материала. Тонкие пленки гексаферритов получают эпитаксиальными методами. Наличие сильного поля магнитной анизотропии (до 2,8 МА/м) позволяет использовать эти материалы без дополнительного подмагничивания*, что повышает технологичность приборов на их основе и снижает их массогабаритные характеристики. Гексаферриты характеризуются высокими значениями температуры Кюри (до 450 °С). Их недостатками являются широкая линия ФМР (ΔН ≥ 120 кА/м) и большие диэлектрические потери (tg δε = 0,5…2,0 · 10–3).

Развитие вакуумных технологий привело к созданию технологий получения тонких пленок ферритов. Эпитаксиальное выращивание таких пленок сформировало новые направления исследований, в том числе связанные с разработкой и созданием устройств на основе полосковых и микрополосковых ВУФ.

§ 7.4. Неуправляемые вспомогательные устройства фидеров

Неуправляемые ВУФ отличаются тем, что их характеристики задаются при изготовлении и не изменяются в процессе эксплуатации. К таким устройствам относят вентили и циркуляторы, которые могут производиться в волноводном, коаксиальном и полосковом исполнении. Выбор конструкции таких устройств, с одной стороны, связан с рабочим диапазоном частот** (коаксиальные – 32 МГц…20 ГГц, полосковые (микрополосковые) – 146 МГц…26 ГГц, волноводные – 1,7…178,0 ГГц), с другой – определяется условиями, в которых используется устройство, и назначением.

Вентили относятся к невзаимным ВУФ, так как предназначены для пропускания волны в одну сторону. Основными характеристиками вентилей, на которые влияет выбор магнитного материала, являются ослабление (при распространении волны в прямом и обратном направлениях***) и диапазон рабочих частот.

*Частота ФМР в гексаферритах в основном определяется полем анизотропии.

**Приведены диапазоны частот ВУФ согласно каталогам ОАО «Завод „Магнетон“» и ОАО «НИИ „Феррит-Домен“».

***В каталогах производителей часто используются термины «прямые потери» и «обратные потери».

255

Для характеристики ВУФ принято использовать параметр «ослабление» («ослабление тракта»), который измеряется в децибелах и рассчитывается по формуле

P

C 10lg вх , (7.15)

Рвых

где Рвх и Рвых – мощности падающей волны на входе и выходе тракта при условии отсутствия отраженной волны.

В зависимости от используемого физического эффекта выделяют три группы вентилей, в которых используются ферриты: резонансные, на эффекте смещения поля и поляризационные на эффекте Фарадея.

Резонансный вентиль может иметь волноводное, коаксиальное и полосковое исполнение. Рассмотрим прямоугольный волновод, у которого ширина, высота и длина ориентированы соответственно по осям Оx, Оy и Оz. В нем (в направлении S, параллельном Оz) распространяется ЭМВ типа Н10, распределение силовых линий Е и Н~ приведено на рис. 7.7. Символы ● и + указывают направление Е (соответственно по направлению оси Оy и противоположно оси Оy).

Рис. 7.7. Распределение силовых линий Е и Н~ ЭМВ типа Н10,

распространяющейся в прямоугольном волноводе; символы ● и + – направление силовых линий Е; 1, 2, 3, 4 – силовые линии Н~

В плоскостях, проходящих параллельно плоскости yOz, изменение направления Н~ зависит от значения x: при x = a/2 Н~ всегда перпендикулярен S, а при x = 0 Н~ всегда параллелен S. Остальные значения х соответствуют плоскостям, в которых угол между Н~ и S изменяется во времени. В точках А и В, расположенных на одинаковом рас-

256

стоянии x1 от узкой стенки волновода, Н~ вращается в противоположных направлениях. Для точки А поворот Н~ происходит по часовой стрелке: на одном полупериоде ЭМВ при последовательном прохождении через точку А силовых линий 1, 2 и 3 угол между векторами Н~ и S уменьшается. Если x1 = а/4, то траектория движения конца вектора Н~ круговая, в остальных случаях – эллиптическая.

В резонансном вентиле на прямоугольном волноводе (рис. 7.8) феррит устанавливается в плоскости, расположенной на расстоянии а/4 от узкой стенки. Он подмагничивается полем Н0 постоянного магнита (рис. 7.8, а) в направлении, противоположном направлению оси Оy. Значение Н0 соответствует области III на рис. 7.1.

