ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2020. № 7
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.7.3
УДК 537.874; 537.624
ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО СВЧ СИГНАЛА С ПОМОЩЬЮ МАГНИТОСТРИКЦИОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
В. С. Власов 1, Д. А. Плешев 1, В. Г. Шавров 2, В. И. Щеглов 2
1 Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина, 167001, Сыктывкар, Октябрьский пр-т, 55
2 Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, 125009, Москва, ул. Моховая, 11-7
Статья поступила в редакцию 16 июня 2020 г.
Аннотация. Рассмотрена задача о детектировании частотно-модулированного СВЧ сигнала с помощью магнитострикционного преобразователя. Получены уравнения движения для намагниченности и упругого смещения, отражающие воздействие на магнитную пластину модулированного по частоте переменного магнитного поля. Отмечено, что эффект детектирования состоит в выделении из полного сигнала составляющей на частоте модуляции, осуществляемом за счет возбуждения резонансных колебаний упругой системы. На базе принятых основных параметров задачи приведена общая картина детектирования частотно-модулированного сигнала с помощью магнитострикционного преобразователя. Отмечены два этапа детектирования: первый состоит в возбуждении прецессии намагниченности в магнитной пластине, второй – в возбуждении упругих колебаний в той же пластине за счет воздействия магнитных колебаний на упругие через посредство магнитоупругого взаимодействия. Выделены два основных случая – малой и большой глубины модуляции, где малая недостаточна для детектирования, а большая превышает значение, необходимое для четкого проявления детектирования. Показано, что при большой глубине модуляции возникают сильные колебания упругой системы на частоте модуляции, в чем и состоит эффект детектирования. Исследовано влияние глубины модуляции на процесс детектирования. Рассмотрены зависимости максимума и минимума амплитуды магнитных и упругих колебаний от коэффициента глубины модуляции. Выявлен сильно осциллирующий характер тех и других. Показано, что зависимость амплитуды осцилляций для магнитных колебаний имеет плавно спадающий характер, тогда как на подобной зависимости для упругих колебаний после некоторого спада наблюдается сильный подъем, соответствующий режиму детектирования. Для интерпретации наблюдаемых явлений рассмотрено разложение частотно-модулированного сигнала по функциям Бесселя. Исследовано влияние частоты модуляции на эффект детектирования. Показано, что подъем на зависимости амплитуды упругих колебаний от величины параметра модуляции при увеличении частоты модуляции смещается в сторону меньших значений этого параметра. Для интерпретации такой зависимости предложена модель, согласно которой подъем зависимости амплитуды упругих колебаний от величины параметра модуляции соответствует появлению в спектре модулирующего сигнала составляющих, комбинационные частоты которых равны разности между частотой несущей и произведением частоты модуляции на числовой коэффициент. Этот коэффициент равен отношению разности между частотами несущей и модуляции к частоте модуляции. Показано, что соответствующая зависимость амплитуды упругих колебаний от величины параметра модуляции описывается функцией Бесселя, порядок которой равен тому же отношению. Выявлено хорошее (в пределах 10%) соответствие предложенной модели характеру наблюдаемых явлений.
Ключевые слова: детектирование, частотная модуляция, магнитострикционный преобразователь.
Abstract. The task about detection of frequency-modulated microwave signal with the aid of magnetostriction transducer is investigated. The equations of motion for magnetization and elastic displacement are obtained. They describe the effect of a frequency-modulated alternating magnetic field on the magnetic plate. It is noted that the detection effect consists in selecting the component from the full signal at the modulation frequency, which is carried out due to the excitation of resonance oscillations of the elastic system. On the basis of established parameters of the task the common picture of detection of frequency-modulated signal with the aid of magnetostriction transducer is found. Two stages of detection are established. The first is the excitation of magnetization precession in magnetic plate. The second is the excitation of elastic oscillations in the same plate by the influence of magnetic oscillation to elastic oscillations through the magnetoelastic interaction. Two main cases are distinguished: a small and a large modulation depth, where a small one is insufficient for detection and a large one exceeds the value necessary for a clear detection. It is shown that, at a large modulation depth, strong oscillations of the elastic system arise at the modulation frequency, which is what the detection effect consists of. The influence of the modulation depth on the detection process is investigated. The dependencies of maximum and minimum of magnetic and elastic oscillations from the modulation depth coefficient are investigated. The powerfully oscillating character of both dependencies is found. It is shown that the dependence of oscillation amplitude for magnetic oscillations has smooth decrease character. On the same dependency for magnetic oscillations after short decreasing he large increasing is found after short decreasing, this increasing correspond to detection regime. To interpret the observed phenomena, we consider the expansion of the frequency-modulated signal into Bessel functions. The influence of the modulation frequency on the detection effect is investigated. It is shown that the increase in the dependence of the elastic oscillations amplitude on the value of the modulation parameter with an increase of the modulation frequency shifts toward lower values of this parameter. To interpret such a dependence, a model is proposed according to which a rise in the dependence of the amplitude of elastic oscillations on the value of the modulation parameter corresponds to the appearance of the spectrum components whose combination frequencies are equal to the difference between the carrier frequency and the modulation frequency multiplied to the numerical coefficient. This coefficient is equal to the ratio of the difference between the carrier and modulation frequencies to the modulation frequency. It is shown that the mentioned dependence of the amplitude of elastic oscillations on the value of the modulation parameter is described by the Bessel function, the order of which is equal to the same ratio. A good (within 10%) agreement of the proposed model to the nature of the observed phenomena was revealed.
