Глава 7. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ФИДЕРОВ НА ОСНОВЕ ФЕРРИТОВ

§ 7.1. Назначение, характеристика передаваемых волн, примеры устройств

Передача энергии ЭМВ от источника к приемнику (например, от радиопередатчика к антенне в прямом или обратном направлении) осуществляется с помощью фидеров.

Фидер (волноводный тракт, линия передачи) – электрическая цепь и вспомогательные устройства, с помощью которых происходит передача энергии радиочастотного сигнала*.

В зависимости от решаемой задачи при создании фидеров используются различные вспомогательные устройства (вентили, фазовращатели, циркуляторы и т. д.), в которых часто применяются ферриты определенных составов, обладающие:

–удельным электрическим сопротивлением ρ = 104…1011 Ом · м при действительной компоненте относительной диэлектрической проницаемости ε′ = 5…20;

–малыми значениями тангенса угла диэлектрических потерь** ( tg = 10–2…10–4, где – мнимая компонента комплексной

диэлектрической проницаемости).

Если на феррит, через который проходит ЭМВ, одновременно воздействовать постоянным (подмагничивающим) полем***, то возможно возникновение различных физических эффектов (см. § 7.2), которые используются при создании вспомогательных устройств фидеров (ВУФ).

Конфигурация и размеры детали, изготовленной из феррита, определяются конструкцией ВУФ (зависит от принципа действия) и

*В фидерах используют волноводы прямоугольного или круглого сечений; двухпроводные, коаксиальные или полосковые линии.

**Малое значение tg δε можно обеспечить в некотором диапазоне частот, кото-

рый зависит от состава (марки) феррита.

*** Магнитотвердые материалы – гексаферриты – не требуют воздействия подмагничивающего поля, так как поле анизотропии этих материалов имеет достаточную напряженность.

237

свойствами самого материала. Как правило, ферритовые детали фидеров имеют форму прямоугольной пластины, равностороннего треугольника, кольца, стержня или сферы.

По сравнению с ВУФ на основе полупроводников и сегнетоэлектриков, а также устройств с механическим изменением параметров ЭМВ можно отметить следующие преимущества ВУФ на основе ферритов:

–малые вносимые потери и возможность коммутации больших мощностей;

–возможность применения в волноводных, коаксиальных и полосковых фидерах;

–разнообразие марок ферритов, позволяющее создать широкий спектр ВУФ, который, несмотря на ограниченность рабочего диапазона каждого устройства, обеспечивает возможность взаимодействия с ЭМВ, длина которых лежит в широких пределах (от миллиметровых до декаметровых).

К недостаткам ВУФ можно отнести:

–сложность конструкции, приводящую к повышению трудоемкости и стоимости;

–бóльшие габариты по сравнению с другими устройствами, используемыми в фидере данного типа.

Выделим некоторые основные виды ВУФ.

Вентили – устройства, в которых потери мощности ЭМВ, проходящей в прямом направлении, много меньше потерь мощности ЭМВ, проходящей в обратном направлении.

Циркуляторы – устройства для направленной передачи энергии электромагнитных колебаний, в которых энергия, подведенная к одному из входов, передается на другой (строго определенный) вход

впорядке их чередования*.

Фазовращатели – устройства, в которых фаза проходящей ЭМВ изменяется заданным образом.

* Например, для устройства, имеющего три входа, это происходит только в следующей последовательности: с первого на второй, со второго на третий и с третьего на первый.

238

Фильтры – устройства, коэффициент затухания* которых в определенных полосах частот меньше или больше, чем на всех других частотах.

Переключатели – устройства для изменения направления распространения ЭМВ между различными входами.

Во всех вышеперечисленных устройствах могут применяться намагниченные ферриты, которые для проходящей через них ЭМВ являются невзаимной средой. Это означает, что изменение амплитуды, фазы, направления распространения и типа поляризации ЭМВ при взаимодействии с ферритом зависит от направления ее распространения между входами (в прямом или обратном направлении).

ВУФ могут быть взаимными и невзаимными – в зависимости от изменения характеристик проходящей через них ЭМВ.

Основное применение ВУФ находят в радиолокации и радиосвязи, их рабочие частоты в основном лежат в диапазоне 0,02…190 ГГц** (макетные образцы ОАО «НИИ „Феррит-Домен“», Россия до 500 ГГц).

