Laboratorny_praktikum_EPiV

Вентили, построенные на использовании явления гиромагнитного резонанса, из-за узкополосности рабочей полосы частот и большой величины подмагничивающего поля применяются в технике СВЧ редко.

Поперечный ферромагнитный резонанс. Предположим, что плоская электромагнитная волна распространяется вдоль оси х с коэффициентом рас-

цию. Вектор электрического поля волны параллелен постоянному магнитному полю. Наличие составляющей Hɺx , параллельной направлению распространения (ось ОX), означает, что система (5.37) описывает волну Н-типа.

Аналогично, исключая Eɺy из системы (5.38), получаем:

61

У этой волны, согласно (5.38), вектор магнитного поля ориентирован параллельно направлению постоянного магнитного поля. В этом случае магнитное поле волны не возбуждает прецессии магнитного момента и коэффициент распространения такой же, как в немагнитной среде с той же диэлектрической

проницаемостью εa , что и у феррита. Составляющие векторов Eɺ и Hɺ перпен-

дикулярны направлению распространения, т. е. эта волна является волной Т- типа (поперечной волной).

Подставив в (5.40) значения μa и κ из (5.33), получим:

где

Из графика, приведенного на рис. 5.9, видим, что μ−a ≈ μ0 . Потому величину μa можно записать в виде:

62

как следует из выражения (5.46), бесконечно возрастает мнимая часть коэффициента распространения, и распространяющаяся в феррите волна интенсивно затухает. Это соответствует случаю так называемого поперечного ферромаг-

нитного резонанса, который наступает при подмагничивающем поле H

(рис. 5.12). Еще раз отметим, что рассмотренное явление не связано с ферромагнитным резонансом, а объясняется наличием диэлектрических потерь в феррите.

1

-1

Рис. 5.12. Поперечный ферромагнитный резонанс.

Из рис. 5.12 видим, что поперечный ферромагнитный резонанс наступает при напряженностях поля H0 , которые меньше, чем поле гиромагнитного резонанса Hрез . Это облегчает реализацию вентилей.

Как уже было отмечено, в прямоугольном волноводе область круговой поляризации магнитного поля существует на расстоянии a / 4 от боковых стенок (рис. 5.11). При повышении частоты эта область смещается к узкой стенке, при понижении частоты – к середине волновода. Для ослабления влияния частоты на структуру поля рядом с ферритовой пластиной помещают диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью (рис. 5.13). Диэлектрик концентрирует в себе (втягивает) электромагнитное поле, тем самым ослабляя зависимость структуры поля от частоты.

63

Рис. 5.13. Поперечное сечение вентиля, в котором используется явление поперечного ферромагнитного резонанса.

Явление смещения поля. Как следует из формулы (5.33), при μa < κ магнитная проницаемость μ+a становится отрицательной. При этом коэффици-

ент распространения β+ = ωεaμ+a становится мнимой величиной, что соответ-

ствует волне с амплитудой, убывающей вдоль направления распространения. Если ферритовая пластина безгранична, то электромагнитная волна отражается. Если ферритовый образец имеет ограниченные размеры, то волна вытесняется из феррита и огибает его при распространении.

Рис. 5.14. Вентиль на смещении поля.

Конструктивно вентиль на смещении поля подобен резонансному (рис. 5.14), но в данном случае на феррит нанесена поглощающая пленка, на-

пример, из графита. Волна с магнитной проницаемостью μ+a вытесняется из

64

феррита и распространяется вне его, поэтому напряженность поля Ez+ в поглощающем слое мала и затухание незначительно. Волна с поляризацией H − концентрируется в феррите, напряженность поля Ez− у поверхности феррита

велика, в поглощающем слое наводится значительный ток проводимости, и волна интенсивно затухает.

Описание лабораторной установки

В настоящей работе для измерения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) вентилей в прямом и обратном направлениях применяется измеритель модуля коэффициента передачи и отражения «Р2М-04» российской фирмы «Микран» (г. Томск). Схема измерения АЧХ исследуемых вентилей с помощью этого измерителя представлена на рис. 5.15.

Рис. 5.15. Схема измерения амплитудно-частотных характеристик исследуемых вентилей с помощью прибора «Р2М-04».

Входной сигнал, пропорциональный уровню мощности (отраженной – при измерении модуля коэффициента отражения; падающей – при измерении модуля коэффициента передачи) СВЧ-колебаний, оцифровывается и считывается процессором цифровой обработки сигналов измерителя, который, выполнив необходимые вычисления, передаёт результаты в ЭВМ. Контроль и измерение амплитудно-частотных характеристик резонатора осуществляется на мониторе компьютера с помощью частотных меток.

Для устранения потерь, вносимых трактом, непосредственно перед измерением необходимо провести калибровку СВЧ-тракта.

По усмотрению преподавателя для проведения измерений и исследований может быть использован более высокочастотный вентиль. В этом случае вместо измерителя «Р2М-04» следует использовать измеритель «Р2М-18» той

65

же фирмы, который работает в диапазоне до 18 ГГц. Схема измерений АЧХ с помощью измерителя «Р2М-18» аналогична представленной на рис. 5.15.

В настоящей лабораторной работе исследуются вентили, в которых используется эффект поперечного ферромагнитного резонанса.

Порядок выполнения лабораторной работы

Получив у преподавателя допуск и вентиль для исследования, приступить к выполнению лабораторной работы в следующем порядке:

1.Ознакомиться с устройством и назначением измерительной аппаратуры. Проверить правильность соединений приборов по схеме.