Key words: detection, frequency modulation, magnetostriction transducer.
Литература
1. Красильников В.А. Гиперзвук. БСЭ. Т.6. М.:Советская энциклопедия. 1971. С.535-536.
2. Кикучи Е. Ультразвуковые преобразователи. М.: Мир. 1972.
3. Голямина И.П. Магнитострикционные излучатели из ферритов. // В кн.: Физика и техника мощного ультразвука. Кн.1. Источники мощного ультразвука. М.: Наука. 1967.
4. Comstock R.L., LeCraw R.C. Generation of microwave elastic vibrations in a disk by ferromagnetic resonance. // J. Appl. Phys. 1963. V.34. №10. P.3022.
5. Ле-Кроу Р., Комсток Р. Магнитоупругие взаимодействия в ферромагнитных диэлектриках. // В кн.: У. Мэзон (ред.): Физическая акустика. Т.3Б. Динамика решетки. М.: Мир. 1968. С.156.
6. Власов В.С., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейное возбуждение гиперзвука в ферритовой пластине при ферромагнитном резонансе. // РЭ. 2009. Т.54. №7. С.863.
7. Власов В.С., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейное возбуждение гиперзвука в двухслойной ферритовой структуре. // Журнал радиоэлектроники. 2013. №2. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/feb13/10/text.pdf.
8. Власов В.С., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейное возбуждение гиперзвука в двухслойной ферритовой структуре при ферромагнитном резонансе. // РЭ. 2014. Т.59. №5. С.482.
9. Шавров В.Г., Щеглов В.И. Кратное преобразование частоты в схеме магнитострикционного преобразователя. Умножение частоты в режиме релаксаии. // РЭ. 2019. Т.64. №5. С.487.
10. Шавров В.Г., Щеглов В.И. Кратное преобразование частоты в схеме магнитострикционного преобразователя. Умножение частоты в непрерывном режиме. // РЭ. 2019. Т.64. №6. С.604.
11. Плешев Д.А., Котов Л.Н., Власов В.С., Щеглов В.И. Преобразование частоты при акустическом резонансе в ферритах. Сыктывкар: ИПО СыктГУ. 2019.
12. Власов В.С., Плешев Д.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейное детектирование магнитоупругих колебаний в режиме амплитудной модуляции. // Журнал радиоэлектроники. 2019. №3. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.3.7
13. Власов В.С., Плешев Д.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Амплитудно-частотные характеристики магнитострикционного преобразователя в режиме амплитудной модуляции. // Журнал радиоэлектроники. 2019. №4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.4.9
14. Асадуллин Ф.Ф., Власов В.С., Плешев Д.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Детектирование СВЧ колебаний с помощью магнитострикционного преобразователя в режиме модуляции. // Сборник трудов XXVII Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы (фундаментальные физические исследования)». М.: НИУ МЭИ. 2019. С.156.
15. Асадуллин Ф.Ф., Власов В.С., Плешев Д.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Спектральные характеристики магнитоупругих колебаний, возбуждаемых в нормально намагниченной ферритовой пластине амплитудно-модулированным сигналом. // Сборник трудов XXVII Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы (фундаментальные физические исследования)». М.: НИУ МЭИ. 2019. С.167.
16. Власов В.С., Плешев Д.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Возбуждение магнитострикционного преобразователя частотно- модулированным СВЧ сигналом. // Сборник трудов XXVII Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы (фундаментальные физические исследования)». М.: НИУ МЭИ. 2019. С.176.
17. Харкевич А.А. Основы радиотехники. М:.Физматлит. 2007.
18. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Советское радио. 1964.
19. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь. 1986.
20. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука. 1964.
Для цитирования:
Власов В.С., Плешев Д.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Детектирование частотно-модулированного СВЧ сигнала с помощью магнитострикционного преобразователя. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. №7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.7.3