Работа № 1 «Исследование волноводного ферритового вентиля»
Обычно диэлектрические
свойства ферритов СВЧ характеризуют
диэлектрической проницаемостью
,
тангенсом угла диэлектрических потерь
и удельным сопротивлением
.
Причём под диэлектрической проницаемостью
ферритов понимается действительная
часть комплексной проницаемости
.
Тангенс угла диэлектрических потерь
определяется выражением
.
На СВЧ ферриты имеют
=5…20,
=10-2…10-4.
Работа № 1 «Исследование волноводного ферритового вентиля»
У ферритов,
намагниченных постоянным магнитным
полем, для СВЧ полей в общем случае
магнитная проницаемость является
тензорной величиной
и вектор
может иметь отличные от вектора
направления.
Рассмотрим
физические явления в ферритах в диапазоне
СВЧ. Пусть феррит намагничен до насыщения
полем
.
При этом все магнитные моменты
некомпенсированных спинов электронов
(а, следовательно, и вектора
)
оказались ориентированными в направлении
подмагничивающего поля, например, вдоль
оси
(рис. 3).
Е
сли
вдоль оси
прикладывается магнитное поле
,
то оно выводит электронные спины из
состояния равновесия. В результате чего
возникает дополнительная переменная
составляющая намагниченности феррита,
и его суммарная намагниченность
будет не совпадать с направлением поля
.
В случае, когда по оси
приложено переменное магнитное поле
,
вектор намагниченности совершает
движение, которое аналогично движению
гироскопа (волчка).
Если воздействие магнитного поля кратковременно, то вектор возвратится в своё исходное состояние , совершая затухающее прецессионное движение вокруг оси (рис. 3). Это движение происходит с ларморовой частотой:
(6)
где
=
35,17 МГц/кАм-1=2,8
МГц/Э.
Если магнитное
поле действует длительное время, то в
феррите устанавливается состояние, при
котором вектор
совершает прецессионное движение вокруг
оси
с частотой приложенного магнитного
поля
.
Интенсивность прецессии зависит от
соотношения частоты
и собственной частоты прецессии
,
а также от амплитуды переменного поля.
Если
=
,
то энергия магнитного поля эффективно
передаётся системе спинов. При этом
амплитуда прецессии и потерь волны
резко возрастают. Это явление, которое
в ферритовых устройствах может носить
невзаимный характер, называется
ферромагнитным резонансом.
Поэтому частота
магнитного поля
=
=
называется частотой ферромагнитного
резонанса. При этом амплитуда прецессии
определяется потерями в феррите.
Движение вектора описывается уравнением:
(7)
где
,
;
-
СВЧ комплексные амплитуды магнитного
поля и вектора намагниченности;
-
член, определяемый диссипативными
потерями в феррите.
Наиболее часто член записывается в форме Ландау-Лившица:
(8)
где коэффициент
потерь
определяется экспериментально:
(9)
где - ширина кривой поглощения ферромагнитного резонанса на половинном уровне. Обычно значения лежат в пределах 2…80 кА/м (см. табл. 5).
Если переменные
составляющие поля и намагниченности
много меньше их постоянных составляющих
(
«
,
«
),
то решение уравнения (7) имеет вид:
(10)
где
,
а
(11)
Величины
являются комплексными:
,
,
(12)
Действительные составляющие компонент определяют фазовую скорость распространения электромагнитной волны, а мнимые – магнитные потери в феррите.
Выражения для
компонент тензора
имеют следующий вид:
,
(13)
,
где
,
На рис. 4 приведены
частотные зависимости компонент тензора
.
Если потери в феррите отсутствуют
,
то
,
(14)
П
ри
воздействии на намагниченный феррит
СВЧ поля круговой поляризации относительно
направления
магнитные проницаемости
и
для право- и левополяризованных волн
неодинаковы
:
Рис.4. Зависимость
компонент тензора
от частоты
(15)
С учётом соотношений
(11, 12), вследствие потерь в феррите
и
являются комплексными:
.
На рис. 5 приведены зависимости
,
от напряженности магнитного поля
.
М
агнитная
проницаемость
для правополяризованных полей имеет
резонансный характер. Мнимая составляющая
,
учитывающая потери, максимальна при
резонансе. Обусловлено это совпадением
частоты и направления вращения поля
СВЧ с частотой и направлением вращения
прецессии
.
Для левополяризованного поля СВЧ
направления вращения поля и прецессии
противоположены, резонанс не возможен
и магнитная проницаемость
изменяется плавно.
Ферритовая среда считается продольно намагниченной, если направление намагничивающего поля совпадает с направлением распространения волны. В продольно намагниченной среде наблюдается явление поворота плоскости поляризации (эффект Фарадея), используемое для создания вентилей, циркуляторов и других устройств.
В поперечно намагниченной ферритовой среде, когда намагничивающее поле перпендикулярно направлению распространения волны, наблюдается явление поглощения волны при полях , меньших значения при продольном намагничивании.
Это явление носит
название поперечного резонанса.
Поперечный резонанс наступает при
.
И в продольно и в
поперечно намагниченных ферритовых
средах наблюдается эффект смещения
поля, обусловленный тем, что при
<
0 постоянная распространения
становится мнимой величиной. Это значит,
что правополяризованные волны в такой
ферритовой среде распространяться не
могут: они вытесняются из ферритовой
среды, т. е. смещаются. Эффект смещения
поля, как и поперечный резонанс,
используется при построении вентилей.