ЛР4 ЭД

_{МИНОБРНАУКИ РОССИИ}

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра физической электроники и технологии

отчет

по лабораторной работе №4

по дисциплине «Электродинамика»

Тема: НЕВЗАИМНЫЕ ФЕРРИТОВЫЕ УСТРОЙСТВА: ФАРАДЕЕВСКИЙ ВРАЩАТЕЛЬ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Студенты гр. 5207		Иванов А.Д.
		Савин Б.С.
		Кремнев Д.Д.
		Зеленова И.С.
Преподаватель		Дроздовский А.В.

Санкт-Петербург

2017

Лабораторная работа №4

НЕВЗАИМНЫЕ ФЕРРИТОВЫЕ УСТРОЙСТВА: ФАРАДЕЕВСКИЙ ВРАЩАТЕЛЬ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Цель работы.

Ознакомление с эффектом необратимого вращения плоскости поляризации электромагнитной волны, проходящей через линию передачи, содержащую феррит.

Основные положения.

Ферриты – это группа содержащих ионы железа материалов, которые обладают одновременно магнитными свойствами ферромагнетиков и электрическими свойствами диэлектриков (ε_r = 5…20, ). Благодаря наличию ионов железа ферриты обладают большой магнитной проницаемостью и спонтанной намагниченностью.

Рис. 1 Кривая намагничивания ферромагнитного материала

В ненамагниченном состоянии феррит представляет собой конгломерат областей, магнитные моменты которых ориентированы в различных направлениях. Под воздействием переменного магнитного поля магнитные моменты указанных областей отклоняются в направлении вектора H, в результате появляется вектор магнитной поляризации (вектор намагниченности, определяемый как магнитный момент единицы объема), совпадающий с вектором напряженности внешнего поля, и магнитная проницаемость является скалярной величиной. Поэтому свойства ненамагниченного феррита для переменных полей любого направления одинаковы и распространение электромагнитных волн в нем происходит так же, как в любой другой изотропной среде.

Постоянное магнитное поле Н₀ ориентирует магнитные моменты атомов железа вдоль поля, в результате чего феррит приобретает анизотропные свойства, а его магнитная проницаемость для переменных электромагнитных полей становится тензорной величиной. Слабое переменное магнитное поле h, перпендикулярное намагничивающему полю Н₀, заставляет магнитные моменты прецессировать вокруг вектора Н₀ (рис.2).

Рис. 2 Прецессия магнитных моментов

Если постоянное поле направлено вдоль оси z (Н₀ = е_zН₀), а переменное поле h ему перпендикулярно (h = e_xh_x+e_yh_y), тензор магнитной проницаемости насыщенного феррита имеет вид

,

где , (, , ₀ – собственная частота прецессии магнитного момента электрона в постоянном поле Н₀; М₀ – спиновый магнитный момент электрона).

Вектор магнитной индукции электромагнитной волны b связан с вектором напряженности магнитного поля h соотношением b =  h или b_x = = ₀(’h_x ‑ ikh_y), b_y = ₀(ikh_x + ’h_y), b_z = ₀h_z = 0.

Итак, компоненты тензора  зависят от напряженности постоянного поля, и поэтому векторы b и h имеют различные соотношения между компонентами. Отсюда следует важное свойство намагниченного феррита – вращение плоскости поляризации электромагнитной волны, которое называется эффектом Фарадея.

Вращение плоскости поляризации в волноводе, содержащем намагниченный феррит. Рассмотрим круглый цилиндрический волновод, содержащий продольно намагниченный ферритовый стержень (рис. 3).

Рис 3. Проход плоскополяризованной волны через цилиндрический волновод с ферритовым стержнем

Пусть в волноводе возбуждается волна типа Н₁₁. Будем считать, что присутствие ферритового стержня не искажает распределение поля в поперечном сечении волновода и что частота много больше собственной частоты прецессии (в этом случае активными потерями в феррите можно пренебречь).

Пусть также на вход устройства подается плоскополяризованная волна (плоскость поляризации – это плоскость, составленная вектором Е и направлением распространения волны). Плоскополяризованную волну можно представить в виде суммы двух распространяющихся в противоположных направлениях волн круговой поляризации с противоположным направлением вращения векторов напряженности поля. Действительно, напряженность магнитного поля плоскополяризованной волны можно записать как

.

