книги / Основы радиотехники и антенны. Антенны
.pdfв нескольких поперечных сечениях и векторные диаграммы для этого поля па границах щели и каналов.
Входом схемы служит канал /. Волна /710 выходя из него, попадает в щель, ширина которой а' больше ширины а канала почти в два раза. Следовательно, а' превышает длину волны X и по этой причине в начале щели распределение электрического (и магнитного) поля волны # 10 изменяется, а также возникает волна Н20-Согласно структуре обеих волн поля их в начале щели имеют одинаковую фазу на уровне канала / и обратную фазу на уровне канала 2. Обозначив амплитуду напряженности поля каждой вол ны Ет , можем написать, что амплитуда напряженности результи
рующего |
поля |
в первом |
случае равна Ехт — 2Ет, а во втором |
Егт = 0 |
(см. |
векторные |
диаграммы). |
Рис. 7.22. Волноводно-щелевой мост
При движении волн Н10 и Н2о в щели сдвиг по фазе между ними непрерывно изменяется, так как их фазовые скорости и соответ ственно длины волн в волноводе различны. Так, для Я10 критиче ская длина волны равна Акр10 = 2а', а для //20 имеем Якр2о = а '. Соответственно волноводная длина волны в первом случае мень ше, чем во втором:
^В10 ““ |
^ ^в20 ““ |
>ч а !> - ( * ) ■
Всилу этого можно подобрать такую длину щели I, чтобы, скажем, на ней укладывалось Яв/2 волны //10 и ЗЯ„/4 волны Н20. Тогда на векторной диаграмме, соответствующей входу в канал 3, векторы Ет будут повернуты относительно выхода канала / на 180° для волны Я,о и на 270° для волны Н20- На такие же углы по ворачиваются векторы электрического поля у входа в канал 4 относительно выхода канала 2. Очевидно, что амплитуды результи
рующих полей каналов 3 и 4 равны Ез,Л= Е \т = ]^2£m и, посколь ку мощности пропорциональны квадрату напряженности поля,
мощность волны, входящей через канал 1 в мост, делится поровну
в каналах 3 и 4 |
~ ^]’ ®тсюда ПР0ИСХ°ДИТ другое назва |
ние щелевых мостов — трехдецибельные. |
|
Заметим, что для |
щелевых мостов характерно и другое: |
а) результирующие поля Ез,п, Е^т в выходных каналах 3, 4 имеют взаимный сдвиг по фазе на 90 '; б) теоретически в канал 2 не посту
|
|
£fm-2Epj |
|
Ею |
|
|
|
пи |
f нго |
|
|
||
|
|
|
|
|||
|
Ею |
\Ет |
yS |
Ию |
Езт-\/2 Ею |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
|
1 |
|
|
|
||
I |
ТГ~ |
|
|
|
||
|
П |
Е\ |
|
з |
9 н,0 |
|
|
|
|
||||
|
|
Ь |
13 |
|
|
|
Г 1 |
|
Й * |
О |
|
|
|
|
|
I? |
|
|
|
% |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ню♦ I Ещ |
|
а - |
|
||
|
£ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н го А л |
|
|
Em\\Hzo |
, |
V \ |
Em |
||
|
Егт=0 |
|
п > Г - Л н 'а |
|||
|
|
|
Em |
|
Рис. 7.23. Диаграммы, поясняющие процессы в волноводнощелевом мосте.
пает энергия; в действительности в него просачивается весьма не значительная часть мощности (менее 0,2%).
С помощью вкладышей 5 размер а' щели устанавливается не сколько меньшим, чем 2а, с таким расчетом, чтобы в щели не воз буждалась следующая за Я 20 волна //30. Вставки имеют скос для согласования. В самой щели согласование производится штырем 6 (на рис. 7.22 обозначен 7).
ЭЛЕМЕНТЫ АНТЕННО-ФИДЕРНЫХ УСТРОЙСТВ, СОДЕРЖАЩИЕ НАМАГНИЧЕННЫЕ ФЕРРИТЫ. АНТЕННЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
56. Некоторые свойства ферритов
Много нового в антенную технику СВЧ внесло освоение фер ритов. К ферритам относятся вещества, полученные спеканием окиси железа с окислами марганца, магния, меди, цинка или кад мия. Ферриты — магнитные материалы полупроводникового типа. Они обладают очень высокой магнитной проницаемостью и вместе с тем имеют очень высокое удельное электрическое сопротивление (до 107 ом-см), т. е. сочетают в себе свойства ферромагнитных ме таллов и полупроводников, близких к диэлектрикам. На сантимет ровых волнах относительная диэлектрическая проницаемость фер ритов находится в пределах 5—20.
