Ферриты в волноводных трактах

Свойства ферритов

Ферриты – это вещества, получаемые при спекании окиси железа с окисями марганца, магния, меди, цинка или кадмия. Это ферромагнитные материалы полупроводникового типа с высоким удельным сопротивлением (до 10⁷ Ом∙см.). Благодаря этому, а также ничтожным потерям на гистерезис, феррит – единственный из магнитных материалов способный пропускать ЭМВ СВЧ диапазона с малыми потерями.

2. Намагничивание феррита. Как и в любом ферромагнетике, в феррите под воздействием внешнего намагничивающего поля Н_о происходит ориентация внутренних элементарных полей по направлению Н_о, в результате которой поле усиливается в раз.

Однако в феррите этот процесс имеет интересные особенности. Внутренние поля в феррите создаются за счет вращения электронов вокруг своей оси – спина.

Магнитный момент электрона – М_н направлен по оси его вращения на встречу механическому моменту М_мех, обусловленному вращением массы электрона (рис. 3.26а).

Рис. 3.26 К объяснению прецессии электрона

Под действием намагничивающего поля Н_о возникает сила, стремящаяся совместить магнитные поля по направлению. Это приводит к совмещению оси вращения электрона О^/О^// с вектором Н_о. Благодаря наличию механического момента, происходит процесс называемый прецессией электрона, в ходе которого проекция оси О^/О^// описывает на плоскости перпендикулярной к Н_о спиральную линию. Прецессия длиться около 0,01с. круговая скорость – частота вращения по спирали называется частой ферромагнитного резонанса. Она пропорциоанальна напряженности намагничивающего поля:

f_o[МГц]» 3,5Н_о [А/м]

с этой частотой происходит затухание колебаний горизонтальной (на рис. 3.26) составляющей вектора М_н (М_нt)

Пример: Рассчитать частоту f_o и соответствующую ей длину волны, если Н_о = 2,85×10³ А/м.

Ответы: f_o = 10⁴ МГц; см.

3. Ферриты в электромагнитном поле СВЧ

1). Разложение поляризованной волны. На рис. 3.27 показан процесс сложения двух волн магнитного поля равных по амплитуде и по частоте, и имеющих круговую поляризацию во встречных направлениях: Н₊ – по направлению, а Н_– – против направления часовой стрелки. Как видно из построения, в результате сложения возникает плоскополяризованная волна. Следовательно, любую плоскополяризованную волну можно разложить на две равные волны со встречной круговой поляризацией.

Рис. 3.27 Разложение плоскополяризованной волны на две волны со встречной круговой поляризацией

2). Свойства ферритов в поле СВЧ. Если плоскополяризованная волна частоты f проходит сквозь ферритовый стержень в направлении поля Н_о, то магнитное поле перпендикулярно Н_о. Поэтому вращающиеся поля Н₊ и Н_– лежат в «плоскости прецессии» – в одной плоскости с горизонтальной составляющей M_нt. Одно из них (например – Н₊) вращается в направлении прецессии, другое – в противоположном. Поле Н₊ вызывает вынужденную прецессию электронов с частотой f. Если плавно увеличивать напряженность поля Н_о, то частота f_o, будет повышаться и, при определенном значении Н_{о рез}, окажется, что f_o=f и наступит ферромагнитный резонанс. При резонансе амплитуда прецессии окажется максимальной. На это волна Н₊ будет расходовать значительную часть своей энергии. За счет резонансного поглощения затухание волны резко возрастает (рис. 3.28б)

Рис. 3.28 Графики зависимостей от напряженности намагничивающего поля:

а) магнитной проницаемости;

б) постоянной затухания феррита

что касается магнитной проницаемости феррита (3.28а), то она оказывается весьма различной для волн Н₊ и Н_– (m₊ и m_–). Волна Н_– почти не взаимодействует с полями электронов, поэтому и почти не зависит от Н_о. Волна Н₊ взаимодействует, поэтому результирующее поле этой волны, а в месте с ним и m₊, изменяется в широких пределах не только по величине, но и по знаку.

4. Эффект Фарадея. В 1845 году М. Фарадей обнаружил, что если луч света направить вдоль магнитного поля, то плоскость поляризации поворачивается.

Угол поворота пропорционален напряженности поля, а направлении поворота не зависит от направления луча света.

Использование этого эффекта для вращения плоскости поляризации радиоволн СВЧ стало возможным благодаря применению ферритов.

На рис. 3.29 показан ферритовый стержень намагниченный полем Н_о, в котором распространяется плоскополяризованная волна. Поскольку проницаемости m₊ и m_– не равны, то не равны и фазовые скорости и . Это значит, что по мере продвижения по стержню, векторы и повернутся на разные углы и результирующий вектор (т.е. плоскость поляризации) повернется тем больше, чем больше Н_о и чем длиннее стержень. Достоинством устройств использующих эффект Фарадея в том, что они работают в дорезонансной области (Н_о < Н_{о рез}) и не требуют сильных магнитных полей. Их недостаток – значительные габариты.