2.Включить аппаратуру в сеть согласно инструкции. Прогреть не менее 15 минут.

3.Произвести калибровку СВЧ-тракта, после чего включить исследуемый вентиль в схему измерений АЧХ согласно рис. 5.15.

4.Снять амплитудно-частотные характеристики вентиля (прямые и обратные потери) во всем рабочем диапазоне прибора «Р2М-04» в прямом (вход 1 → вход 2) и обратном (вход 2 → вход 1) направлениях.

5.По измеренным кривым прямых и обратных потерь для каждого из направлений включения вентиля в СВЧ-тракт построить частотные зависимости его потерь на поглощение (А, дБ).

6.По измеренным кривым прямых потерь для обоих направлений определить, какому включению вентиля в СВЧ-тракт соответствует прямая и обратная волны в вентиле, и определить вентильное отношение вентиля во всем исследованном частотном диапазоне. Результат отобразить на графике.

B

Bmax

20

10

Рис. 5.16. График вентильного отношения исследуемого вентиля с указанием всех характерных частот и значений.

66

7. По построенной частотной зависимости вентильного отношения определить ширину рабочей полосы исследуемого вентиля по уровню B ³10 относительно центральной частоты этой полосы (∆f / f0, %) по формуле:

где fн и fв – нижняя и верхняя граничные частоты рабочей полосы вентиля (см. рис. 5.16). Также определить значения fmax (частоту, на которой вентильной отношение максимально) и Bmax (максимальное значение вентильного отношения) согласно рис. 5.16.

Содержание отчета

1.Схема лабораторной установки.

2.Графики частотных зависимостей прямых (L, дБ) и обратных (R, дБ) потерь вентиля для прямого и обратного направлений.

3.Графики частотных зависимостей потерь на поглощение в исследуемом вентиле для обоих направлений его включения в СВЧ-тракт.

4.График частотной зависимости вентильного отношения исследуемого вентиля с указанием его рабочей полосы.

4.Краткая сводка результатов всех проведенных измерений и расчетов.

5.Выводы по полученным результатам.

Контрольные вопросы

1.Что такое ферритовый вентиль, где он применяется?

2.Какими параметрами характеризуется качество ферритов вентиля?

3.Природа магнитных свойств вещества.

4.Что такое прецессия магнитного момента и вектора намагниченности?

5.От чего зависит частота и направление свободной прецессии?

6.Что такое круговая поляризация?

7.Что такое тензор магнитной проницаемости?

8.Физический смысл электродинамических параметров m+ и m− , их связь с элементами тензора магнитной проницаемости.

9.Пояснить график зависимости параметров m+ и m− от величины подмаг-

ничивающего поля H0 .

10.В чем заключается явление поперечного ферромагнитного резонанса, его отличие от гиромагнитного резонанса?

11.В чем суть явления смещения поля в намагниченном феррите?

67

12.Как зависит направление круговой поляризации вектора магнитного

поля в прямоугольном волноводе на волне Н10 от направления распространения энергии?

13.В какую область помещается феррит в вентиле на прямоугольном волноводе?

14.Почему при повышении частоты область с круговой поляризацией

вектора H смещается к узкой стенке волновода?

15.Назначение диэлектрической пластины в вентиле.

16.Принцип действия и устройство резонансного вентиля.

17.Принцип действия и устройство вентиля на смещении поля.

18.Показать на рисунках с вентилями на гиромагнитном резонансе, на

поперечном ферромагнитном резонансе и на смещении поля прямую и обратные волны.

68

Библиографический список

5.Никольский, В.В. Электродинамика и распространение радиоволн / В.В. Никольский. – М., 1979.

6.Кураев, А.А. Электродинамика и распространение радиоволн / А.А. Кураев, Т.Л. Попкова, А.К. Синицын. – Минск.: Изд. «Бестпринт»,

2004.

7.Марков, Г.Т. Электродинамика и распространение радиоволн / Г.Т. Марков, В. М. Петров и др. – М., 1979.

8.Гольдштейн, М.Д. Электромагнитные поля и волны / М.Д. Гольдштейн,

Н.В. Зернов. – М., 1971.

9.Лебедев, И. В. Техника и приборы СВЧ: в 2-х ч. Ч. 1 / И. В. Лебедев. –

М.: Высш. шк., 1970.

10. Фрадин, А. З. Измерение параметров антенно-фидерных устройств / А. З. Фрадин. – М.: Связь, 1972.

11.Стариков, В. Д. Методы измерения на СВЧ с применением измерительных линий / В. Д. Стариков. – М.: Сов. радио, 1972.

12.Баскаков, С. И. Радиотехнические цепи с распределенными параметрами / С. И. Баскаков. – М.: Высш. шк., 1980.

13.Ефимов, И. Е. Радиочастотные линии передачи /И. Е. Ефимов. – М.: Сов.

радио, 1964.

14. Зернов, Н. В. Теория радиотехнических цепей / Н. В. Зернов, В. Г. Карпов – Л.: Энергия, 1973.

15.Фальковский, О.И. Техническая электродинамика / О.И. Фальковский. –

М.: Изд. «Лань», 2009.

16.Фиалковский, О.И. Техническая электродинамика / О.И. Фиалковский. –

М., 1978.

17.Никольский, В.В. Антенны / В.В. Никольский. – М., 1966.

18.Семенов, Н. А. Техническая электродинамика / Н. А. Семенов. –

М., 1973.

19.Сазонов, Г. М. Устройства СВЧ / Г. М. Сазонов, А. Н. Гридин, Б. А. Мишустин. – М., 1981.

69

70