На рис. 4 показано графически разложение плоскополяризованной волны на две волны круговой поляризации с амплитудой 1/2Нm.

Рис. 4 Разложение плоскополяризованной волны

Благодаря анизотропии феррита условия распространения волн с разными направлениями вращения различны; соответственно, различны и фазовые скорости каждой из волн (⁺  ^‑) и различны набеги фазы на длине z. В результате плоскость поляризации реальной волны Н11 постепенно поворачивается по мере движения волны вдоль волновода, причем угол поворота  плоскости поляризации пропорционален расстоянию z от входной плоскости, и зависит от намагничивающего поля Н₀, частоты СВЧ-сигнала , а также от размеров и материала от ферритового стержня:  = kz, где   коэффициент пропорциональности, учитывающий геометрические размеры и диэлектрические характеристики феррита:

Для >>₀, , так что .

Следует отметить, что направление вращения плоскости поляризации не зависит от направления движения электромагнитной энергии по волноводу, т. е. ферритовый вращатель плоскости поляризации является невзаимным устройством.

Рис. 5 Схема экспериментальной установки

1-Генератор Г4-83, 2-коаксиальный кабель, 3-цилиндрический волновод с катушкой, 4-источник постоянного тока, 5-рупорная антенна, 6-осциллограф, 7-детектор.

Обработка результатов.

1. Построим графики зависимости амплитуды огибающей СВЧ-сигнала от угла поворота рупора при различных значениях тока через катушку на частоте 9,4 ГГц.

Таблица 1- Результаты измерений

I= 0 мА
ϕ°	157	164	176	178	190	215	225	230		300
I, мкА	2	5	12	19	26	19	13	7		0
I= 75 мА
ϕ°	180	191,25	220	236,25	280	281,25	337,5
I, мкА	0	9,3	19	28	19	9,3	0
I= 150 мА
ϕ°	157,5	188	191,25	228	255	270	292,5
I, мкА	0	12	24	36	24	12	0
I= 225 мА
ϕ°	157,5	185	190	225	247,5	265	315
I, мкА	0	13	26	38	26	13	0
I= 300 мА
ϕ°	175	180	190	232,5	258,75	270	275
I, мкА	0	12	24	35	24	12	0
I= 376 мА
ϕ°	175	190	210	236,25	240	280	315
I, мкА	0	11	22	33	22	11	0
I= 450 мА
ϕ°	190	210	230	240	275	281,25	320
I, мкА	0	10	20	32	20	10	0

Рис. 6 Зависимость амплитуды огибающей СВЧ-сигнала от угла поворота рупора

Рис 7. Зависимость амплитуды огибающей СВЧ-сигнала от угла поворота рупора для первых 4 токов генератора.

Рис 8. Зависимость амплитуды огибающей СВЧ-сигнала от угла поворота рупора для последних 4 токов генератора.

2. Построим зависимость угла поворота плоскости поляризации электромагнитной волны от управляющего тока (9,4 ГГц)

Рис 9. Зависимость амплитуды огибающей СВЧ-сигнала от угла поворота рупора для последних 4 токов генератора.

Вывод:

В данной работе исследовались явления поворота плоскости поляризации феррита на невзаимном ферритовом фазовращателе. В феррите теорема взаимности не выполняется, т.к. тензор магнитной проницаемости феррита недиагонален и несимметричен и несимметричен, и описывает анизотропные свойства среды и для всех электромагнитных волн, распространяющихся в среде феррита. Направление вращения плоскости поляризации не зависит от направления распространения волны, но волна, распространяющаяся в феррите по одной траектории, но в разных направлениях будет иметь разный фазовый сдвиг и затухать по-разному.

Увеличение тока источника сдвигает при этом зависимость тока от угла поворота в сторону больших значений, что является следствием роста напряженности поля Ho при увеличении тока в катушке. Из рис. 9 видно, что максимумы токов находится на близких по значению углах, что говорит о незначительном изменении угла поворота плоскости поляризации.