Если ферромагнитный металл поместить в электромагнитное поле СВЧ, то возникают большие потери на вихревые токи, гис терезис и ферромагнитный резонанс. Особенно значительны потери на вихревые токи, так как поле СВЧ индуктирует большую э. д. с., а удельное электрическое сопротивление железного сердечника мало. На низких частотах эти потери снижают тем, что сердечник составляют из тонких изолированных пластин и тем самым увели чивают его сопротивление. В диапазоне СВЧ такой способ уже непригоден, так как для эффективного снижения потерь потребо вались бы слишком тонкие пластинки.
При СВЧ непригодны также применяемые на низких радио частотах магнитодиэлектрики. Они состоят из мелких металли ческих зерен, распределенных в высококачественном диэлектри ке. Зерна из-за неравномерного распределения намагничиваются неодинаково. Это приводит к уменьшению эффективной магнитной проницаемости материала и росту потерь энергии, особенно зна чительному на СВЧ.
10 Зак 102 |
273 |
Ферриты свободны от перечисленных недостатков: они имеют большое удельное электрическое сопротивление по всему объему, благодаря чему вихревые токи в ферритах малы и через них можно пропускать электромагнитные волны СВЧ, не опасаясь больших потерь. Весьма ценным качеством являются некоторые необрати мые свойства ферритов, обусловленные их гиромагнитными свой ствами. В общих чертах эти свойства выражаются в следующем.
Электроны атомов ферромагнетиков совершают двойное вра щательное движение: вокруг ядра по замкнутым орбитам и вокруг своей оси. Поскольку упорядоченное движение электронов озна-
а ) |
б ) |
Рис. 8.1. Прецессия электрона |
под влиянием внешнего маг |
нитного |
поля. |
чает электрический ток, то это должно вызвать появление магнит ного момента. Опытным путем доказано, что можно пренебречь магнитным моментом, вызванным орбитальным движением электро на, по сравнению с магнитным моментом M h (рис. 8.1, а), вызван ным вращением электрона вокруг своей оси О'О" (спином). Вместе с 1ем существует механический момент Ммех, обусловленный вра щением массы электрона. Векторы обоих моментов Мл и /Име* совпадают с осью вращения электрона и направлены в противо положные стороны.
Если извне ввести постоянное магнитное поле /У0, то в резуль тате взаимодействия внешнего и внутреннего магнитных полей появится пара сил, поворачивающая ось О'О" параллельно вектору Н0 (рис. 8.1, б). Так как существует еще механический момент вращения/ИМех, то движение электрона получается более сложным: к спину электрона прибавляется вращение оси О'О" вокруг вектора Н[} пс часовой (относительно поля Нц) стрелке. Частота этого вра щения (прецессии), называемая частотой ферромагнитного рези-
274
пенса, |
прямо |
пропорциональна напряженности внешнего поля: |
|
/0 [Мгц\ = 2,8/-/0 [эрст\ = 3,5-10~2 Н01а/м\ |
|
При /70 = |
3500 эрст имеем /0 = 9800 Мгц, т. е. на сантимет |
|
ровых |
волнах |
возможен ферромагнитный резонанс. |
В связи с наличием потерь энергии в веществе прецессия про исходит не по окружности, а по свертывающейся спирали и через некоторое время (около 0,01 сек) ось вращения электрона слива ется с направлением постоянного магнитного поля Н0 и прецессия заканчивается. Теперь феррит намагничен.
Этот прецесс затухающей прецессии можно рассматривать как свободные колебания, происходящие с частотой /0. В феррите, как в любой колебательной системе, возможны и вынужденные ко-
Рис. 8.2. Диаграммы, поясняющие образование линейно-поляризованной волны из двух волн с круговой поляризацией.
лебания с частотой /. Они получаются при воздействии на намагни ченный феррит электромагнитной волны частоты / с вектором маг
нитного поля |
перпендикулярным вектору постоянного |
поля |
|
Н0 Если бы вектор |
Н^ вращался в ту же сторону, что и ось О'О" |
||
во время свободных |
колебаний, то прецессия усилилась бы, |
а если |
в противоположную сторону, то ослабилась бы. Если, кроме того, частота / приближается к /0, то вынужденная прецессия сказы вается еще больше и при f = /0 (ферромагнитный резонанс) до стигает максимума.
Всякую линейно-поляризованную волну можно представить в виде двух волн с круговой поляризацией, из которых одна вра щается по часовой стрелке (правая волна), а другая — против ча совой стрелки (левая). Это показано на рис. 8.2, где поле правой
волны |
при соt = 0°, 30°, 60' |
обозначено |
2” 3" , а поле ле |
||
вой волны / \ 2 \ 3' |
При геометрическом сложении векторов этих |
||||
полей |
получаются |
векторы /, |
2, 3, |
расположенные по одной |
|
Ю* |
|
|
|
|
275 |
прямой линии, т. е. результирующая волна оказалась действитель но линейно-поляризованной. Зависимость результирующего поля Н от со/, как видно из временной диаграммы, изображается коси нусоидой.
