Техническая электродинамика (стр. 4 )

.

 

Составляющие и взаимно перпендикулярны, сдвинуты по фазе на 90° и имеют различное распределение по оси У. При у=0 и y=a поле поляризовано линейно вдоль оси волновода (), при y=0,5а оно также поляризовано линейно, но перпендикулярно оси (), а в промежуточных положениях - эллиптически. В сечениях вблизи магнитное поле поляризовано по кругу, причем в левой половине волновода () поляризация положительная (относительно ), а в правой - отрицательная. Точное положение круговой поляризации определяется равенством и меняется с изменением частоты. Волну с линейной или эллиптической поляризацией можно разложить на две: с круговой поляризацией и противоположным вращением векторов. Поэтому только в двух положениях магнитное поле имеет чисто круговую поляризацию одного направления.

Феррит взаимодействует только с волной положительного направления вращения. Поэтому максимально феррит воздействует на волну в волноводе в сечении . Здесь и должна быть помещена ферритовая пластинка. Наоборот, в сечении взаимодействие почти отсутствует.

Для обратной же волны, распространяющейся в направлении – Х, поле с положительной круговой поляризацией находится в сечении , а в сечении , где помещена пластина, поляризация отрицательна, т. е. обратная волна с ферритом не взаимодействует. Таким образом, разность коэффициентов затухания прямой и обратной волн =Lпр-Lобр максимальна при и и при значении постоянного магнитного поля соответствующем поперечному ферромагнитному резонансу Н0=Нрез . Различие коэффициентов затухания волн с противоположными направлениями вращения позволяет построить вентиль на поперечно намагниченном феррите.

Зависимость потерь и вентильного отношения R=Lобр/Lпр от положения пластины показана на рис.2.

 

Максимум вентильного отношения находится вблизи минимума потерь прямой волны. Эти потери минимальны в сечении , где прямая волна имеет магнитное поле с отрицательной круговой поляризацией.

Потери прямой и обратной волн примерно одинаково зависят от величины постоянного магнитного поля. Максимум потерь соответствует значению Нрез - поперечному ферромагнитному резонансу.

Лучшие результаты дает применение двухслойной пластины, из феррита и диэлектрика. Диэлектрик концентрирует поле около феррита и позволяет получить в широкой полосе частот вентильное отношение, близкое к максимальному. Для улучшения согласования тракта концы пластин заостряются.

Поле подмагничивания ферритовой пластины Нрез определяется соотношением:

, (2)

где Hрез - резонансное поле продольного ферромагнитного резонанса (fрез=2,8Нрез);

М0 - намагниченность насыщения феррита. В зависимости от марки феррита М0=30¸500.

Широкое применение вентилей на поперечном резонансе обусловлено тем, что поле намагничивания Нрез меньше Нрез и это приводит к более компактной конструкции устройства.

Вентиль на смещении поля (рис.1,б) основан на явлении "вытеснения" из намагниченного феррита прямой волны. Дело в том, что при значениях постоянного подмагничивающего поля лежащих в пределах Нрез-М0<Н0<Нрез , коэффициент распространения необыкновенной волны получается чисто вещественным, т. е. тождественен коэффициенту затухания. В силу этого эта волна в поперечно намагниченном феррите не может распространяться. Ее амплитуда по экспоненте не из-за тепловых потерь в среде, а вследствие эффекта отражения, вытеснения поля средой. Волновое сопротивление в этом случае становится мнимой величиной, векторы и оказываются сдвинутыми по фазе на 90° и феррит превращается в реактивную среду.

Поместим поперечно намагниченный феррит в прямоугольный волновод (рис.1,6). Для прямой волны типа Н10 в волноводе феррит мало проницаем, поэтому в основном она распространяется с почти неизменной структурой между поверхностью ферритового бруска и правой вертикальной стенкой. Обратная же волна преобразуется в поверхностную волну, максимум которой находится на поверхности феррита в сечении А. В этом сечении на поверхность феррита наносится поглощающая пленка, и обратная волна почти полностью поглощается, в то время как потери прямой волны невелики. Поскольку намагничивающее поле в вентиле на смещении поля меньше резонансного Нрез , то вентиль на смещении поля меньше по весу и более компактен, чем аналогичный резонансный вентиль.

