2.2 Ферритовые управляющие устройства.

2.2.1 Классификация ферритовых устройств.

Устройства с ферритами могут быть разделены на две группы. В первую группу выделяют невзаимные устройства - вентили, гираторы и циркуляторы.

Вентиль - четырехполюсное устройство, пропускающее волну в одном направлении почти без отражения и без ослабления, но поглощающее волну, распространяющуюся в обратном направлении. Вентили применяются для защиты генераторов СВЧ от изменений сопротивления нагрузки, для построения развязывающих цепей и т.д.

Гиратор - невзаимный фазосдивигатель, фазы коэффициентов передачи которого в прямом и обратном направлениях различаются на Гираторы применяются как базовые элементы в более сложных невзаимных устройствах.

Циркулятор - согласованный недиссипативный невзаимный многополюсник, в котором передача мощности происходит в одном направлении с входа I на вход 2, с входа 2 на вход 3 и т.д.

Во вторую группу ферритовых устройств выделяют управляющие устройства - фазовращатели, выключатели, коммутаторы, плавные и ступенчатые аттенюаторы, переменные делители мощности. Изменение характеристик таких устройств производится регулированием или переключением тока в управляющих обмотках. Существуют также ферритовые устройства с внутренней магнитной памятью, перестройка которых производится подачей одиночных импульсов тока в управляющие обмотки.

Основными достоинствами ферритовых устройств является способность к работе при высоких уровнях СВЧ мощности и нечувствительность к значительным кратковременным перегрузкам. Недостатки фер­ритовых устройств связаны с зависимостью характеристик ферритовых образцов от температуры и с трудностями достижения высокого быстродействия из-за инерционности управляющих магнитных систем.

2.2.2 Тензор магнитной проницаемости.

Феррит - магнитодиэлектрический материал (,) с кристаллической структурой обладающий гире магнитными свойствами, обусловленными особым поведением электроне в атомах кристаллической решетки.

Ферриты могут быть поликристаллическими и монокристаллическими, производство поликристаллических ферритов осуществляют по технологии, характерной для керамики - смесь окислов с пластификатором формуют в полуфабрикат, которые затем обжигают при температуре 1000 - 1400°С. Ферритовые монокристаллы выращивают по технологии, сходной с технологией полупроводниковых материалов.

Из курса физики известно, что электроны обладают орбитальными магнитными моментами, создаваемыми их перемещениями по орбитам вокруг ядер, и спиновыми магнитными моментами, обусловленными вращением электронов вокруг собственной оси. Доказано, что решающую роль в образовании магнитных свойств вещества играют спиновые магнитные моменты электронов. В кристаллических решетках ферритов, в силу так называемого обменного взаимодействия часть спиновых магнитных моментов занимает параллельное положение, а другая часть положение антипараллельное к первой. При этом имеет место неполная компенсация суммарного магнитного момента, и возникает некоторая спонтанная намагниченность вещества, проявляющаяся в отдельных микроскопических областях называемых доменами. В разных доменах векторы суммарной намагниченности ориентированы хаотически, так что в целом суммарный магнитный момент макроскопического образца феррита равен нулю. Доменная структура ферритов образуется из-за взаимодействия элементов кристаллической решетки при стремлении к минимуму внутренней запасенной энергии.

Магнитное состояние феррита в магнитном поле описывают вектором намагниченности , определяемым как предел отношения суммарного магнитного момента вещества к его объему при стремлении последнего к нулю. Кроме вектора намагниченности феррит характеризуют также магнитной восприимчивостьювектором магнитной индукциии магнитной проницаемостью. Под действием постоянного магнитного поля с напряженностьюферрит намагничивается и магнитная индукция в нем изменяется как показано на (рис.1) При больших напряженностях полявсе элементарные спиновые магнитные моменты устанавливаются параллельно полю, возникает состояние насыщения намагниченности магнитной индукции.

Рис. I

При уменьшении напряженности поля намагниченность и магнитная индукция уменьшаются, но кривые намагничивания и размагничивания оказываются различными вследствие явления гистерезиса. Главная петля гистерезиса характеризуется следующими параметрами: индукцией насыщенияостаточной намагниченностьюи коэрцитивной силой(рис.1). Свойства ферритов сохранять остаточную намагниченность, особенно выраженное у материалов с прямоугольной петля гистерезиса (ППГ), используется для создания ферритовых устройств с так называемой внутренней магнитной памятью.

Тепловое движение внутри феррита стремится разрушить доменную структуру, поэтому с ростом температуры намагниченность падает и при достижении так называемой температуры Кюри обращается в нуль. Доменная структура при температуре Кюри разрушается, магнитные свойства феррита почти пропадают.

В ферритовых устройствах используются гиромагнитные свойства ферритов, появляющиеся при одновременном воздействии на феррит постоянного и высокочастотного магнитных полей. Если переменное магнитное поле и переменная намагниченностьдостаточно малы, то между их комплексными амплитудами должно иметь место следующее соотношение:

(I)

где - тензор магнитной восприимчивости вещества по отношению к переменному полю. Компоненты этого тензора зависят от частоты переменного поляи величины постоянного поля. Наложениеприводит к тому, чтостановится тензором, причем, тензором несимметричным.

Используем квазиклассический метод для нахождения параметров тензора магнитной восприимчивости и далее компонентов тензора магнитной проницаемости.

Будем рассматривать каждый участвующий в ферромагнетизме электронный спин как классическую частицу, обладающую механическим моментов (моментом количества движения) , и магнитным моментом. На такую частицу в магнитном поле Н будет действовать момент силы. Уравнение движения частицы запишем в виде;

(2)

- суммарное эффективное поле, действующее на магнитный момент частицы.