§ 7.2. Физические эффекты, проявляющиеся при прохождении ЭМВ через намагниченный феррит

Работа фидеров, содержащих феррит, основана на использовании различных физических эффектов, из которых можно выделить:

–эффект ферримагнитного резонанса (ФМР, часто называют эффектом ферромагнитного резонанса);

–эффект смещения поля;

–эффект Фарадея;

–эффект спиновых волн.

Эти эффекты могут проявляться при одновременном воздействии на феррит переменного магнитного поля ЭМВ и постоянного поля подмагничивания (или, для магнитотвердых ферритов, поля

*Коэффициент затухания фильтра по напряжению (коэффициент затухания) – отношение напряжения на входном сопротивлении частотного фильтра к напряжению на сопротивлении нагрузки фильтра на определенной частоте.

**Этот диапазон превышает пределы СВЧ-диапазона радиоволн (0,3…30,0 ГГц), поэтому вместо часто используемых наименований «ферритовое устройство СВЧ» и «СВЧ-феррит» целесообразно не указывать их принадлежность к диапазону СВЧ, а при необходимости приводить границы диапазона частот или длин ЭМВ.

239

анизотропии) определенной напряженности (в частности, феррит может быть намагничен до насыщения, причем значение намагниченности насыщения зависит от марки феррита и обычно находится в пределах от 15 до 400 кА/м, нижняя граница соответствует Y–Al- феррогранату, верхняя – Ni–Zn-шпинели.

Взаимная ориентация постоянного и переменного полей влияет на действительную и мнимую составляющие комплексной магнитной проницаемости феррита. Обозначим вектор напряженности переменного магнитного поля, воздействующего на феррит, Н~. Если вектор Н~ вращается по часовой стрелке для наблюдателя, смотрящего в направлении Н0, то его называют правополяризованным (или с правой поляризацией Н~), если против часовой стрелки – левополяризованным (или с левой поляризацией Н~).

ЭМВ переносит поток энергии, который характеризуется вектором Умова–Пойнтинга S = E × H, где E и H – электрическая и магнитная составляющая ЭМВ. Его направление совпадает с направлением распространения ЭМВ. Если направления S и Н0 совпадают, то феррит считается продольно намагниченным, а при взаимной перпендикулярности этих векторов – поперечно намагниченным.

Действительная и мнимая составляющие комплексной магнитной проницаемости феррита при правой поляризации Н~ обозначаются μ+′ и μ+′′, при левой – соответственно μ–′ и μ–′′. В случае прохождения через продольно намагниченный феррит волн с левой и правой поляризацией Н~ зависимости μ′ и μ′′ от Н0 имеют вид, приведенный на рис. 7.1. Штриховкой выделены области, имеющие условные границы, в пределах которых возникают достаточно выраженные физические эффекты, пригодные для использования при создании ВУФ. Значения μ′ и μ′′ в областях I и IV позволяют создавать устройства, в которых используется эффект Фарадея, в области II – эффект смещения поля, а в области III – эффект ФМР.

Для поперечно намагниченного феррита характер кривых аналогичен, отличия заключаются в меньшей амплитуде резонансных пиков и меньших значениях Н0, при которых они проявляются.

Зависимость μ′′ ферримагнетика от Н0 при фиксированном значении частоты переменного поля ЭМВ (или зависимость μ′′ от

240

Внешнее постоянное магнитное поле Н0, не совпадающее по направлению с μS (рис. 7.2), создает момент силы (вращающий момент):

Мс 0 μS Н0 . (7.2)

Этот момент стремится ориентировать «собственную ось» электрона в направлении Н0, что приводит к прецессии* оси относительно направления Н0.

Рис. 7.2. Движение собственного механического момента ps

исобственного магнитного момента μS электрона, находящегося в постоянном магнитном поле

Конец вектора ps движется по окружности с линейной скоро-

* Прецессия – явление, заключающееся в том, что ось вращения тела описывает круговую коническую поверхность относительно оси, вдоль которой действует внешняя сила.

242

Если обе части (7.1) продифференцировать по времени, то в соответствии с (7.2) и (7.3) получим линейную скорость движения конца вектора μS (dμS/dt):

где 0 – круговая частота вращения конца вектора μS; r – радиус окружности, которую он описывает. Этот радиус зависит от угла φ между μS и Н 0 , вычисляется по формуле

Выразив из (7.5) 0 , подставив d S /dt из (7.4) и произведениеS sin из (7.7), получим:

Исходя из (7.9), получим выражения для частоты прецессии:

В связи с тем, что намагниченность ферримагнетика М является суммой собственных магнитных моментов электронов в единице объема вещества, то, переходя от взаимодействия отдельного электрона с внешним магнитным полем к процессам в ферримагнитном

243

веществе, μS в (7.4) можно заменить на М. В соответствии с (7.4) производная М по времени определяется выражением

Частота прецессии вектора намагниченности определяется аналогично частоте прецессии «собственной оси» электрона и равна f0. Обычно значение Н0 выбирается таким, чтобы материал намагничивался до насыщения (М = МS).

