Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Устройства СВЧ и антенны. Часть 2. Учебное пособие
.pdf
10
H
()
()
()
значениях , в сравнении с продольно- намагниченным ферритом. Эффект
Фарадея в этом случае отсутствует.
7.2. Устройства на ферритах
Рассмотрим ферритовые вентили. Вентиль – устройство,
представляющее собой четырехполюсник, величина рабочего затухания в
котором будет различна в зависимости от направления передачи
возбуждения с одного входа на другой.
Для поля основной волны в волноводе (рис. 7.5) можно представить
; . Из этих выражений
следует, что составляющие поля и сдвинуты в пространстве и по фазе
на 90°(j), что является признаком волны с вращающейся поляризацией для
результирующего вектора .
Таким образом, для картины распределения силовых линий поля при
распространении волны
в прямоугольном волноводе, то можно говорить
о вращении поля по обе стороны от оси волновода с разными
направлениями вращения и представить поле основной волны сложением
полей волн с правым и левым вращением. Свойства феррита в этом случае
можно характеризовать соответственно величинами
и
.
Рассмотрим вентиль, использующий эффект ферромагнитного
резонанса (рис. 7.5).
Рис. 7.5
В волноводе распространяется волна такого направления, что в месте
расположения ферритовой пластинки имеем поле с правым вращением. В
этом случае феррит характеризуется величиной
. При ферромагнитном
резонансе Н= энергия электромагнитного поля волны расходуется на
раскачку прецессии электрона. Увеличение прецессии ведет к большим
тепловым потерям в феррите. Следовательно, в этом направлении поле
волны будет испытывать существенное ослабление. Волна обратного
напряжения в волноводе пройдет через феррит, как через диэлектрик.
21
()
0
Рассмотрим вентиль, использующий эффект смещения поля (рис. 7.6).
Рис. 7.6
Предположим, что поле в месте расположения ферритовой пластинки
имеет правое вращение.
. Для поля с левым вращением
(противоположным) ферритовая пластинка проявляет свойства диэлектрика,
и поле E имеет распределение поля, характерное для распределения поля
поверхностной волны. На поглощающей пленке наводится ток, что вызывает
тепловые потери для поля волны этого направления. Тогда поле в одном
направлении проходит без ослабления, а в другом направлении поле волны
будет существенно ослаблено.
Рассмотрим вентиль на основе продольно намагниченного феррита
(рис. 7.7). Переходник с прямоугольного волновода к круглому преобразует
поле волны в поле волны в круглом волноводе, для которой можно
указать преимущественную поляризацию.
Рис. 7.7
За счет эффекта Фарадея в продольно намагниченном феррите для поля
волны происходит поворот плоскости поляризации на 45°, и волна проходит
со входа 1 на смещенный вход 2. Для поля волны обратного направления в
ферритовом стержне происходит поворот плоскости поляризации в том же
направлении, и волна на вход 1 не пройдет из-за поляризации поля.
Для поля волны выбранного направления в ферритовом стержне
происходит поворот плоскости поляризации в том же направлении, и волна
на вход 1 не пройдет из-за другой поляризации поля.
Рассмотрим циркуляторы на ферритах (рис. 7.8). В циркуляторах
передача возбуждения направлена строго в одну сторону и зависит от
22
10
H
направления подмагничивающего поля в феррите. При изменении
подмагничивающего поля направление возбуждения входов также меняется.
Рис. 7.8
Циркулятор на основе продольно намагниченного феррита, который
использует эффект Фарадея, показан на рис. 7.9. Принцип работы
циркулятора совпадает с принципом работы вентиля на продольно
намагниченном феррите, использующем эффект Фарадея (рис. 7.7).
Рассмотрим циркулятор на основе поперечно намагниченного феррита
(рис. 7.10).
Рис. 7.9
Рис. 7.10
Поле
в волноводе 1 можно представить как результат сложения
полей двух волн, которые расположены по обе стороны от оси волновода.
Известно, что поле , при этом по одну сторону от оси имеет вращение по
23
20
H
часовой стрелке и поле волны является правополяризованным, а по другую
сторону от оси - левополяризованным. В ферритовой шайбе эти волны
распространяются с разными постоянными распространения
и . В результате имеем разное запаздывание этих
волн при распространении в ферритовой шайбе и на оси входа 3 получим,
как результат суперпозиции, сложение полей этих волн в узел напряжения.