Свободная прецессия, как известно, происходит но часовой стрелке, а из волн с круговой поляризацией, вызывающих вынуж денную прецессию, только правая волна вращается по часовой стрелке, а левая—против часовой. Естественно, что феррит по-раз ному реагирует на эти волны и имеет различные магнитные прони цаемости для правой ((i+) и левой (р,_) волн.
|
Рис. 8.3. |
Зависимость |
относительной |
магнитной |
|
||
|
проницаемости феррита |
(а) и затухания в нем (б) от |
|
||||
|
напряженности поля намагничивания |
|
|
||||
Когда |
феррит |
не намагничен |
(Hv = 0), |
можно |
считать |
оба |
|
значения |
и |
приблизительно |
равными |
единице |
(речь |
идет |
об относительной проницаемости). С увеличением Н0 (рис. 8.3, а) возрастает собственная частота f0t а так как частота вынужденной прецессии / остается неизменной, то при некотором значении //0= = Я0 Ре наступает резонанс. Это вызывает значительное изменение коэффициента щ.; последний при Н0 = Норез проходит через ну левое значение и меняет свой знак на обратный, тогда как на коэф
фициент |
увеличение Н{) почти не влияет. |
Кроме того, при |
ре |
зонансе |
резко возрастает затухание а правой |
волны (рис. 8.3, |
б), |
левая же волна практически не поглощается ферритом. |
|
Все это объясняется тем, что правополяризованная волна вра щается в том направлении, в котором совершается свободная пре цессия, а левополяризованная волна — в обратном направлении Правая волна все время отдает энергию электронам, а левая — часть периода отдает, а в другую часть периода получает обратно. Если бы потерь в феррите не было, то под влиянием энергии, отдаваемой правой волной, прецессия непрерывно усиливалась бы и при резонансе коэффициент и+, характеризующий способность феррита к намагничиванию, достиг бы бесконечно большого зна чения (см. пунктирные линии на рис. 8.3, а). В реальных условиях энергия волны рассеивается в кристаллической решетке феррита и по этой причине угол прецессии б (на рис. 8.1) так же, как по глощение энергии правой волны, имеет ограниченный максимум при резонансе. Различия в свойствах феррита при прохождении через него право- и левополяризованных волн дают возможность осуществить циркуляторы, вентили, гираторы и некоторые дру гие элементы устройств СВЧ.
57.Циркуляторы, основанные на эффекте Фарадея
В1845 г. Фарадей установил, что если волну света пропу
стить через среду, в которой имеется продольное магнитное поле, то плоскость поляризации волны поворачивается ha угол, про порциональный напряженности магнитного поля. Направление вращения этой плоскости не изменяется тогда, когда луч идет в об ратную сторону, т. е. при распространении волн в обратном направлении плоскость поляризации не восстанавливается. До открытия ферритов вращение и необратимость плоскости поляри зации не могли быть практически использованы на радиочасто тах, так как отсутствовала намагниченная среда, способная про пустить радиоволны без больших потерь. С появлением ферритов это стало возможным в диапазоне СВЧ.
Устройство для вращения плоскости поляризации в феррите (рис. 8.4, а) содержит прямоугольные волноводы /, 2, 3, 4 и круг лый волновод 5, который соединяется с волноводами /, 2 плавными переходами. Внутри круглого волновода находятся ферритовый стержень 6 и опора из пенополистирола 7 для закрепления стерж ня. Так как диэлектрическая проницаемость феррита велика, то возможно сильное отражение волн от стержня. Для того чтобы избежать этого явления, концы стержня сточены на конус. Пос тоянный магнит 8 создает магнитное поле Н0 вдоль оси круглого
волновода. |
Как |
видно из проекции |
на |
поперечную плоскость |
(рис. 8.4, |
б, % |
г), каждый последующий волновод / —2—3— 4 по |
||
вернут относительно предыдущего на |
угол |
45°. |
В прямоугольных |
волноводах |
возбуждается |
волна |
//,0, а |
в круглом — волна Нп . |
В пределах |
ферритового |
стержня |
волну |
Нп можно считать линейно-поляризованной и, следовательно, состоящей из двух волн с круговой поляризацией — правой и ле
вой. Поле |
намагничивания |
стержня вибирается слабым (Ни |
|
Hopes) |
и согласно рис. |
8.3, a ji_ > |
Отсюда следует, что |
Рис. 8.4 Вращение плоскости поляризации волны посредством ферритов.
