Применение ферритовых вентилей в технике свч

Во многих видах трактов СВЧ предъявляются высокие требования к согласованию источника СВЧ мощности с нагрузкой, поскольку генераторы весьма чувствительны к влиянию отраженной волны. Решить задачу качественного согласования в полосе частот (до 30 − 40 %) обычными методами (с помощью реактивных согласующих устройств) достаточно сложно, а при переменной нагрузке вообще невозможно. Такая задача легко решается при включении между генератором и нагрузкой магнитных вентилей (циркуляторов), работа которых основана на невзаимных свойствах ферритов по отношению к направлению распространения электромагнитных волн.

Вентилем называется двуплечее устройство (четырехполюсник), в котором падающая электромагнитная волна проходит без существенного затухания в одном направлении (прямая волна) и претерпевает сильное поглощение при распространении в противоположном направлении (обратная волна). Вентиль строится таким образом, чтобы затухание прямой волны было минимальным, а обратной – максимальным.

Качество работы вентиля характеризуется затуханиями прямой L_пр и обратной L_обр волн, которые измеряются в децибелах. Обычно вентиль конструируют и настраивают таким образом, чтобы величина L_пр лежала в пределах 0.1 − 1.5 дБ, а L_обр была не менее 10 дБ. В связи с этим, свойства вентиля характеризуются также вентильным отношением:

. (5.1)

Обычно, рабочая полоса вентилей оценивается по уровню . Хотя в некоторых случаях эта величина может быть и больше. Все зависит от требований, диктуемых техническим заданием.

Строение ферритов

Известно, что все атомы всех веществ состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Общее число электронов в атоме равно номеру элемента в периодической системе Менделеева. Условно можно считать, что каждый электрон вращается по некоторой орбите вокруг ядра, одновременно вращаясь вокруг собственной оси.

Рис. 5.1. Поле рамки с током.

Поскольку электрон – заряженная частица, а перемещение заряженных частиц по замкнутой траектории эквивалентно протеканию тока в контуре, то орбиту каждого электрона можно рассматривать как элементарный виток с током (рис. 5.1).

Ток создает в окружающем пространстве магнитное поле, перпендикулярное плоскости рамки, которое характеризуется орбитальным магнитным моментом (рис. 5.2). Вращению электрона вокруг собственной оси соответствует спиновый магнитный момент .

Рис. 5.2. Орбитальный момент электрона.

Вращающийся электрон со своей массой может быть уподоблен волчку, одновременно вращающемуся вокруг собственной оси и ядра. Следовательно, электрон как материальная точка имеет орбитальный и спиновый моменты количества движения (рис. 5.2 и 5.3 соответственно).

Рис. 5.3. Спиновый момент электрона.

Полный магнитный и механический моменты атома – векторные суммы моментов всех электронов в атоме. В свою очередь, полные моменты молекул – суммы моментов атомов в молекуле и т. д.

При анализе состояний электронов в атомах и молекулах следует опираться на фундаментальный физический принцип, согласно которому произвольная физическая система находится в устойчивом во времени состоянии, если ее полная энергия минимальна.

У большинства атомов минимум полной энергии достигается при антипараллельной ориентации спиновых моментов, т. е. суммарный магнитный момент этих атомов близок к нулю. Исключение составляют металлы переходных групп (группы железа, палладия, платины и т. д.), у которых минимуму полной энергии соответствует параллельная ориентация спиновых магнитных и механических моментов части электрона. Например, у атома железа на предпоследней оболочке находятся четыре электрона с параллельными спинами, у атома кобальта – три и т. д.

В постоянном магнитном поле атомы этих металлов ведут себя подобно стрелке компаса; их магнитные моменты ориентируются параллельно приложенному магнитному полю.

Принцип действия ферритовых устройств на СВЧ основан на взаимодействии магнитного поля электромагнитной волны с нескомпенсированными магнитными моментами атомов. Чтобы такое взаимодействие стало возможным, электромагнитная волна должна проникать в вещество и распространяться в нем. В проводниках распространение волн невозможно из-за скин-эффекта, поэтому чистое железо непригодно для использования в подобных устройствах. Это препятствие устраняется при применении диэлектрических магнитных материалов, являющихся химическими соединениями магнитных металлов (обычно железа) с кислородом и другими элементами. Подобные магнитные диэлектрики, называемые ферритами, имеют весьма малую удельную проводимость порядка 10^-4...10^-6 См/м, в то время как железо в диапазоне СВЧ имеет проводимость 10⁶ См/м. Диэлектрическая проницаемость ферритов на СВЧ, как правило, попадает в интервал 5−20.

Химическая формула простейших ферритов имеет вид , где − ион двухвалентного металла типа Mn, Co, Ni, Cu, Mg, Zn, Cd и др. Часто используют смешанные ферриты, в состав которых входят ионы нескольких металлов.

Ферриты отличаются от других магнитных материалов тем, что они, как и ферромагнетики, состоят из большого числа малых однородно намагниченных областей – доменов. Внутри каждого домена намагниченность однородна, но направление вектора магнитного момента в этих самопроизвольно намагниченных областях изменяется от одного домена к другому. Поэтому при отсутствии внешнего магнитного поля феррит в целом не намагничен (рис. 5.4). Ширина домена мкм. При внешнем магнитном поле от 1 до 100 эрстед (10² − 10⁴ А/м) доменная структура исчезает, и феррит намагничивается. В случае, когда все магнитные моменты в материале ориентированы по внешнему полю (образец намагничен до насыщения), магнитный момент единицы объема вещества называется намагниченностью насыщения. Конкретная величина поля насыщения зависит от марки феррита.

Рис. 5.4. Домены феррита в отсутствии внешнего магнитного поля.

Ферриты представляют собой ионные кристаллы, в которых сравнительно небольшие ионы металлов находятся в промежутках между значительно большими по размеру ионами кислорода О^-2. В ионах кислорода отсутствуют непарные спиновые моменты, которые не обладают магнитным моментом. Взаимодействие между нескомпенсированными магнитными моментами ионов металлов может осуществляться только через ионы кислорода. Это приводит к параллельной или антипараллельной ориентации магнитных моментов ионов металлов в соседних ячейках кристаллической решетки. В состав ферритов входят ионы различных металлов, магнитные моменты которых не равны. Поэтому даже при антипараллельной ориентации имеет место неполная компенсация магнитных моментов. Следовательно, отдельные малые объемы материала оказываются намагниченными в одном направлении. Именно эти объемы и называются доменами. Из сказанного следует, что ферромагнетизм есть свойство кристалла, а не отдельного атома.

Технология изготовления ферритов подобна производству керамики. Порошкообразные исходные компоненты смешиваются со связующим материалом (например, парафином), прессуются и подвергаются обжигу в электропечах. Как уже указывалось, ферриты являются хорошими диэлектриками ( ), и поэтому потери на вихревые токи в них малы.