Тогда на входе 3 возбуждается волна
, которая является волной высшего
типа и на вход 3 поле не пройдёт. Следовательно, возбуждение с входа 1 на
вход 3 не пройдет, а пройдет со входа 1 на вход 2. Аналогично можно
рассматривать возбуждение со стороны других входов.
Рассмотрим ферритовые фазовращатели. Фазовращатель – это
четырехполюсное устройство, создающее некоторый фазовый сдвиг поля на
выходе относительно поля на входе. В фиксированных фазовращателях
сдвиг фазы постоянен, в переменных – его можно регулировать с помощью
некоторых управляющих элементов.
Фазовращатели могут быть взаимными и невзаимными. Во взаимном
фазовращателе приращение фазы, даваемое им, не зависит от направления
передачи энергии. Характеризуя фазовращатель матрицей рассеяния ,
получаем, что коэффициенты передачи и
взаимного фазовращателя равны, откуда . У невзаимного
фазовращателя модули коэффициентов передачи равны , но
фазовые сдвиги при изменении направления передачи энергии изменяются
. Идеальный фазовращатель не имеет потерь и не вносит отражений
как со входа 1, так со входа 2, т.е. имеет .
С помощью намагниченных ферритов могут быть созданы как
фиксированные, так и переменные фазовращатели, как взаимные, так и
невзаимные. Как пример рассмотрим ферритовый фазовращатель на круглом
волноводе (рис. 7.11).
Рис. 7.11
24
Рассматриваемое устройство представляет собой электрически
управляемый переменный невзаимный фазовращатель. Вход (1) и выход (2)
фазовращателя обычно выполнены в виде волноводов прямоугольного
сечения, допускающих существование только волны основного типа .
Переходник с прямоугольного волновода к круглому 1 осуществляет
преобразование этой волны в волну круглого волновода с вертикальной
поляризацией. Поляризатор 2, представляющий собой 90°-секцию,
преобразует линейно поляризованную волну в волну с круговой
поляризацией, причем положение диэлектрической пластины 3 выбрано
таким образом, что в круглом волноводе 4 создается правополяризованная
волна. В этом волноводе расположен ферритовый круглый стержень 5,
имеющий для улучшения согласования конические концы. Даже при
небольшом диаметре стержня за счет высокой диэлектрической
проницаемости феррита энергия распространяющейся волны
концентрируется внутри феррита. Ферритовый стержень находится под
действием продольного постоянного подмагничивающего поля, создаваемого
соленоидом 6. Изменением тока в катушке соленоида управляют величиной
подмагничивающего поля.
Однако, величина этого поля определяет магнитные проницаемости
для правополяризованной и левополяризованной волн. Поэтому,
регулируя постоянное поле , удается управлять величиной волнового
числа правополяризованной волны . В результате фазовый сдвиг,
получаемый на выходе волновода 4, , где - длина ферритового
стержня, является электрически управляемым.
Деполяризатор 7 осуществляет преобразование правополяризованной
волны в вертикально поляризованную, которая через переходник с
круглого волновода на прямоугольный с полученным сдвигом фазы
попадает на вход.
Легко видеть, что при подаче энергии на выход фазовращателя в
круглом волноводе с ферритом возбуждается волна левой поляризации.
Для нее фазовый сдвиг будет определяться постоянной распространения
. Поэтому приращение фазы , даваемое
фазовращателем в обратном направлении, будет отлично от , и получаем
.
Фазовращатель рассмотренного типа используется в области слабых
полей . В этом диапазоне магнитные проницаемости и сравнительно
мало отличаются от магнитной проницаемости свободного пространства .
Поэтому для получения больших сдвигов фазы необходимо ферритовые
стержни делать достаточно длинными.
Рассмотрим фазовращатель на прямоугольном волноводе (рис. 7.12).
При размещении ферритов в волноводах наблюдается ряд новых явлений,
25
обусловленных не только свойствами намагниченных ферритов, но и
наличием проводящих стенок в линии передачи. К ним, в частности,
относится эффект невзаимного фазового сдвига в прямоугольном волноводе
с поперечно намагниченной пластиной, расположенной несимметрично
относительно узких стенок.
