ЛолоснО пропуснающий фильтр

Полош-пропуснающий фильтр

-180

~-80° Выход

Рис. 7.46. Пример конструктивной реализации no QOHOinpony!CKarou;ero фильтра

высокого уровия мощности

7.11. ФЕРРИТОВЫЕ УСТРОЙСТВА ВОЛНОВОДНЫХ

ТРАКТОВ

Особенности применения ферритов в диапазоне СВЧ. Ферриты нредставляют собой твердые тела или монокристаллы, образованные спеканием порошка окиси железа с соединениями какого-либо двухвалентного металла, например никеля, марганца, магния и т. п. Характерным свойством ферритов является сочетание магнитных свойств ферромагнетика и электрических свойств диэлектрика (на СВЧ ферриты имеют а=10 --10 См/м, 8=5-20, tg6 10-*).

В постоянном магнитном поле феррит является анизотропной средой. Эта особенность ферритов позволяет использовать их в технике сверхвысоких частот для создания устройств, не подчиняющихся теореме взаимности [28].

Свойства ферритов на СВЧ проявляются при взаимодействии собственного магнитного момента электрона с внешним полем постоянного и переменного магнитных полей.

Под действием постоянного магнитного, поля Но (рис. 7.47) спины электронов стремятся ориентироваться по направлению приложенного поля, прецессируя подобно гироскопу вокруг оси, совпадающей по направлению с вектором Но, образуя с ним право-

Рис. 7.47. Прецессия маг-Нйхкого 1М0(мента электрона в постоянном магнитном поле

Оеч Но

Рис. 7.48. xaipaktep завиоимости активной и реактивной соста!ВЛ5П0Щ1ИХ магнитной шроницавмости феррита для волн с левой и щравой круговой поляризациями от апряженвости магнитного поля

винтовую систему. Частота свободной прецессии <flo=vHo. где !j!=2-21-10 м/А-с - гиромагнитное отношение.

Наличие магнитных потерь приводит к тому, что угол i]5 (рис. 7.47) быстро уменьшается, векторы магнитных моментов всех атомов ориентируются по направлению приложенного постоянного магнитного поля - Но, феррит намагничивается до насыщения.

Рассмотрим случай воздействия на намагниченный феррит высокочастотного магнитного поля с круговой поляризацией (ориентированного перпендикулярно постоянному полю Но), круговая частота которого ю близка к частоте прецессии юо (рис. 7.47).

Если направление вращения вектора Н совпадает с прецессией магнитного момента М, то угол i} увеличивается. Возрастание угла ограничивается магнитными потерями. В результате насту-лает такой режим гр = const, при котором энергия высокочастотного магнитного поля рассеивается в виде тепла в кристаллической решетке феррита. Если частоты ю и юо не совпадают, то эффект взаимодействия уменьшается и потери в феррите снижаются. В случае противоположных направлений вращения вектора Н и магнитного момента М поглощения энергии в феррите практически не происходит.

На рис. 7.48 показано изменение относительной магнитной-лроницаемости феррита для волн круговой поляризации правого направления вращения (положительного) л+ и левого направления вращения (отрицательного) р, в зависимости от напряженности постоянного магнитного поля Но при неизменной частоте со. Величина магнитной проницаемости в поперечно намагниченном феррите комплексна:

Из рис. 7.48 видно, что значение мнимой части магнитной проницаемости р + для волн с положительным направлением вращения в точке Яо = Ярез резко возрастает, что указывает на увеличение потерь энергии в феррите. Возникающее при <в = шо явление наиболее эффективного взаимодействия положительно поляризованных волн с намагниченным ферритом, сопровождаемое интенсивным поглощением ферритом энергии этих волн, называют ферромагнитным резонансом.

Зависимость действительной и мнимой частей магнитной проницаемости в феррите для волн отрицательного направления вращения (рис. 7.48) имеет плавный характер и свидетельствует о значительно меньших потерях, чем для волн положительного на- правления вращения.

Если переменное магнитное поле имеет линейную поляризацию, то его можно представить как сумму двух полей левой и правой Круговой поляризации. В отсутствие феррита в волноводе обе волны (левой и правой круговой поляризации) распространяются с равными фазовыми скоростями и в сумме дают волну с неизмененным положением плоскости поляризации. Если же в волноводе расположить ферритовый стержень, намагниченный в продольном

направлении постоянным магнитным полем Но, то при значениях Но<Нрез волны круговой поляризации правого направления вращения будут распространяться с большей фазовой скоростью, чем левого

= С в1+; Уф = С/Ущ-

При этом происходит поворот плоскости поляризации волны. Эффект вращения плоскости поляризации электромагнитной волны, проходящей через диэлектрик (в рассматриваемом случае - феррит) в присутствии постоянного магнитного поля, носит название эффекта Фарадея.

Благодаря своим свойствам, ферриты используются для создания широкого класса невзаимных устройств СВЧ, т. е. устройств, обладающих невзаимными потерями, невзаимным вращением плоскости поляризации, невзаимным фазовым сдвигом и т. д. Зависимость параметров ферритов от напряженности внешнего магнитного поля позволяет создавать на их основе управляемые устройства СВЧ: переключатели, модуляторы, перестраиваемые фильтры, регу4ируемые фазовращатели и аттенюаторы и т. д. Рассмотрим ряд волноводных устройств, содержащих ферриты.

Ферритовые вентили. Ферритовым вентилем принято называть полноводное устройство, величина вносимого затухания которого зависит от направления движения волны через него. Основными параметрами ферритового вентиля являются: затухание волн в прямом направлении, затухание волн в обратнохм направлении, полоса рабочих частот, допустимый уровень мощности, Кст, тип и размеры волноводного тракта.

В волноводах прямоугольного сечения наибольшее распространение получили конструкции вентилей, в которых используются резонансные свойства ферритов или эффект смещения поля [28].

Резонансный вентиль. В прямоугольном волноводе, работающем на волне Ню, существуют две продольные плоскости х= const (рис. 7.49), параллельные узкой стенке волновода, где магнитное поле имеет круговую поляризацию. Эти плоскости находятся на

расстоянии х= - arctg- от узких стенок волновода, я 2а

Направление вращения вектора Н в каждом из указанных продольных сечений взаимно-противоположно и зависит от направления движения волны по волноводу. Поместим в волноводе в одной из двух указанных плоскостей ферритовую пластинку, намагниченную перпендикулярно широкой стенке волновода (рис. 7.50). Если напряженность постоянного магнитного поля выбрать равной или близкой к величине Ярез (см. рис. 7.48), то феррит поглощает мощность волны, создающей правополяризованное высокочастотное магнитное поле. Волна, распространяющаяся вдоль волновода в противоположном направлении, испытывает малое затухание. Серийно выпускаемые ферритовые вентили обеспечивают в полосе частот 10-15% [о затухание в прямом направ-