Рис. 7.8. Конструкция волноводного резонансного вентиля: а – схематическое изображение; б и в – сечения при различных расположениях феррита

Если ЭМВ распространяется по направлению оси Оz, то Н~ в каждой точке феррита, исходя из условий его расположения, является левополяризованным. Такая волна проходит практически без затухания через вентиль, так как μ′′− << 1. Волна, распространяющаяся в обратном направлении (противоположно Оz), для каждой точки феррита обладает правополяризованным Н~ и интенсивно затухает из-за эффекта ФМР.

Положение, в котором должна быть установлена ферритовая пластина для выполнения условия ФМР, зависит от частоты ЭМВ. Увеличение частоты приводит к необходимости уменьшения расстояния между ферритом и узкой стенкой волновода, а уменьшение – к

257

необходимости увеличения этого расстояния. С целью уменьшения зависимости вносимого вентилем ослабления от частоты ЭМВ в его конструкцию встраивают диэлектрическую пластину, закрепляемую на феррите (рис. 7.8, а). Наличие диэлектрика приводит к концентрации электрического (а значит, и магнитного) поля ЭМВ, что позволяет снизить зависимость эффективности использования вентиля от условия соответствия частоты ЭМВ частоте f0, рассчитываемой по (7.10), т. е. расширить интервал рабочих частот вентиля.

Существует два основных варианта расположения феррита внутри волновода. Описанный случай соответствует сечению, изображенному на рис. 7.8, б: феррит расположен параллельно узкой стенке волновода. При закреплении ферритовых пластин на широких стенках волновода (рис. 7.8, в) вентиль может иметь бóльшую мощность проходящей через него бегущей волны* по сравнению с предыдущим вариантом расположения, но требует большей напряженности подмагничивающего поля.

Преимуществами резонансных вентилей являются высокая мощность проходящей через них бегущей волны – до 30 кВт (ОАО «НИИ „Феррит-Домен“»), малое вносимое ослабление в прямом направлении (менее 0,5 дБ) и большое (свыше 20 дБ) – в обратном. Недостатками являются узкий диапазон рабочих частот (необходимость создания подмагничивающего поля Н0 большой напряженности (до сотен килоампер на метр для λ0 = 3 см), что ухудшает массогабаритные характеристики вентиля.

Вентиль на эффекте смещения поля работает в диапазоне полей подмагничивания, соответствующем области II на рис. 7.1. Принцип работы вентиля иллюстрирует рис. 7.9. Как видно из этого рисунка, между сечениями z1 и z2 расположена ферритовая пластина, закрепленная на диэлектрике. На феррит нанесен слой поглотителя (например, графита).

Если ЭМВ распространяется по направлению Оz (рис. 7.9, а), то в результате эффекта смещения поля значение Е в области феррита близко к нулю. Токи, индуцируемые этой волной в поглотите-

* Мощность бегущей волны – среднее по времени значение потока вектора Умо- ва–Пойнтинга через поперечное сечение линии передачи.

258

ле, малы, соответственно вносимое затухание незначительно. Волна, которая распространяется в обратном направлении (рис. 7.9, б), затухает за счет резистивных потерь в слое поглотителя.

Рис. 7.9. Распределения электрического поля в различных сечениях вентиля на эффекте смещения поля при распространении волны:

а – по направлению Оz; б – противоположно направлению Оz

Преимуществами таких вентилей (по сравнению с резонансными) являются меньшая напряженность подмагничивающего поля (лучшие массогабаритные показатели) и более широкий диапазон рабочих частот, а недостатками – меньший уровень мощности (несколько десятков ватт), большее вносимое затухание в прямом направлении и меньшее – в обратном.

Поляризационный вентиль на эффекте Фарадея (рис. 7.10, а)

представляет собой конструкцию, включающую соленоид 1, уста-

259

новленный на круглый волновод 2, внутри которого расположен ферритовый стержень 3. С обеих сторон к волноводу присоединены переходы 4 и 5, обеспечивающие соединение круглого и прямоугольного волноводов. Внутри переходов расположены поглощающие пластины 6 и 7. Прямоугольный волновод входа II повернут по отношению к волноводу входа I на угол 45°. Соленоид создает продольное магнитное поле, намагничивающее ферритовый стержень. Напряженность поля подмагничивания Н0 выбирается такой, чтобы обеспечить поворот плоскости поляризации, проходящей через вентиль волны Н10, на угол Δφ = 45°.