Рис. 7.12
Тонкая ферритовая пластина в прямоугольном волноводе, находящаяся
под действием поперечного магнитного поля , позволяет осуществить
фазовые сдвиги для прямой и обратной волн (рис. 7.2). В зависимости от
положения пластины фазовращатель является взаимным или невзаимным.
Если ферритовая пластина находится в середине волновода или у
боковой стенки , то фазовращатель получается взаимным. При других
положениях пластин постоянная распространения в прямом направлении
отлична от постоянной распространения в обратном . Подобный анализ
показывает, что разность этих постоянных, определяющая невзаимный
фазовый сдвиг, равна:
где - толщина пластины.
Из этой формулы видно, что невзаимные фазовые явления наиболее
сильно проявляются при расположении пластины на расстоянии . Но
известно, что примерно на этом расстоянии от боковой стенки поле волны
типа прямоугольного волновода имеет в горизонтальной плоскости
круговую поляризацию. Причем при распространении волны в прямом
направлении (по оси ) вращение вектора происходит по часовой стрелке,
если наблюдатель смотрит по оси (левополяризованная волна). Обратная
волна имеет правую поляризацию волн. Эффективная магнитная
проницаемость для этих волн различна, поэтому получается невзаимный
фазовый сдвиг.
26
(8.1)
8. Основы излучения антенн
8.1 Основная задача теории антенн
Задано распределение сторонних токов в объеме вблизи некоторой
отражающей поверхности (рис. 8.1).
Рис. 8.1
Поле, созданное сторонними токами, должно удовлетворять системе уравне-
ний Максвелла. Для гармонических колебаний в терминах комплексных
амплитуд для поля система уравнений Максвелла имеет вид:
,
,
- магнитная проницаемость среды, где ,
σ - проводимость, [ ],
- комплексная диэлектрическая проницаемость, где
, , [Ф/м].
Задача определения поля , , сторонних токов имеет единственное
решение, если выполняются следующие условия:
1) поле удовлетворяет системе уравнений Максвелла (рис. 8.1);
2) поле должно удовлетворять граничным условиям на поверхности S объема
V (рис. 8.1);
3) поле должно удовлетворять условиям излучения на бесконечности
(электромагнитная волна распространяется от области источника в
окружающее пространство).
Для решения нашей задачи удобно использовать вспомогательную функцию
- электродинамический потенциал ( ). Тогда для векторов поля имеем:
;
; (8.2)
.
27
Векторный потенциал поля определяется как решение волнового
уравнения
, (8.3)
где ; .
Решение уравнения (8.3) имеет вид
. (8.4)
Например, для элементарного электрического вибратора (ЭЭВ):
где - момент диполя, - дельта-функция
Решение (8.4) принимает вид:
.
Это имеет вид сферической волны, отметим его особенности:
1) запаздывание потенциала по фазе: = kr ;
2) величина поля обратно пропорциональна расстоянию r ;
3) фазовая скорость волны , , - рабочая длина волны.
Мощность излучения:
; ; ; .
8.2 Основные принципы электродинамики, используемые
в теории антенн
Указанные принципы служат для удобного представления источников поля.
1. Принцип эквивалентности
Рис. 8.2
28
Поле, созданное сторонними токами (рис. 8.2), можно рассматривать как
поле, созданное эквивалентными поверхностными токами на S, и в этом
смысле действительные, сторонние токи заменяется эквивалентными токами,
; ,
тогда
.
Как пример рассмотрим рупорную антенну (рис. 8.3).
Рис. 8.3
- поверхность раскрыва, , ,
По принципу эквивалентности , → , - источники поля рупорной
антенны.
2. Принципы двойственности
Пусть заданы источники в виде электрического и магнитного
токов.
Поле источников удовлетворяет системе уравнений Максвелла
.
Магнитный ток называют фиктивным током, т.к. он не имеет физического
содержания. Тогда соотношения двойственности имеют вид:
.
29
Любому распределению электрических токов можно сопоставить некоторое
распределение фиктивных магнитных токов, если векторы и поменять
местами.
Пример:
1) малая рамка с током (рис. 8.4)
Рис. 8.4
2) щелевой излучатель (рис. 8.5)
Рис. 8.5
1. Элементарный электрический вибратор
Это излучатель приближается по размеру к точечному излучателю , где
- длина вибратора. Поле вибратора удобно рассматривать в сферической
системе координат с точкой наблюдения (рис. 8.6).
30
8.3. Элементарные излучатели
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]