2.3 Ферритовые циркуляторы

Ферритовые циркуляторы находят широкое применение в разнообразных устройствах. С помощью циркулятора можно обеспечить одновременную работу передатчика и приемника на одну антенну. Циркуляторы незаменимы в параметрических и туннельных усилителях, т. к. позволяют упростить конструкцию и снизить шумовую температуру усилителей. Во многих случаях циркуляторы используются в качестве вентилей для устранения волны, отраженной от нагрузки. Существенная особенность циркуляторов в вентильном режиме заключается в том, что отраженная волна поглощается не в ферритовом элементе, а во внешней нагрузке.

Циркулятор, основанный на эффекте Фарадея (рис.3,а), работает по следующему принципу. При возбуждении волны Н11 в плече 1 она поступает на ферритовый элемент, не ответвляясь в плечо 3, т. к. здесь вектор оказывается параллельным широкoй стенке волновода, а для такой поляризации прямоугольный волновод является запредельным. Параметры ферритового элемента (геометрия, подмагничивающее поле) подобраны таким образом, чтобы фазовый сдвиг волны после прохождения элемента соответствовал 45°. При этом волна не возбуждает плечо 4, а поступает на вход плеча 2. Аналогичное рассмотрение приводит к следующей схеме циркуляции СВЧ энергии: 1-2-3-4-1. Изменение ориентации подмагничивающего поля на обратное влечет за собой изменение направления циркуляции. Угол поворота вектора поля, обусловленный эффектом Фарадея, равен:

=(Г+-Г-)l/2, (3)

где Г+ и Г - - постоянные распространения право и левополяризованной волны, l - длина ферритового элемента.

Сложность конструкции циркулятора, значительные габариты и относительная узкополосность обусловила сравнительно редкое применение в технике СВЧ-циркулятора, основанного на эффекте Фарадея.

Волноводный Y-циркулятор [1] представляет собой симметричное П-плоскостное сочленение трех прямоугольных волноводов, в центре которого помещен ферритовый цилиндр (рис.3,б). Внешнее магнитное поле ориентировано параллельно оси цилиндра. Работу Y - циркулятора можно представить следующим образом. При возбуждении плеча 1 волна Н10 дифрагирует на ферритовом элементе, распадаясь на две поверхностных волны, распространяющихся по ходу и против хода часовой стрелки. Поскольку магнитные свойства намагниченного феррита различны для рассматриваемых поверхностных волн, то геометрия ферритового элемента такова, что в плечо 2 волны поступают в фазе, а в плечо 3 - в противофазе. Таким образом, циркуляция СВЧ-энергии в Y-циркуляторе происходит по схеме: 1-2-3-1.

 

Для уменьшения амплитуды отраженной волны на ферритовый диск одевают кольцо из диэлектрика, выполняющего роль согласующего четверть-волнового трансформатора.

Из всех видов циркуляторов Y-циркуляторы получили наиболее широкое применение, что объясняется широкополосностью, простотой их конструкции, малыми размерами и весом.

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1 Описание экспериментальной установки

Измерение электрических характеристик ферритовых СВЧ устройств производится на лабораторной установке, блок-схема которой показана на рис. 4.

Основными элементами установки являются: генератор (1), воспроизводящий электромагнитные колебания. Эти колебания по прямоугольному волноводу поступают на измерительную линию (2), с помощью которой определяется коэффициент стоячей волны (КСВ) в тракте. Сигнал с зонда измерительной линии подается на индикатор (3). Для определения выходной мощности используется тот же индикатор 3, сигнал на который подается с детекторной секции (5). В работе исследуются ферритовый вентиль с поперечным ферромагнитным резонансом и Y-циркулятор.