Рис. 7.10. Поляризационный вентиль на эффекте Фарадея:

а – схематическое изображение; б, в – распределение электрического поля падающей и отраженной волн в различных сечениях вентиля

ЭМВ типа Н10, распространяющаяся от входа I, преобразуется в переходе 4 в волну типа Н11, которая, проходя через круглый волновод, претерпевает обратное преобразование в волну типа Н10 в переходе 5 (рис. 7.10, б). Плоскость поляризации электрического поля ЭМВ поворачивается на угол Δφ = 45°. Вносимое затухание для волны, распространяющейся в прямом направлении, составляет 1,5…3,5 дБ.

Движение ЭМВ в обратном направлении сопровождается таким же поворотом (так как направление поворота плоскости поля-

260

ризации при эффекте Фарадея не зависит от направления распространения волны и определяется только направлением поля подмагничивания). В переходе 4 силовые линии электрического поля этой ЭМВ лежат в плоскости поглощающей пластины 6, что вызывает ее ослабление на 20…25 дБ вследствие резистивных потерь (рис. 7.10, в).

Поляризационные вентили обладают наиболее широким диапазоном рабочих частот. Рабочая частота поляризационных вентилей на основе ферритов-шпинелей превышает 170 ГГц. Недостатками поляризационных вентилей являются малая рабочая мощность (~1 Вт) и относительно большие размеры в направлении распространения волны.

Рассмотренные типы вентилей применяются для защиты радиочастотных генераторов от изменений сопротивления нагрузки, для построения развязывающих цепей, в качестве элементов измерительных установок и т. д.

временном использовании одной антенны для приема и передачи, в параметрических делителях, в схемах сложения мощностей нескольких генераторов и т. п. Пример использования циркулятора приведен на рис. 7.11, где S1 и S2 – направления распространения соответственно передаваемой и принимаемой волн в фидере. Для приема и передачи используется одна антенна. Циркулятор обеспечивает коммутацию энергии ЭМВ между соответствующими входами, исключая влияние передаваемой и принимаемой волн соответственно на приемник и передатчик.

В зависимости от количества входов можно выделить Y-, Т- (три входа) и Х- (четыре входа) циркуляторы. Принцип действия Y-циркуляторов (как и Т-циркуляторов) основан на эффекте изменения фазовой скорости ЭМВ при ее прохождении по фидеру, внут-

261

ри которого расположен поперечно намагниченный феррит (аналогично изменению фазовой скорости ЭМВ в эффекте Фарадея).

Y-циркулятор в волноводном исполнении представляет собой соединение прямоугольных волноводов I, II, III (рис. 7.12). В центре циркулятора размещается феррит, намагниченный полем Н0 постоянного магнита. Волна, поступающая на вход I, дифрагирует в области феррита на две волны (огибающие феррит с разных сторон), которые по отношению к нему имеют различные направления поляризации Н~. В связи с этим различаются как значения μ′, так и значения фазовых скоростей волн, которые вычисляются по формуле

vф с ,

где с – скорость света в вакууме; и – действительные компоненты комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей.

Параметры феррита и напряженности поля Н0 выбираются такими, что изменения фаз огибающих феррит волн у входа II отличаются друг от друга на значение, кратное 360° (т. е. находятся по отношению друг к другу в фазе). В результате огибающие феррит волны складываются таким образом, что амплитуда результирующей волны практически не изменяется. На входе III фазы этих волн отличаются на значение, кратное 180° (находятся по отношению друг другу в противофазе), их сложение приводит к тому, что амплитуда результирующей волны становится практически равной нулю. Затухание электромагнитной энергии, передаваемой с входа I на вход II (направление распространения S12 на рис. 7.12), составляет менее 0,9 дБ, а с входа I на вход III – более 18 дБ. Аналогичные значения получаются при распространении волны с входа II на вход III и со входа III на вход I (соответственно направления распространения S23 и S31 на рис. 7.12).

В реальных конструкциях феррит устанавливается в диэлектрическую втулку для снижения зависимости характеристик от значений Н0 и температуры.

На рис. 7.12 указаны векторы Умова–Пойнтинга Sij, в которых индексами i и j, имеющими значение от 1 до 3 (по количеству входов), обозначены направления распространения волны от входа i к входу j.

262