Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВОДНЫХ ФЕРРИТОВЫХ УСТРОЙСТВ

Цель работы: ознакомление с основными свойствами намагниченных ферритов, взаимодействующих с электромагнитным полем СВЧ; изучение принципов построения и исследование характеристик невзаимных ферритовых устройств СВЧ.

Продолжительность работы 2ч

Коллоквиум 2ч

Самостоятельная подготовка 2ч

1. Свойства намагниченных ферритов на свч и основные типы ферритовых устройств

Феррит представляет собой химическое соединение окиси железа (Fe₂O₃) с окисью металлов, таких, как никель, марганец, магний и др. Основным отличием ферритов является их большое удельное сопротивление (ρ = 10² ÷ 10⁶ Ом*см), а следовательно, небольшие потери на СВЧ (tgδ = 10^-2 ÷ 10^-4). Относительная диэлектрическая проницаемость ферритов имеет величину порядка ε = 5 ÷ 15, а относительная магнитная проницаемость, имеющая на низких частотах довольно большие значения, уменьшается до величины, равной приблизительно единице.

В простейшей модели ферромагнитных материалов электроны представляются в виде волчков, которые, вращаясь вокруг своей оси, создают механический момент (действие массы электрона) и магнитный момент (действие заряда) – так называемый спин. После приложения постоянного магнитного поля ось вращения электрона ориентируется по направлению этого поля. Наличие механического момента делает электрон в механическом отношении подобным вращающемуся волчку (гироскопу), поэтому если ось вращения отклонить, она не сразу вернется в исходное положение, а будет совершать так называемуюпрецессию вокруг исходного положения (подобно вращению оси волчка по скручивающейся спирали при отклонении её от вертикального положения) с частотой ω₀. При наличии постоянного магнитного поля собственная частота прецессии:

ω₀ = γ Н₀

где γ = |e|/mc - гиромагнитное отношение электрона (е - заряд электрона, m - его масса, c - скорость света в вакууме). Вращение происходит по часовой стрелке, если смотреть вдоль направления Н₀.Однако собственная прецессия быстро затухает.

Если к намагниченному ферриту приложить высокочастотное поле , возникаетвынужденная прецессия с частотой поля ω. Амплитуда вынужденной прецессии сильно зависит от поляризации возбуждающего поля и близости ω к ω₀.

В намагниченном феррите вектор индукции сложным образомсвязан с возбуждающим полем . В отличие от изотропных сред,где связь между векторами иустанавливается скалярной величиной магнитной проницаемостиµ, в намагниченных ферритах эта связь определяется тензором магнитной проницаемости, т.е. некоторой матрицей коэффициентов. Однако для волн с круговой поляризацией вектора , если плоскость вращения перпендикулярна,магнитные свойства феррита могут быть описаны двумя скалярными величинами µ_прав и µ_лев.

На рис. 1 приведены зависимости этих проницаемостей для правого и левого вращения от поля подмагничивания . Различный ход графиков объясняется тем, что при правой круговой поляризации вращение вектора совпадает с направлением прецессии вектора намагниченности, а при левой круговой поляризации эти векторы вращаются в разные стороны.

µ₀

µ`_прав

µ_лев

µ``_прав

H_рез Н₀=ω₀/γ₀

ω₀= ω

µ

Рис. 1

В подмагниченном феррите электромагнитные волны круговой поляризации распространяется так, как будто бы среда обладает различным значением µ для волн разного направления вращения. Для правой поляризации по мере роста и сближения частот собственной и вынужденной прецессии возрастает амплитуда прецессии. Когда поле Н₀ достигает такой величины, что эти частоты совпадают (ω₀ = ω), то амплитуда прецессии становится максимальной, но её беспредельный рост ограничивается потерями, которые могут быть учтены введением мнимой магнитной проницаемости

Таким образом, для правой круговой поляризации при ω₀ = ω и Н₀=Н_рез потери в феррите, а следовательно, и µ``_прав резко возрастают. Это явление носит название ферромагнитного резонанса. При левой круговой поляризации в силу противоположных направлений вращения векторов напряженности и намагниченности интенсивного взаимодействия между электромагнитным полем и ферритом не происходит и µ_лев мало зависит от _.

Различия в значениях магнитной проницаемости для волн с правым и левым вращением приводит к различию фазовых скоростей и фазовых постоянных этих волн:

При распространении линейно поляризованной волны в феррите вдоль подмагничивающего поля наблюдается эффект Фарадея – вращение плоскости поляризации. Дело в том, что линейно поляризованное поле можно представить в виде двух полей с круговой поляризацией и противоположным вращением. Так как фазовые скорости этих волн различны, то суммарный вектор после прохождения в феррите участка длиной l будет повернут на угол

причем, так как обычно β_лев>β_прав, поворот плоскости поляризации происходит по часовой стрелке, если смотреть по полю Н₀, и не зависит от направления распространения волны. Эффект Фарадея обычно осуществляется при помещении ферритового стержня вдоль оси круглого или квадратного волновода с продольным подмагничиванием.

Известно, что положение вектора волны основного типа Н₁₀ в прямоугольном волноводе в разные моменты времени различно (рис. 2).

В сечениях, отстоящих от узких стенок на расстояние (a/π)arctg(λ_в/2а), магнитное поле имеет круговую поляризацию правого или левого вращения, причем направления вращения изменяется при изменении направления распространения волны. Если поместить в одно из этих сечений тонкую ферритовую пластинку и приложить к ней поперечное магнитное поле , то в

Рис. 2

зависимости от его величины в волноводе будут наблюдаться различные эффекты. Так, при небольших полях, когда µ`_прав>0 (см. рис. 1), в силу различия фазовых скоростей для волн правого и левого вращения прямая и обратная волны на одном и том же участке приобретает различные фазовые сдвиги, т.е. секция с подмагниченным ферритом длиной l обладает невзаимным фазовым сдвигом ∆Ψ

Конечно, при введении ферритовой пластинки в волновод искажается и сама структура поля в нем, причем по-разному для прямой и обратной волн. Наиболее сильно этот эффект, называемый невзаимным смещением поля, проявляется тогда, когда имеет такую величину, что. Волна с правым вращением вытесняется из пластинки, а волна с левым вращением концентрируется в ней (рис. 3).

Рис. 3

Наконец, если Н₀=Н_рез, то волна с правым вращением испытывает резонансное поглощение (резкое возрастание ), а волна с левым вращением распространяется без заметного затухания.

Рассмотренные эффекты используются для построения различного типа невзаимных ферритовых устройств СВЧ. На рис. 4 приведены схематичные изображения основных типов устройств и их идеализированные матрицы рассеяния.

Рис. 4

Вентиль (рис. 4.а) - невзаимный аттенюатор - служит для развязки генератора и нагрузки.

Невзаимный фазовращатель (рис. 4.б) создает различный фазовый сдвиг для волн двух направлений.

Циркулятор - невзаимный распределитель - многополюсное устройство, обеспечивающее прохождение электромагнитных волн через его зажимы в определенной последовательности (например, 1→2→3→1). На рис. 4.в приведена схема У циркулятора (шестиполюсника), а на рис. 4.г - X - циркулятора (восьмиполюсника).

Коммутатор может быть получен из циркулятора, если изменять в нем направление подмагничивания, а следовательно, и направление циркуляции волн.