3.8. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ РЕЗОНАТОР В ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ С НЕСКОЛЬКИМИ РАСПРОСТРАНЯЮЩИМИСЯ ВОЛНАМИ

При связи твердотельного резонатора с линией передачи, в которой могут распространяться несколько волн, имеются некоторые особенности передачи электромагнитной энергии. Обусловлены они тем, что эквивалентный дипольный момент сосредоточенного твердотельного резонатора является векторной величиной. Так, дипольный момент диэлектрического резонатора максимален в направлении, перпендикулярном торцовой стенке плоского резонатора; дипольный момент ферритового резонатора максимален в плоскости, перпендикулярной направлению поля подмагничивания. В направлениях, перпендикулярных указанным, амплитуда дипольного момента в первом приближении равна нулю. Благодаря такой ориентационной направленности дипольных моментов резонаторов и их малым размерам при связи резонатора с линией передачи, в которой могут распространяться несколько волн, возможны следующие основные случаи:

1. Одновременная связь резонатора с линией передачи по нескольким распространяющимся волнам. Если волны имеют взаимно перпендикулярную поляризацию, это позволяет создать резонансные вращатели плоскости поляризации и некоторые другие устройства [87].

2. Связь резонатора с линией передачи отдельно по каждой распространяющейся волне, что позволяет создать фильтры и возбудители типов волн, вентили и фазовращатели высших типов волн и другие устройства [88, 89].

Рассмотрим более подробно первый случай. При помещении твердотельного резонатора в линию передачи с двумя волнами, имеющими взаимно перпендикулярную плоскость поляризации, может наблюдаться резонансный поворот плоскости поляризации электромагнитной волны. Объясним физическую сущность этого явления [87] на примере связи ферритового резонатора с

круглым волноводом (рис. 48). При связи ферритового резонатора с круглым волноводом по двум волнам типа со взаимно перпендикулярной поляризацией резонатор переизлучает энергию электромагнитного поля, переносимую по волноводу не только волной, плоскость поляризации которой совпадает с плоскостью поляризации падающей волны, но и волной того же типа, плоскость поляризации которой перпендикулярна по отношению к падающей.

Рис. 48. Ферритовый резонатор в круглом волноводе.

Условием возбуждения ферритом электромагнитной волны с плоскостью поляризации, перпендикулярной к падающей, является наличие в месте расположения резонатора перпендикулярной к направлению поля подмагничивания составляющей СВЧ магнитного поля этой же волны. В результате этого плоскость поляризации волны, проходящей к нагрузке линии и определяемой суперпозицией падающей и переизлученной волн, будет повернута на определенный угол. Величина угла определяется соотношением амплитуд падающей и переизлученной волн. При этом линейная поляризация волны, испытавшей на частоте резонанса поворот плоскости поляризации, свидетельствует о синфазности возбуждения ферритом двух волн со взаимно перпендикулярной поляризацией, которые, как будет показано ниже, противофазны падающей волне.

Таким образом, общим для явления резонансного поворота плоскости поляризации в круглом волноводе с ферритовым резонатором и для явления связи через ферритовый резонатор входного и выходного ортогонально расположенных прямоугольных волноводов или объемных резонаторов [69, 79, 90] является то, что в обоих случаях падающая волна (колебание) возбуждает вынужденную прецессию вектора намагниченности феррита. Это влечет за собой возбуждение резонатором электромагнитной волны (колебания) с плоскостью поляризации, перпендикулярной к падающей. Для рассматриваемого явления специфично то, что в круглом волноводе волна, распространяющаяся после резонатора, является суперпозицией падающей волны и волны с

перпендикулярной к ней плоскостью поляризации, дополнительно возбуждаемой резонатором.

Аналогично объясняется резонансный поворот плоскости поляризации в волноводе с диэлектрическим резонатором. Условием поворота плоскости поляризации в данном случае является наличие в месте расположения диэлектрического резонатора перпендикулярных к торцовой стенке плоского резонатора составляющих поля падающей волны и волны со взаимно перпендикулярной поляризацией.

Получим основные соотношения для характеристик согласованного волновода с резонатором в случае, когда в волноводе могут распространяться две волны со взаимно перпендикулярными поляризациями. При этом будем учитывать связь резонатора с волноводом отдельно по каждому типу волны. Величины, характеризующие связь резонатора с волноводом по типу волны, плоскость поляризации которой совпадает с падающей, будем обозначать индексом а величины, характеризующие связь по типу волны, плоскость поляризации которой перпендикулярна к падающей,

Общий коэффициент связи резонатора с согласованным волноводом равен

где

частные коэффициенты связи. Здесь

мощности, переизлучаемые резонатором и переносимые по волноводу в направлении к генератору (индекс 1) и в направлении к нагрузке (индекс 2); нормированный коэффициент переизлучения при резонансе; -мощность падающей волны. Уравнение баланса мощностей при резонансе запишем в виде

где (с учетом того, что характеристическое сопротивление волновода для падающей волны и волны с перпендикулярной к ней плоскостью поляризации одно и то же) характеристики волновода с резонатором равны:

а) коэффициент отражения

модуль коэффициента отражения

угол поворота плоскости поляризации отраженной волны равен (относительно орты 1

б) коэффициент прохождения

модуль коэффициента прохождения

угол поворота плоскости поляризации прошедшей волны

угол поворота плоскости поляризации волны, переизлученной в направлении к нагрузке,

в) коэффициент поглощения

Решая уравнение баланса мощностей с учетом этих определений характеристик волновода с резонатором, получим соотношения:

а) коэффициент отражения

где

угол поворота плоскости поляризации волны, отраженной в направлении к генератору,

б) коэффициент прохождения

угол поворота плоскости поляризации волны, прошедшей в направлении к нагрузке,

угол поворота плоскости поляризации волны, переизлученной в направлении к нагрузке,

в) коэффициент поглощения

Знак минус в соотношениях (3.58) свидетельствует о противофазности переизлученных волн по отношению к падающей волне.

Рассмотрим два частных случая евязи твердотельного резонатора с двухволновым волноводом.

1. При взаимной связи и характеристики волновода с резонатором равны:

а) коэффициент отражения

причем

угол поворота плоскости поляризации отраженной волны

б) коэффициент прохождения

причем

угол поворота плоскости поляризации прошедшей волны

в) коэффициент поглощения

2. При невзаимной связи ферритового резонатора с волноводом и характеристики волновода с резонатором равны:

а) коэффициент отражения

б) коэффициент прохождения

причем

угол поворота плоскости поляризации прошедшей волны

в) коэффициент поглощения

Зависимости коэффициента прохождения и угла поворота плоскости поляризации при резонансе от степени связи

резонатора с волноводом приведены на рис. 49. С увеличением связи угол поворота плоскости поляризации растет, стремясь в пределе к 90°. Коэффициент прохождения сначала уменьшается и, достигнув при минимального значения увеличивается, стремясь в пределе к значению, равному единице. Этот частный случай связи представляет интерес для создания невзаимных частотно-избирательных вращателей плоскости поляризации.

Рис. 49. Зависимости коэффициента прохождения и угла поворота плоскости поляризации при резонансе от степени невзаимной связи ферритового резонатора с волноводом.