Архив3 / Laby_i_kursach / Метод_указ

ИССЛЕДОВАНИЕ ФЕРРИТОВЫХ Y-ЦИРКУЛЯТОРОВ

Краткие теоретические сведения

В технике сверхвысоких частот широко применяются ферритовые развязывающие устройства, позволяющие существенно улучшить параметры различной радиоаппаратуры. Ферритовые развязывающие устройства являются невзаимными устройствами: электромагнитная энергия со входа на выход проходит практически без потерь и не проходит с выхода на вход, поглощаясь или в самом устройстве или в специальной нагрузке, т.е. это устройства, у которых вход развязан с выходом.

Возможность построения невзаимных приборов обусловлена уникальной для СВЧ полей магнитной проницаемостью ферритовых материалов, находящихся в намагниченном состоянии. В твердом теле под действием магнитного поля Н возникает магнитная индукция В=μμ₀Н, где μ₀ – магнитная проницаемость воздуха, μ- относительная магнитная проницаемость материала. Для большинства магнитных материалов μ является скалярной величиной и направление векторов Н и В совпадают. У ферритов, намагниченных постоянным магнитным полем, создаваемым например с помощью постоянного магнита, магнитная проницаемость для СВЧ полей является тензорной величиной и вектор В может иметь направление отличное от вектора Н.

По химическому составу ферриты СВЧ представляют твердые растворы окислов металлов (Ni, Zn, Mn, Mg) и окиси железа Fe₂O₃, которые кристаллизуются в решетки типа шпинели или граната. В таких материалах нескомпенсированные спины электронов соседних атомов кристаллической решетки ориентируются антипараллельно. Именно нескомпенсированностью электронных спинов соседних атомов кристаллической решетки и объясняются уникальные свойства ферритов на высоких частотах.

Пусть феррит намагничен до насыщения магнитным полем Н_i, направленным вдоль оси Z (См. рис.1). При этом все магнитные моменты нескомпенсированных спинов электронов будут ориентированы вдоль оси Z. Если вдоль оси Х прикладывается СВЧ магнитное поле, то оно выводит электронные спины из равновесия и возникает дополнительная переменная составляющая намагниченности феррита m и его суммарная намагниченность М_∑ уже не совпадает с направлением подмагничивающего постоянного поля, направленного вдоль оси Z. Вектор намагниченности под действием переменного СВЧ поля совершает круговое движение вокруг оси Z с частотой приложенного СВЧ поля, которое аналогично движения волчка (гироскопа) и поэтому эффекты, обусловленные этим явлением называют гиромагнитными. Гиромагнитный эффект характеризуется соотношением между собственной частотой прецессии , где γ =2.8МГц/Э – магнитное отношение электрона, Н_i –напряженность постоянного подмагничивающего поля и частотой СВЧ сигнала f. При их совпадении (частота ферромагнитного резонанса) амплитуда прецессии максимальна, энергия СВЧ поля эффективно передается системе электронных спинов и потери сигнала в феррите резко возрастают.

Реакция намагниченного феррита на электромагнитное СВЧ поле существенно зависит от соотношения между направлением распространения электромагнитной волны в феррите и направлением подмагничивающего поля. При постоянном направлении подмагничивающего поля изменение направления распространения СВЧ волны приводит к невзаимным эффектам: при одном направлении распространения энергия СВЧ поля передается системе электронных спинов более эффективно, чем при другом. Этот же эффект проявляется при изменении направления подмагничивающего поля.

Кроме того в СВЧ приборах возможны случаи, когда направления подмагничивающего поля и магнитного поля СВЧ волны ортогональны (поперечное подмагничивание) либо совпадают (продольное подмагничивание). На рис.1 показан случай поперечного подмагничивания, который чаще всего используется в СВЧ приборах, но возможны приборы и на основе продольного подмагничивания, когда направления распространения СВЧ волны и подмагничивающего поля совпадают.

Рис.1

При поперечном подмагничивании процесс распространения СВЧ волны в ферритовой среде может быть описан двумя линейно поляризованными волнами: обыкновенной для которой вектор магнитного поля поляризован вдоль оси Z и необыкновенной, у которой вектор магнитного поля поляризован в плоскости ХОУ. Эффективная магнитная проницаемость феррита для этих волн различная, а значит они имеют и различные фазовые скорости. Между ними возникает фазовый сдвиг, что приводит как к изменению поляризации СВЧ поля вдоль направления распространения волны, так и появлению максимумов и минимумов поля из-за интерференции этих волн. В развязывающих СВЧ приборах чаще используется только необыкновенная волна.

Из ферритовых развязывающих приборов СВЧ наибольшее распространение получили вентили и циркуляторы. Вентиль является типичным двухпортовым прибором. В основе принципа действия ферритовых вентилей лежат явления поглощения энергии СВЧ волны в феррите при ферромагнитном резонансе. Принцип работы ферритового вентиля легче всего поясняется на примере волноводного прибора. В прямоугольном волноводе с волной Н₀₁ имеются две плоскости, параллельные узким стенкам волновода, в которых СВЧ магнитное поле имеет круговую поляризацию. Направление вращения векторов СВЧ магнитного поля в этих плоскостях взаимно противоположны и изменяются на обратные при изменении направления распространения волны в волноводе. При этом в намагниченной ферритовой пластинке на частоте ферромагнитного резонанса, помещенной в плоскости с круговой поляризацией СВЧ магнитного поля возникают невзаимные потери, зависящие от направления распространения СВЧ волны. Прямая волна проходит вдоль пластины практически не возбуждая прецессии спинов, а значит и без потерь, в то время как энергия обратной волны практически полностью передается системе электронных спинов и выделяется в феррите в виде тепла.

