1. Зависимость параметров феррита от поля подмагничивания.

В ферритовых устройствах СВЧ используются гиромагнитные свойства, проявляющиеся при одновременном воздействии на ферритовый образец ортогональных постоянного и высокочастотного магнитных полей. При таком воздействии в высокочастотном поле появляются координатные составляющие поля Н, отсутствовавшие в первичном поле. При этом связь высокочастотных векторов напряженности магнитного поля Н_вч и магнитной индукции В_вч описывается тензором магнитной проницаемости (μ).

Если постоянное подмагничивающее поле Н₀ направить вдоль оси z декартовой системы координат, эта связь принимает вид

Вследствие тензорного характера магнитной проницаемости безграничная ферритовая среда оказывает различное воздействие на электромагнитные волны с правой и левой круговой поляризацией вектора Н, ортогонального(составляющие Н_х и Н_y) направлению подмагничивающего поля.

Понятие линейной и круговой поляризаций

Поле линейной поляризации изменяется во времени по закону cos(ωt). На комплексной плоскости мы имеем единичный вектор, постоянно направленный вдоль действительной оси, амплитуда и фаза которого во времени меняется по закону cos(ωt).

Поле с круговой поляризацией описывается на комплексной плоскости вектором постоянной амплитуды, вращающимся во времени с временной зависимостью (знаки означают вращение векторов в противоположных направлениях, поскольку фаза ωt имеет разные знаки) и может быть представлено как сумма двух ортогональных на комплексной плоскости векторов с линейной поляризацией (A и jA), меняющихся во времени с фазовым сдвигом 90⁰ .

Обратно, поле с линейной поляризацией можно разложить на две составляющих с круговой поляризацией, вращающихся навстречу друг другу

Рис.14.1 Зависимость магнитной проницаемости для лево- и правополяризованного ВЧ поля от уровня подмагничивания

Из электродинамики известно, что если вектор Н высокочастотного поляризованного по кругу поля ортогонален вектору Н₀ постоянного магнитного поля, подмагничивающего феррит, феррит для лево- и правополяризованного ВЧ поля ведет себя как изотропная среда, магнитная проницаемость которой различна для разных направлений вращения вектора Н волны. Для правополяризованной волны (вектор Н_вч вращается по часовой стрелке для наблюдателя, смотрящего по направлению поля Н₀) магнитная проницаемость имеет резонансный характер и мнимая составляющая μ''₊ учитывающая потери в феррите, максимальна при резонансе. Резонансный характер функции μ₊ (H₀) обусловлен тем, что направление вращения возбуждающего магнитного поля совпадает с направлением прецессии магнитных моментов электронов. Для левополяризованной волны (вектор Н_вч вращается против часовой стрелке для наблюдателя, смотрящего по направлению поля Н₀) направления вращения магнитного поля и прецессии электронов противоположны, поэтому резонанс невозможен и магнитная проницаемость μ_- изменяется в зависимости от подмагничивающего поля плавно. Характерное поведение проницаемостей μ₊и μ_- от величины H₀ показано на рис. 14.1.

Устройства СВЧ с ферритами могут быть разделены на две группы. В первую группу выделяют невзаимные устройства — вентили, гираторы и циркуляторы, условные графические обозначения и идеальные матрицы рассеяния которых приведены в табл. 14.1.

Т абл. 14.1

Вентиль — четырехполюсник, пропускающий волну в одном направлении почти без отражения и без ослабления, но поглощающий волну, распространяющуюся в противоположном направлении. Вентили применяются для защиты генераторов СВЧ от изменений сопротивления нагрузки, для построения развязывающих цепей, в качестве элементов измерительных установок.

Гиратор — невзаимный фазосдвигатель (т. е. нерегулируемый фазовращатель), фазы коэффициентов передачи которого в прямом и обратном направлениях различаются на 180°. Гираторы применяются как базовые элементы в более сложных невзаимных устройствах.

Циркулятор — согласованный недиссипативный невзаимный многополюсник, в котором передача мощности происходит со входа 1 на вход 2. с входа 2 на вход 3 и т. д. Чаще других применяются 6-полюсные и 8-полюсные циркуляторы.

Во вторую группу ферритовых устройств выделяют управляющие устройства — фазовращатели, выключатели, коммутаторы, перестраиваемые фильтры. Изменение характеристик таких устройств производится регулированием или переключением тока в управляющих обмотках.

Существуют также ферритовые устройства с магнитной памятью, перестройка которых производится подачей одиночных импульсов тока в управляющие обмотки.

Подавляющее большинство ферритовых устройств предназначено для сантиметрового диапазона длин волн. Использование ферритов на миллиметровых волнах также возможно, однако связано с трудностями получения нужных параметров ферритовых материалов и сложностью создания сильных управляющих магнитных полей повышенной напряженности. Основными достоинствами ферритовых устройств являются возможность работы при высоких уровнях мощности и нечувствительность к кратковременным перегрузкам. Недостатки вызваны повышенной зависимостью характеристик ферритов от температуры и трудностями получения высокого быстродействия из-за инерционности управляющих магнитных систем.