Примем во внимание квантомеханическое соотношение

g - фактор слектроскопическиго расщепления. Тогда

…………………………(3)

Умножая обе части на число рассматриваемых элементарных частиц в единице объема V , получим уравнение Ландау-Лифшица

(4)

- магнитный момент, отнесенный к единице объема, - макро­скопическая намагниченность вещества,

влючает в себя действительное магнитное поле и эффективные поля, которыми учитываются различные виды взаимодействия. Для намагниченной до насыщения изотропной среды:

Слагаемое в нашем случае можно не учитывать.

Рассматривая однородную прецессию намагниченности в феррите, уравнение движения запишем в виде:

(5)

Рассмотрим собственные колебания намагниченности в отсутствие переменного магнитного поля. Направим оси декартовой системы координат так, чтобы ось z совпадала с постоянным внешним полем и постоянной намагниченностью. Предполагая колебания гармоническими, запишем

(6)

- единичный вектор

- комплексная амплитуда переменной намагниченности, которая и подлежит определению.

Проектируя уравнение на оси координат:

(7)

Условие совместности системы (равенство нулю определителя) дает выражение для собственной частоты колебаний:

(8)

- гиромагнитное отношение для электронного спина.

Подставляя это выражение в (7), получаем:

(9)

Таким образом, собственные колебания вектора М представляют собой правое вращение конца вектора М вокруг направления постоянной намагниченности . Конец вектора М движется при этом по круговой орбите в плоскости, перпендикулярной(рис.2)

Перейдем теперь к рассмотрению малых вынужденных колебаний намагниченности. Магнитное поле, запишем в вида

(10)

где ,,

переменное магнитное поле, которое мы рассматриваем как заданное. Намагниченность будем искать в виде:

. (11)

Считаем, что

Отбрасывая малые члены второго порядка малости и считая получим уравнение для

(12)

Проектируем на оси координат (рис.1)

(13)

или

(14)

Продольная составляющая малого переменного поля не вызывает переменной намагниченности. Поперечные же составляющиеивызывают поперечные составляющие не только параллельные, но и перпендикулярные составляющий поля.

Выражения (14) могут быть представлены в виде:

(15)

Где

(16)

Переменная составляющая магнитной индукции имеет вид

Подставляя в (17) выражение (15)

(17)

- единичный вектор,

(18)

где согласно (16)

Из выражений (18),(16) следует, что идля рассматриваем среды представляют собой суммы диагональных и антисимметричных тензоров. Зависимости компонентов этих тензоров,иотиносят резонансный характер (рис.2). Резонанс имеет место при совпаденииичастотой собственной прецессии намагниченности.

Для малых расчетный величины не приведены на графиках рис.2, так как при этом не выполняется основное предположение, что среда намагниченная до насыщения.

Как видно из рис.2 и из формулы (18) при иобращаются в бесконечности что является следствием не учета потерь.

В реальных ферромагнитных средах всегда имеют место магнитные потери. Наличие потерь приводит к тому, что свободная прецессия намагниченности в реальных средах является затухающей, и при отсутствии внешнего переменного поля очень скоро устанавливается равновесное со­стояние, соответствующее статистической намагниченности . В случае вынужденной прецессии наличие магнитных потерь приведет к тому что компоненты тензоровибудут комплексными, а значения вещественных и мнимых частей этих компонентов будут оставаться конечными при ферромагнитном резонансе.

Тензор магнитной проницаемости характеризуют матрицей:

элементы которой ,, являются комплексными величинами и их зависимости от частоты или от напряженности поля подмагничиванияаналогичны кривым сопротивлений резонансных двухполюсников. (рис.3).

Резонансный характер поведения тензора магнитной проницаемости принято характеризовать шириной линии гиромагнитного резонанса , представляющий собой ширину кривойпо уровню 0,5 от максимального значения. В стороне от резонансной частоты приилитензорстановится диагональной матрицей.

Тензоры имогут быть диагонализированы, если вместо поперечных составляющих вектороввести их линейные комбинации:

(19)

Тогда будут справедливы следующие соотношения:

( 20.)

Они означают, что для новых переменных тензоры восприимчивости и проницаемости стали диагональными. Например, тензор восприимчивости для новых переменных имеет вид:

(21)

До сих пор мы не делали никаких предположений о характере переменного магнитного поля кроме малости его составляющих. Теперь рассмотрим частный случай поперечного магнитного поля с круговой поляризацией и правым вращением, т.е. предположим:

Для такого поля

,

Тогда, согласно (19)

, (22)

Таким образом, переменная намагниченность будет также иметь круговую поляризацию с правым направлением. Восприимчивость в этом случае будет скалярной и равной:

(23)

Аналогично для поперечного поля с круговой поляризацией и левым враще­нием:

(24)

Подставляя в (23) и (24) значения иполучим

(25)

Переменная магнитная индукция в этом случае будет также иметь круговую поляризацию с вращением, соответствующим направлению вращения переменного поля.

Скалярная магнитная проницаемость имеет вид:

Графики зависимости иотприведен на рис.

Рис. 4а Рис. 4б

Как следует из (25) и из рис.4а только зависимость отимеет резонансный характер; (- проницаемость для поля с круговой поляризацией и направлением вращения, соответствующий направлению собственной прецессии намагниченности).

Зависимости магнитных проницаемостей феррита для магнитных полей с правой и левой вращающимися поляризациями от напряженности поля подмагничивания, вычисленные с учетом потерь представлены на рис.4б