фазовая скорость правой волны в феррите |
(aj_) больше, чем |
ле |
||
вой (о_): |
|
|
|
|
- г----- ^ |
— |
----- . |
|
|
У6а Мц. |
|
] / р-а |
|
|
Неравенство фазовых скоростей |
|
и и_ |
приводит к тому, |
что |
результирующая волна в феррите уже не линейно-поляризован ная, как на рис. 8.2, а имеет вращающуюся поляризацию, т. е.
278
при поступлении полны в стержень вектор И (как и вектор Е) на чинает вращаться по часовой стрелке или против нее. Направле ние вращения не зависит от того, в какую сторону — прямо или об ратно — распространяется электромагнитная волна, оно меняется на обратное только с переключением постоянного магнитного поля на обратное. Угол же, на который ферритовый стержень поворачива ет плоскость поляризации волны, зависит от величины напряжен ности поля Н{)%прямо пропорционален длине стержня и в меньшей мере — его диаметру. Итак, вращение плоскости поляризации, открытое М. Фарадеем для света, может быть получено и на СВЧ. если волны этого диапазона пропустить через продольно-намагни ченную ферритовую среду.
В данном случае напряженность Н0 и размеры ферритового стержня выбирают с таким расчетом, чтобы стержень поворачивал плоскость поляризации на 45° При этом условии волна из волно вода 1 может попасть только в волновод 2, из волновода 2 — в вол новод 3 и из волновода 3 — в волновод 4. Во всех других направ лениях линии электрического поля в ответвлениях не перпендику лярны широким стенкам прямоугольного волновода и единственно возможная в них волна Н10 не возбуждается. Если к волноводу I подключить генератор, к волноводу 2 — антенну, а в волноводы 3 и 4 поместить поглощающие сопротивления, то волны от генера тора пройдут в антенну (рис. 8.4, б). Если последняя не будег в достаточной мере согласована с волноводом 2, то отраженные от антенны волны поглотятся в сопротивлении 3 (рис 8.4, в). Если же и от сопротивления 3 отразятся волны, то они поглотятся в сопро тивлении 4 (рис. 8.4, г). Такое устройство называется циркулятором.
58. Вентили, основанные на эффекте Фарадея
Вентиль такого вида (рис. 8.5, а) содержит прямоугольный волновод /, сообщающийся через плавный переход 2 с круглым волноводом 3, который через элемент 4 аналогичным способом переходит в прямоугольный волновод 5, повернутый относительно волновода / на угол 45°; в круглом волноводе находится ферри товый стержень 6, намагничиваемый продольным полем соленоида 7; кроме того, на переходных участках расположены тонкие погло щающие пластины <9 9, параллельные широким стенкам соответ ственно волноводов /, 5.
Работа вентиля, как и описанного циркулятора, основана на вращении плоскости поляризации волны Нп ферритовым стержнем. На входе 1 и выходе 5 используются волны Я10 а преобразование ее в волну Ни происходит в переходе 2\ обратное преобразование происходит в переходе 4. Плоскость поляризации прямой волны поворачивается ферритом на 45°, благодаря чему электрические
силовые линии волны Я 1Показываются перпендикулярными широ ким стенкам волновода 5 и волна беспрепятсгвенно проходит на выход вентиля (рис. 8.5,6). Этому способствует также то, что пря мая волна не поглощается пластинами <5 9, так как они (пластины) в обоих переходах перпендикулярны электрическим силовым ли ниям.
Если вентиль не согласован с нагрузкой, то появляется отра женная волна (рис. 8.5, в). На эту волну, как и на прямую, пла стина 9 не влияет, но в пластине 8 энергия отраженной волны по глощается, поскольку ферритовый стержень поворачивает плосИ°сть
Рис. 8.5 Вентиль, основанный на эффекте Фараде»
поляризации на 45°, причем направление вращения для отраженной волны такое же, как для прямой; в результате электрические си ловые линии сливаются с пластиной 8.
Допустим, что пластина 8 не полностью поглотила отраженную от нагрузки волну Тогда во входной волновод волна проникнуть не может (электрические силовые линии не перпендикулярны, а параллельны широким стенкам данного волновода) и происходи* отражение от входа к выходу (рис. 8.5, г). Очередное вращение плоскости поляризации в круглом волноводе создает благоприят. ные условия для поглощения данной волны в пластине 9. На вы. ход 5 эта волна, как видно, пройти уже не может, даже если бы поглощение ее в пластине было неполным. Во входной волновод некоторая энергия проникает только с выхода (рис. 8.5, д), но
280