В практике широкое распространение получили трехпортовые приборы, так называемые У-циркуляторы. Простейшая схема У-циркулятора включает в себя симметричное 3-плечее волноводное или полосковое соединение, в центре которого установлен подмагниченный круглый ферритовый вкладыш. Принцип работы прибора может быть пояснен явлением дифракции электромагнитной волны на круглом ферритовом цилиндре. Электрическое поле вне вкладыша может быть представлено суммой падающей и возбужденной во вкладыше необыкновенной волн. Амплитудное распределение суммарного поля на внешней боковой поверхности вкладыша определяется длиной волны СВЧ сигнала, диаметром вкладыша и его электрофизическими параметрами. При соответствующем подборе этих величин картина стоячих волн на боковой поверхности вкладыша приобретает вид, показанный на рис.2. Так как компоненты тензора магнитной проницаемости феррита зависят от величины подмагничивающего поля, то изменяя последнее, можно добиться того, чтобы минимум стоячей волны электрического поля соответствовал центру развязанного порта 3-плечего соединения, а в центрах входного и выходного портов амплитуды поля были приблизительно равны друг другу и максимальны (см.рис.2). В этом случае СВЧ энергия с минимальными потерями будет распространяться в направлениях, показанных на рис.2 стрелками. При изменении подмагничивающего поля по величине происходит изменение фазовых соотношений между падающей и возбужденной во вкладыше необыкновенной волной и узлы дифракционной картины смещаются по углу.

При изменении направления подмагничивающего поля на обратное распределение электрического поля на поверхности ферритового вкладыша поворачивается на 120⁰ в результате чего развязанное плечо становится выходным, тоже самое произойдет если возбудить циркулятор со стороны выходного плеча.

Частотные характеристики такого простого циркулятора имеют резонансный характер.

Рис.2

Матрица рассеяния идеального циркулятора имеет вид:

Нулевые диагональные элементы матрицы свидетельствуют об отсутствии отражений на портах циркулятора, т.е. его идеальном согласовании. Равенство нулю внедиагональных элементов - об идеальной развязке пар входов, равенство - об равенстве коэффициентов передачи между связанными портами в согласованном режиме. Естественно, что реальные приборы не являются идеально согласованными и симметричными и матрица S параметров не будет содержать нулевых членов, модули будут не одинаковы и меньше 1. Обычные потери в микрополосковых циркуляторах составляют величины порядка 1-2дБ.

Полосковые и микрополосковые У-циркуляторы в настоящее время вяляются наиболее распространенными приборами. Конструктивная схема полоскового циркулятора приведена на рис.3.

Рис.3

Схематическое изображение микрополоскового циркулятора показано на рис.4. Ферритовый вкладыш помещается в отверстие в диэлектрической подложке, на которой выполнены проводники подводящих микрополосковых линий, а на ферритовом вкладыше помещается металлический диск сочленения. В качестве магнитных систем используются обычно постоянные магниты в виде дисков или прямоугольных призм небольшой высоты. Замыкание магнитного потока выполняется с помощью магнитопроводов из магнитомягких материалов.

Рис.4

Подложки микрополосковых циркуляторов, на которые нанесены проводники подводящих линий, как правило, имеют прямоугольную форму, которая определяется удобством компоновки СВЧ схем, в которые входит развязывающий прибор.

При необходимости расширения полосы рабочих частот до 25-35% к ферритовым вкладышам добавляют диэлектрические, а к проводникам согласующие цепи, выполненные по печатной технологии. Схематическое изображение нескольких вариантов согласующих цепей микрополоскового циркулятора, выполненных на диэлектрической подложке, в которую вставлен ферритовый цилиндрический вкладыш, показаны на рис.5. Чтобы магнитная система, расположенная над поверхностью подложки, не оказывала влияния на характеристики согласующих цепей циркулятора расстояние от поверхности подложки до металлических элементов конструкции должно быть в несколько раз больше толщины подложки

Рис.5

В настоящее время циркуляторы выполняют и с сосредоточенными постоянными, что позволяет использовать их вплоть до КВ диапазона.

У-циркуляторы можно использовать для развязки падающей и отраженной волн, если развязанный порт (например 3 на рис.2) нагрузить на согласованную нагрузку. В этом случае сигнал отраженный от нагрузки на 2 порту поступит в балластную нагрузку третьего порта, а не попадет на возбуждающий порт 1. Это свойство частот используют в приемо-передатчиках для развязки входов передатчика и приемника. Если к порту 2 подключить управляемую реактивную нагрузку, то отраженный от нее сигнал будет поступать в порт 3, причем фаза сигнала будет зависеть от величины реактивности нагрузки на 2 порту. Это позволяет реализовывать на СВЧ угловую модуляцию сигнала. Возможны и другие применения У-циркуляторов.