3.2 Ферити в хвилеводних трактах

Властивості феритів

Ферити - це речовини, що отримуються при спіканні окислу заліза з окислами марганцю, магнію, міді, цинку або кадмію. Це феромагнітні матеріали напівпровідникового типу з високим питомим опором (до 10⁷ Ом∙см). Завдяки цьому, а також нікчемним втратам на гістерезис, ферит - єдиний з магнітних матеріалів здатний пропускати ЕМХ НВЧ діапазону з малими втратами.

2. Намагнічення фериту. Як і у будь-якому феромагнетику, у фериті під впливом зовнішнього намагнічуючого поля Н_о, прицьому відбувається орієнтація внутрішніх елементарних полів по напряму Н_о, в результаті якої поле посилюється в раз.

Проте у фериті цей процес має цікаві особливості. Внутрішні поля у фериті створюються за рахунок обертання електронів навколо своєї осі - спіна.

Магнітний момент електрона - М_н спрямований по осі його обертання на зустріч механічному моменту М_мех, обумовленому обертанням маси електрона (рис. 3.26а).

Рис. 3.26 До пояснення прецессии електрона

Під дією намагнічуючого поля виникає сила, що прагне поєднати магнітні поля по напряму. Це призводить до поєднання осі обертання електрона О^/О^// з вектором Н_о. Завдяки наявності механічного моменту, відбувається процес що називається прецессией електрона, в ході якого проекція осі О^/О^// описує на площині перпендикулярною до Н_о спіральну лінію. Прецессия тривати біля 0,01с. кругова швидкість - частота обертання по спіралі називається частою феромагнітного резонансу. Вона пропорциоанальна напруженості поля, що намагнічує:

f_o[МГц]  3,5Н_о [А/м]

з цією частотою відбувається загасання коливань горизонтальною (на рис. 3.26) складовою вектору М_н (М_нt)

Приклад: Розрахувати частоту f_o і довжину хвилі, що відповідає їй, якщо Н_о = 2,8510³ А/м.

Відповіді: f_o = 10⁴ МГц; см.

3. Ферити в електромагнітному полі НВЧ

1). Розкладання поляризованої хвилі. На рис. 3.27 показаний процес додавання двох хвиль магнітного поля рівних по амплітуді і по частоті, що мають кругову поляризацію в зустрічних напрямах: Н₊ - по напряму, а Н_– - проти напряму годинникової стрілки. Як видно з побудови, в результаті складання виникає плоскополяризована хвиля. Отже, будь-яку плоскополяризовану хвилю можна розкласти на дві рівні хвилі із зустрічною круговою поляризацією.

Рис. 3.27 Розкладання плоскополяризованої хвилі на дві хвилі із зустрічною круговою поляризацією

2). Властивості феритів в полі НВЧ. Якщо плоскополяризована хвиля частоти f проходить крізь феритовий стрижень у напрямі поля Н_о, то магнітне поле перпендикулярно Н_о. Тому поля Н₊ і Н_–, що обертаються лежать в «площині прецессии» – в одній площині з горизонтальною складовою M_нt. Одне з них (наприклад – Н₊) обертається у напрямі прецессии, інше - в протилежному. Поле Н₊ викликає вимушену прецессию електронів з частотою f. Якщо плавно збільшувати напруженість поля Н_о, то частота f_o, підвищуватиметься і, при певному значенні Н_о рез, виявиться, що f_o=f і настане феромагнітний резонанс. При резонансі амплітуда прецессии виявиться максимальною. На це хвиля Н₊ витрачатиме значну частину своєї енергії. За рахунок резонансного поглинання загасання хвилі різко зростає (рис. 3.28б)

Рис. 3.28 Графіків залежностей від напруженості намагнічуючого поля:

а) магнітної проникності;

б) постійною загасання фериту

Вщо стосується магнітної проникності фериту (3.28а), то вона виявляється дуже різною для хвиль Н₊ і Н_– (₊ і _–). Хвиля Н_– майже не взаємодіє з полями електронів, тому і майже не залежить від Н_о. Хвиля Н₊ взаємодіє, тому результуюче поле цієї хвилі, а разом з ним і ₊, змінюється в широких межах не лише за величиною, але і по знаку.

4. Ефект Фарадея. У 1845 році М. Фарадей виявив, що якщо промінь світла направити уздовж магнітного поля, то площина поляризації обертається.

Кут повороту пропорційний напруженості поля, а напрямі повороту не залежить від напряму променя світла.

Використання цього ефекту для обертання площини поляризації радіохвиль НВЧ стало можливим завдяки застосуванню феритів.