Выражения (7.4) и (7.11) описывают движение соответствующих векторов по окружности под действием поля Н0 (см. рис. 7.2), или их

незатухающую прецессию. В действительности, под действием различных механизмов рассеяния энергии в твердом теле угол φ между собственной осью электрона и Н0 со временем начинает уменьшаться

– прецессия происходит по свертывающейся спирали (затухание прецессии). За ~10–6 с (время релаксации намагниченности) свободная прецессия практически полностью исчезает, векторы магнитных спиновых моментов электронов устанавливаются параллельно Н0, феррит становится намагниченным до насыщения.

Если на феррит, находящийся в поле Н0, воздействовать высокочастотным магнитным полем Н~, имеющим круговую поляриза-

цию и определенную частоту*, в направлении, перпендикулярном Н0 (случай, когда Н~ Н0 (рис. 7.3)), то в феррите наблюдается вынужденная прецессия, увеличение амплитуды которой (увеличение угла φ) ограничено магнитными потерями в материале. При этом конец М описывает развертывающуюся спираль. Если частота Н~ равна f0, то вращение конца М становится круговым (φ = const), т. е. незатухающим. При этом потери энергии при вращении вектора М компенсируются энергией высокочастотного поля Н~, т. е. наблюдается интенсивное поглощение энергии Н~. В случае противоположных направлений вращения М и Н~ ЭМВ и вещество феррита

* Если частота Н~ мала (период изменения поля меньше времени релаксации

намагниченности в материале), то переменное магнитное поле не изменяет направление вектора М.

244

го резонанса (ΔН) – расстояние между точками на кривой ферримагнитного резонанса на половине ее высоты. Ширина кривой ФМР соответствует границам области III на рис. 7.1 и рассчитывается при

µ′′(Н0) = 0, 5µ max . Значение Н зависит от марки феррита, одно-

родности поля подмагничивания*, амплитуды напряженности магнитного поля ЭМВ и составляет от 20 А/м (для иттрий-кальциевых гранатов) до 20 кА/м (для гексаферритов).

ВУФ, в которых используется эффект ФМР, можно обобщенно назвать резонаторами. Используя резонаторы, можно создать вентили, фильтры, поляризаторы, резонансные фазовращатели, циркуляторы и др.

Эффект смещения поля описывает изменение распределения электрической составляющей ЭМВ в волноводе, внутри которого расположен поперечно намагниченный феррит. Он проявляется при напряженности поля Н0 соответствующей области II на рис. 7.1. Волна с правополяризованным Н~ при µ+′ < 0 отражается от ферри-

* Неоднородность поля подмагничивания может приводить к возникновению ФМР на нескольких различных частотах.

245

та, ее амплитуда экспоненциально затухает, а электрическое поле в основном вытесняется из феррита (рис. 7.4, а). Для ЭМВ с левополяризованным Н~ при µ−′ > 0 напряженность электрического поля максимальна у поверхности феррита (рис. 7.4, б).

Рис. 7.4. Распределение напряженности вертикальной компоненты электрического поля в волноводе с установленным поперечно

намагниченным ферритом при прохождении волны: а – по направлению оси Оz; б – в направлении, противоположном оси Оz (S – вектор Умова–Пойнтинга)

Если Н0 соответствует точке б на рис. 7.1, то μ′− ≈ −µ′+. В этом

случае действительная компонента магнитной проницаемости поперечно намагниченного феррита будет определяться выражением

и соответственно коэффициент затухания* ЭМВ можно представить

ное затухание** в феррите волны с правополяризованным Н~. Эффект Фарадея проявляется при прохождении ЭМВ через

продольно намагниченный феррит. При этом значения μ′′+ и μ′′−

* Изменение параметров бегущей волны – модуля и аргумента напряжения или тока – характеризует коэффициент распространения γ, представляющий собой комплексную величину, равную натуральному логарифму отношения комплексных амплитуд напряжения или тока этой волны для двух точек линий, отстоящих друг от друга на единицу длины. Коэффициент распространения можно рассчитать по формуле α iβ , где α и β – коэффициенты затухания и фазы, характе-

ризующие соответственно уменьшение амплитуды и изменение фазы напряжения или тока бегущей волны.

