращателя.

На том же рисунке изображено изменение набора фазы при различных длительностях управляющих импульсов (дискретов) для исследованных групп образцов. Соответствующие кривые обозначены цифрами от 1 до 7. 1- минимальная длительность, а соответственно 7 – максимальная.

На основе анализа приведённых зависимостей можно сделать несколько интересных выводов:

      При минимальной величине длительности управляющего импульса ( кривая «1») не зафиксировано существенного изменения набора фазы между исходным состоянием фазовращателя и «канавками». Очевидно при минимальных величинах перемагничивающего потока и данных условиях эксперимента (количество «канавок» и их размера) определяющим влиянием на величину фазы обладает фактор «А» для всех групп образцов.
      При увеличении перемагничивающего потока изменение величины набора фазы быстро нарастает Причём степень увеличения заметнее для средних дискретов (нормированная фаза от 90° до 200°). Для больших длительностей дискретов (нормированная фаза 200°-340°) изменения прироста набора фазы снижается и выходит на насыщение. Вероятно это связанно с тем, что начиная с какого-то значения величины «обратного» магнитного потока перемагниченные области в окрестностях «канавок» распределяются по всему сечению стержня достаточно равномерно и здесь опять основную роль начинает играть фактор «А».
      Величина Δφср ~ +80° означает некую границу в характере распределения «обратного» магнитного потока: при Δφср<+80° существует неоднородное его распределение, причём, чем сильнее Δφср отличается от величины +80° в меньшую сторону, тем больше степень неоднородности распределения потока, т.е. в этой области определяющее значение для работы фазовращателя имеет фактор «Б». При Δφср >+80° в образцах реализуется однородное распределение и действительная величина набора фазы определяется в основном параметрами, входящими в фактор «А».

zavisimost-izmeneniya-fazovogo-sdviga.png
Рис 3. Зависимость изменения фазового сдвига (α) от величины фазовой активности (∆φср)

В процессе дальнейших исследований, проведённых в рамках доступных метрологических и технологических возможностей, была сделана попытка оценить величину перемагниченного объёма ферритового стержня для каждого дискрета. Изучались стержни стандартной формы – без «канавок». При проведении данного исследования сначала определялись предельные петли гистерезиса на реальных магнитных системах фазовращателей, содержащих ферритовые стержни различных групп по Δφср.

Затем для этих вариантов фазовращателей снимались фазовые характеристики в динамическом (импульсном) режиме управления, по конкретным величинам фазы для каждого дискрета определялось статическое магнитное поле ( ток перемагничивания), обеспечивающее данную величину фазы в остаточном магнитном состоянии. По найденным таким образом величинам статического перемагничивающего поля, используя предельную петлю гистерезиса, определялись значения остаточной индукции для каждого дискрета Bri .Затем по величинам Bm – индукция насыщения для конкретной магнитной системы по формуле:
Vпер=0,5(Bm-Bri)/Bm
рассчитывалась доля перемагниченного объёма стержня для каждого значения Bri. При этом предполагалось, что фундаментальные характеристики материала: намагниченность насыщения(4πMs), температура Кюри(Тк) одинаковы для всего объёма ферритового стержня, то есть фактически предполагалась его химическая однородность. Результаты этого эксперимента представлены на графиках рисунка 4 в виде зависимости набранной фазы для каждого дискрета от соответствующей величины перемагниченного объёма для трёх различных по величине Δφср, а значит и степени однородности «обратного» магнитного потока групп образцов.

Из приведённых зависимостей видно:

  • при близких величинах перемагниченных объёмов существует значительная разница в величине набранной фазы особенно для начальных и средних по длительности дискретов.Это подтверждает нашу рабочую гипотезу – для величины фазы важна не только величина перемагниченной доли объёма ферритового стержня, то есть изменение общего магнитного потока (ΔB), но и локализация этого объёма, то есть степень однородности распределения перемагниченных областей по сечению ферритового стержня.
  • при перемагничивании ферритовых стержней с большей величиной Δφср(~+95°), то есть имеющих более однородное распределение «обратного» магнитного потока, величины перемагниченного объёма при коротких импульсах управления несколько меньше, а при длительных импульсах несколько больше, чем соответствующие величины перемагниченного объёма для менее однородных ферритовых стержней (Δφср=+35°;-60°). Это связано с тем, что повышение однородности структуры сопровождается дополнительным увеличением квадратности петли гистерезиса.

Для прояснения причин, приводящих к появлению неоднородного распределения перемагниченных областей по сечению ферритового стержня необходимо проведение дальнейших исследований, предположительно в области изучения дефектности кристаллической структуры на наноуровне.

зависимость фазового сдвига (φ) от относительной величины перемагниченного объёма
Рис 4. Зависимость фазового сдвига (φ) от относительной величины перемагниченного объёма.

4. Заключение

      Сформулирована и экспериментально доказана гипотеза о необходимости учёта степени однородности распределения перемагничивающего магнитного потока по сечению ферритового стержня фазовращателя.
      Нами разработаны принципы управления степенью однородности распределения перемагничивающего потока и создана достаточно стабильная , пригодная для серийного производства технология изготовления ферритовых стержней с заданной фазовой активностью. Изготовлена партия высокоактивных стержней , позволивших значительно увеличить быстродействие фазовращателей без изменения остальных эксплуатационных характеристик.

5. Используемая литература

      Порохнюк А.В., Пузаков А.Н. Схемы упраления быстродействующими ферритовыми фазовращателями: обзор по электронной технике, 1980 / ЦНИИ «Электроника». М.
      Семенов Н.А. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1973. 480 с.

Количество показов: 7590
Рейтинг:  3.14

Возврат к списку


1571845947