ЛР_4

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ФЭТ

отчет

по лабораторной работе №4

«НЕВЗАИМНЫЕ ФЕРРИТОВЫЕ УСТРОЙСТВА: ФАРАДЕЕВСКИЙ ВРАЩАТЕЛЬ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ»

Выполнил:

Группа № 8204

Проверил: Дроздовский А.В.

Санкт-Петербург

2020

Цель работы. Ознакомление с эффектом необратимого вращения плоскости поляризации электромагнитной волны, проходящей через линию передачи, содержащую феррит.

Основные положения.

Ферриты – это группа содержащих ионы железа материалов, которые обладают одновременно магнитными свойствами ферромагнетиков и электрическими свойствами диэлектриков (ε_r = 5…20, σ = 10^-5 Ом^-1м). Свойства ферритов в значительной степени определяются их структурой. Наиболее широкое применение находят ферриты со структурой шпинели (например, железоникелевый феррит NiFe₂O₃, марганцевый феррит MnO⋅Fe₂O₃) и со структурой граната (например, железоиттриевый гранат Y₃Fe₅O₁₂ – ЖИГ). Благодаря наличию ионов железа ферриты обладают большой магнитной проницаемостью и спонтанной намагниченностью. На рис. 1 показана кривая намагничивания ферромагнитного материала.

Рис. 1 Рис. 2

В ненамагниченном состоянии феррит представляет собой конгломерат областей, магнитные моменты которых ориентированы в различных направлениях. Под воздействием переменного магнитного поля магнитные моменты указанных областей отклоняются в направлении вектора H, в результате появляется вектор магнитной поляризации (вектор намагниченности, определяемый как магнитный момент единицы объема), совпадающий с вектором напряженности внешнего поля, и магнитная проницаемость является скалярной величиной. Поэтому свойства ненамагниченного феррита для переменных полей любого направления одинаковы и распространение электромагнитных волн в нем происходит так же, как в любой другой изотропной среде.

Постоянное магнитное поле Н₀ ориентирует магнитные моменты атомов железа вдоль внешнего поля, в результате чего феррит приобретает анизотропные свойства, а его магнитная проницаемость для переменных электромагнитных полей становится тензорной величиной. Слабое переменное магнитное поле h, перпендикулярное намагничивающему полю Н₀, заставляет магнитные моменты прецессировать вокруг вектора Н₀ (рис. 2).

Описание экспериментальной установки.

Блок-схема лабораторной установки для изучения эффекта вращения плоскости поляризации электромагнитной волны, проходящей через линию, содержащую феррит, приведена на рис. 3. Источником СВЧ-колебаний служит генератор Г4-83, работающий в режиме внутренней амплитудной модуляции меандром. Сигнал с выхода генератора 1 через коаксиальный кабель 2 подается на выход отрезка цилиндрического волновода 3, содержащего ферритовый стержень. Постоянное магнитное поле Н0, намагничивающее феррит в продольном направлении, создается катушкой, через которую пропускается управляющий ток I от источника постоянного тока 4. СВЧ-Сигнал, излучаемый из открытого конца цилиндрического волновода 3, принимается рупорной антенной 5 и после детектирования детектором 7 регистрируется на экране осциллографа 6.

Рис. 3

Намагничивание феррита постоянным магнитным полем Н₀, создаваемым током I в катушке, приводит к повороту на угол Θ плоскости поляризации электромагнитной волны, излучаемой в окружающую среду из открытого конца цилиндрического волновода. Угол поворота плоскости поляризации Θ зависит от силы тока I, протекающего через катушку, и от частоты сигнала. Угол поворота плоскости поляризации волны фиксируется измерением угла поворота рупора приемной антенны вокруг горизонтальной оси, при котором наблюдается максимум регистрируемого сигнала.

Обработка результатов.

Таблица 1. Результаты измерений.

Iист = 0
φ, °	0	22,5	45	67,5	90	112,5	135	157,5	180
I, mA	38	16	1	0	0	2	22	32	44
Iист = 15 mA
φ, °	0	22,5	45	67,5	90	112,5	135	157,5	180
I, mA	34	30	17	8	0	0	1	14	43
Iист = 30 mA
φ, °	0	22,5	45	67,5	90	112,5	135	157,5	180
I, mA	25	36	36	23	8	0	0	6	26
Iист = 45 mA
φ, °	0	22,5	45	67,5	90	112,5	135	157,5	180
I, mA	0	14	20	22	17	4	0	0	0
Iист = 60 mA
φ, °	0	22,5	45	67,5	90	112,5	135	157,5	180
I, mA	0	3	10	18	22	18	8	3	0

Рис. 1. Зависимость амплитуды огибающей СВЧ-сигнала от угла поворота рупора.

Рис. 2. Зависимость амплитуды огибающей СВЧ-сигнала от угла поворота рупора для последних 2 токов генератора.

Рис 3. Зависимость угла поворота плоскости поляризации электромагнитной волны от управляющего тока.

Вывод.

В данной работе исследовались явления поворота плоскости поляризации феррита на невзаимном ферритовом фазовращателе. В феррите теорема взаимности не выполняется, т.к. тензор магнитной проницаемости феррита недиагонален, несимметричен и описывает анизотропные свойства среды для всех электромагнитных волн, распространяющихся в среде феррита. Направление вращения плоскости поляризации не зависит от направления распространения волны, но волна, распространяющаяся в феррите по одной траектории, но в разных направлениях будет иметь разный фазовый сдвиг и затухать по-разному.

Увеличение тока источника сдвигает при этом зависимость тока от угла поворота в сторону больших значений, что является следствием роста напряженности поля. Также при увеличении тока в катушке на примере рис. 3 видно, что минимумы токов соответствуют увеличивающимся значениям углов. Наблюдается близкая к линейной зависимость, что говорит о том изменение угла поворота плоскости поляризации существенно зависит от значений управляемого тока.