** В технической литературе это явление также называют поперечным ФМР.

246

приблизительно равны нулю, а μ′+ и μ′− положительны и различны, что соответствует областям I и IV на рис. 7.1.

Линейно-поляризованную волну можно представить в виде суммы левополяризованной и правополяризованной волн с круговой поляризацией. На рис. 7.5 представлено схематичное изображение положения векторов Е лево- и правополяризованных волн до (рис. 7.5, а) и после (рис. 7.5, б) прохождения намагниченного феррита. Рассмотрим точку в на рис. 7.1. Для нее коэффициенты фазы лево- и правополяризованных волн будут определяться выражениями:

а μ′+ ˂ μ′−, следовательно, β+ < .

Рис. 7.5. Расположение векторов электрического поля лево-

иправополяризованной волны: а – до прохождения феррита;

б– после прохождения феррита

Угол поворота концов векторов Е+ (правополяризованной волны) и Е− (левополяризованной волны) при прохождении феррита зависит от его длины l и определяется по формулам: φ1 = β+l и φ2 = l. Геометрическая сумма Е+ и Е− представляет собой сум-

марный вектор Е линейно-поляризованной ЭМВ. Он поворачивается по часовой стрелке на угол Δφ, который определяется из равенства φ1 + Δφ = φ2 – Δφ (рис. 7.5, б) и рассчитывается по формуле

где λ0 – длина ЭМВ в вакууме.

247

Вращение плоскости поляризации линейно-поляризованной волны при ее распространении в намагниченном феррите называется эффектом Фарадея. Этот эффект необратим, т. е. при фиксированном направлении вектора Н0 плоскость поляризации поворачивается в одну сторону для обоих направлений распространения ЭМВ. Эффект Фарадея используется при создании вентилей и циркуляторов.

Задача. Вычислить значение угла поворота плоскости поляризации линейно-поляризованной волны при ее распространении в намагниченном ферритовом стержне (Δφ), если ферритовый стержень имеет длину 1 см, диэлектрическую проницаемость ε = 14 и намагниченность насыщения Мs = 80 кА/м при частоте f = 10 ГГц. Напряженность поля подмагничивания Н0 = 100 кА/м.

Решение. Частота ФМР рассчитывается по (7.10): f0 = 3,52 ×

× 104 · 100 · 103 = 3,52 ГГц. Действительные компоненты комплексной магнитной проницаемости феррита в случае право- и левополяризованной волн на частоте f могут быть рассчитаны по выражениям:

Угол поворота плоскости поляризации линейно-поляризован- ной волны при ее распространении в намагниченном феррите рассчитывается по (7.12):

Ответ: Δφ = 78°.

248

Спиновые волны – это волны намагниченности с ненулевым значением волнового числа (k = 2π/λ), возникающие в магнитоупорядоченных веществах. Спиновые магнитные моменты атомов μS в этих веществах в основном состоянии упорядочены за счет обменного взаимодействия. Отклонение спинового магнитного момента от преимущественного направления под действием тепловой энергии или внешнего магнитного поля не локализуется на конкретном атоме (этому препятствует обменная энергия), а в виде волны распространяется в веществе. Такая волна получила название спиновой. Спиновая волна (как и любая другая) характеризуется зависимостью частоты от волнового числа k. Если k = 0, то спиновая волна не возникает, так как μS всех атомов синхронно прецессируют вокруг направления магнитного поля с частотой ω0. При k ≠ 0 возникает неоднородная прецессия спиновых магнитных моментов, т. е. соседние μS находятся в разных фазах, сдвиг фаз между ними составляет kа (рис. 7.6, а): возникает спиновая волна. Как правило, частота неоднородной прецессии ω(k) > ω0. Распространение спиновой волны в цепочке соседних атомов показывает штриховая линия, проведенная через концы векторов μS (рис. 7.6, б).

Рис. 7.6. Иллюстрация распространения спиновой волны по цепочке соседних атомов: а – прецессия векторов μS относительно направления Н0;

б – условное представление спиновой волны в виде линии, проходящей через концы векторов μS

Спиновые волны, для которых обменным взаимодействием в магнитном материале можно пренебречь, называются магнитостатическими спиновыми волнами (МСВ). Значения волнового числа МСВ лежат в пределах 101…107 м–1. В этом диапазоне волновых чисел фазовая скорость волны vф << с, где с – скорость света в вакууме.

249