Рис. 3.29 К объяснению эффекта Фарадея

Применение ферритов

1. Циркуляторы – это многоканальные устройства, в которых ЭМВ распространяются из одного канала в другой только в определенной последовательности. Например в четырехплечем циркуляторе может быть реализована такая последовательность 1-2-3-4-1-…

Поляризационный циркулятор основан на использовании эффекта Фарадея. Его устройство показано на рис. 3.30а

Четыре плеча образованы прямоугольными волноводами с волной Н₁₀. Для того, чтобы попасть в очередное плечо, волна должна пройти через ферритовый продольно-намагниченный стержень расположенный в круглом волноводе. В нем возникает волна Н₁₁, которая легко трансформируется из волны Н₁₀ за счет плавного перехода от прямоугольного к круглому волноводу. Волновод каждого следующего плеча повернут относительно предыдущего на 45^о. На такой же угол поворачивается и плоскость поляризации волны ферритовым стержнем за счет эффекта Фарадея. Последовательные положения полей относительно полей плеч циркулятора показаны на рис. 3.30б

Рис. 3.30 Поляризационный циркулятор:

а) устройство;

б) структуры электрического поля

Y – циркулятор (рис. 3.31) представляет собой три волновода соединенных под углом 120^о. В центре намагниченный ферритовый стержень. Если бы не было ферритора то энергия волны поступающая из одного плеча, поровну распределялась бы между другими. При наличии феррита поле СВЧ в каждом плече состоит из первичного и переизлученного ферритом. При правильном подборе подмагничивания эти поля складываются в левом от входного плече и уничтожаются в правом. Так обеспечивается последовательность: 1-2-3-1…

Y – циркулятор:

1, 2, 3 – плечи тройника; 4 – феррит; 5 – диэлектрик

2. Фазовращатели. Ферритовый фазовращатель состоит из волноводной линии, содержащей намагниченный феррит. Управление фазой СВЧ колебаний осуществляется путем изменения намагничивающего поля и в следствии этого – магнитной проницаемости феррита, что ведет к изменению фазовой скорости волны и фазового сдвига в волноводе.

Фазовращатели, обеспечивающие одинаковый фазовый сдвиг фазы для волны любого направления называются взаимными. Если он различен – невзаимными.

Рис. 3.32 Взаимный фазовращатель

Взаимный фазовращатель поляризационного типа (рис. 3.32) основан на использовании эффекта Фарадея. Его особенность в том, что две половины ферритового стержня намагничиваются во встречных направлениях. Поэтому повороты плоскости поляризации также оказываются встречными и взаимно компенсируются, а временная задержка и фазовый сдвиг сохраняются не зависимо от направления волны.

Невзаимный фазовращатель с поперечным намагничиванием ферритовой пластины смещенной относительно оси волновода (рис. 3.33). В нем используется то обстоятельство, что магнитная проницаемость феррита m₊ и m_– для волн различного направления различна. Поэтому различными оказываются и фазовые сдвиги.

Рис. 3.33 Прямоугольный волновод с ферритовой пластинкой

3. Ферритовые вентили. Это устройства, обеспечивающие прохождение ЭМВ преимущественно в одном направлении.

Поляризационный вентиль. Отличается от циркулятора (рис. 11.30) тем, что имеет только два плеча: 1 и 2. Прямая волна с выхода – 2 на вход – 1 не проходит, т.к. после поворота плоскости поляризации на 90^о (два раза на 45^о) ее электрическое поле сориентировано вдоль широкой стенки волновода (рис. 3.34)

Рис. 3.34 К объяснению принципа работы поляризационного вентиля

Резонансный вентиль (рис. 3.35). В этом вентиле за счет применения сильного магнита обеспечивается ферромагнитный резонанс и связанное с ним резкое увеличение потерь энергии волны одного направления. Направление м.с.л. этой волны совпадает с направлением прецессии.

Коме волноводов, ферритовые устройства могут быть использованы в сочетании с фидерными или полосковыми линиями.

Рис. 3.35 Устройство резонансного вентиля

Вопросы для самопроверки

1. Что представляют собой ферриты?

2. Почему они могут применяться в диапазоне СВЧ?

3. Каковы особенности намагничивания феррита?

4. В чем состоит явление прецессии электронов?

5. Почему плоскополяризованную волну можно представить состоящей из двух волн с круговой поляризацией?

6. Как взаимодействуют каждая из этих волн с магнитными полями электронов в феррите?

7. В чем состоит явление ферромагнитного резонанса, от чего зависит его частота?

8. Как используется это явление в ферритовых вентилях?

9. Почему магнитная проницаемость феррита для волн с различным направлением круговой поляризации оказывается различной?

10. Как используется это свойство в ферритовых циркуляторах и фазовращателях?

11. В чем состоит эффект Фарадея?

12. Как он используется в ферритовых циркуляторах, фазовращателях, вентилях?

Дата добавления: 2015-10-21