На рис. 3.29 показаний феритовий стрижень намагнічений полем Н_о, в якому поширюється плоскополяризована хвиля. Оскільки проникність ₊ і _– не рівні, то не рівні і фазові швидкості и . Це означає, що у міру просування по стрижню, вектори і обернуться на різні кути і результуючий вектор (тобто площина поляризації) обернеться тим більше, чим більше Н_о і чим довше стрижень. Перевагою пристроїв що використовують ефект Фарадея в тому, що вони працюють в дорезонансной області (Н_о < Н_{о рез}) і не вимагають сильних магнітних полів. Їх недолік - значні габарити.

Рис. 3.29 До пояснення ефекту Фарадея

Застосування феритів

1. Циркуляторы - це багатоканальні пристрої, в яких ЕМХ поширюються з одного каналу в інший тільки в певній послідовності. Наприклад в четырехплечем циркуляторе може бути реалізована така послідовність 1-2-3-4-1-...

Поляризаційний циркулятор заснований на використанні ефекту Фарадея. Його пристрій показаний на рис. 3.30а

Чотири плечі утворені прямокутними хвилеводами з хвилею Н₁₀. Для того, щоб потрапити в чергове плече, хвиля повинна пройти через феритовий подовжньо-намагнічений стрижень розташований в круглому хвилеводі. У нім виникає хвиля Н₁₁, яка легко трансформується з хвилі Н₁₀ за рахунок плавного переходу від прямокутного до круглого хвилеводу. Хвилевід кожного наступного плеча повернений відносно попереднього на 45^о. На такий же кут обертається і площина поляризації хвилі феритовим стержнем за рахунок ефекту Фарадея. Послідовні положення полів відносно полів плечей циркулятора показані на рис. 3.30б

Рис. 3.30 Поляризаційний циркулятор:

а) пристрій;

б) структури електричного поля

Y – циркулятор (рис. 3.31) це три хвилеводи сполучених під кутом 120^о. У центрі намагнічений феритовий стрижень. Якби не було ферритора то енергія хвилі поступає з одного плеча, порівну розподілялася б між іншими. За наявності фериту поле НВЧ в кожному плечі складається з первинного і перевипроміненого феритом. При правильному підборі підмагнічування ці поля складаються в лівому від вхідного плечі і знищуються в правому. Так забезпечується послідовність: 1-2-3-1…

Рис. 3.31 Y - циркулятор:

1, 2, 3 – плечі трійника; 4 - ферит; 5 - діелектрик

2. Фазообертач. Феритовий фазообертач складається з хвилеводної лінії, що містить намагнічений ферит. Управління фазою НВЧ коливань здійснюється шляхом зміни поля, що намагнічує, в наслідку чого - магнітній проникності фериту, що веде до зміни фазової швидкості хвилі і фазового зрушення в хвилеводі.

Фазообертачі, що забезпечують однакове фазове зрушення фази для хвилі будь-якого напряму називаються взаємними. Якщо він різний - невзаємними.

Рис. 3.32 Взаємний фазообертач

Взаємний фазообертач поляризаційного типу (рис. 3.32) заснований на використанні ефекту Фарадея. Його особливість в тому, що дві половини феритового стрижня намагнічуються в зустрічних напрямах. Тому повороти площини поляризації також виявляються зустрічними і взаємно компенсуються, а тимчасова затримка і фазове зрушення зберігаються не залежно від напряму хвилі.

Невзаємний фазообертач з поперечним намагніченням феритової пластини зміщеної відносно осі хвилеводу (рис. 3.33). У нім використовується та обставина, що магнітна проникність фериту ₊ і _– для хвиль різного напряму різна. Тому різними виявляються і фазові зрушення.

Рис. 3.33 Прямокутний хвилевід з феритовою пластинкою

3. Феритові вентилі. Це пристрої, що забезпечують проходження ЕМХ переважно в одному напрямі.

Поляризаційний вентиль. Відрізняється від циркулятора (рис. 11.30) тим, що має тільки два плечі: 1 і 2. Пряма хвиля з виходу - 2 на вхід - 1 не проходить, оскільки після повороту площини поляризації на 90^о (двічі на 45^о) її електричне поле зорієнтоване уздовж широкої стінки хвилеводу (рис. 3.34)

Рис. 3.34 До пояснення принципу роботи поляризаційного вентиля

Резонансний вентиль (рис. 3.35). У цьому вентилі за рахунок застосування сильного магніта забезпечується феромагнітний резонанс і пов'язане з ним різке збільшення втрат енергії хвилі одного напряму. Напрям м.с.л. цієї хвилі співпадає з напрямом прецессии.

Крім хвилеводів, феритові пристрої можуть бути використані у поєднанні з лініями фідерів або полосковыми.

Рис. 3.35 Облаштування резонансного вентиля