4.2. СВЯЗЬ ФЕРРИТОВОГО РЕЗОНАТОРА С ЛИНИЕЙ ПЕРЕДАЧИ

Используя общие расчетные соотношения для коэффициентов связи резонатора с линией передачи, нетрудно рассчитать его связь с конкретной линией передачи, для которой известно математическое описание структуры поля. Составляющие произвольного магнитного поля, изменяющегося по гармоническому закону.

в случае волны типа ТЕ могут быть записаны в виде амплитуды составляющих магнитного поля в месте расположения резонатора). Если поле подмагничивания приложено к ферритовому резонатору под произвольным углом к осям координат, по которым разложены составляющие СВЧ магнитного поля (рис. 3), то с учетом соотношений для дипольного момента ферритового резонатора и общих соотношений (4.26) коэффициенты связи резонатора с согласованной линией передачи можно рассчитать по формулам [93]:

1. Магнитное поле приложено вдоль оси у

2. Магнитное поле приложено вдоль оси

3. Магнитное поле приложено вдоль оси х

4. Магнитное поле приложено в плоскости

где мощность, переносимая волной рассматриваемого типа по линии передачи; объем резонатора.

Рассмотрим особенности взаимодействия ферритового резонатора с различными наиболее часто применяющимися на практике линиями передачи СВЧ.

Прямоугольный волновод

При включении ферритового резонатора как неоднородности в согласованный прямоугольный волновод и приложении поля в плоскости сотношения для коэффициентов связи имеют вид

В наиболее часто применяемом случае приложения поля вдоль эти выражения приведены в табл. 5. При размещении резонатора в области линейной поляризации СВЧ магнитного поля при размещении резонатора в области эллиптической поляризации магнитного поля что является

Таблица 5 (см. скан) Расчетные соотношения для коэффициентов связи ферритового резонатора с линиями передачи СВЧ

признаком невзаимности связанной системы. Эта невзаимность наиболее эффективна при размещении резонатора в области круговой поляризации СВЧ магнитного поля, где имеет максимальное значение (рис. 50). Подставляя выражения для коэффициентов связи в соответствующие общие формулы для характеристик линии передачи с резонатором, нетрудно рассчитать эти характеристики в каждом конкретном случае.

При включении ферритового резонатора как элемента связи двух прямоугольных волноводов и приложении поля подмагничивания вдоль оси у коэффициент связи также может быть рассчитан согласно соотношениям, приведенным в табл 5. С учетом

того, что в плоскости короткого замыкания коэффициент связи ферритового резонатора с одинаковыми входным и выходным волноводами равен

Используя это соотношение, нетрудно рассчитать характеристики линий передачи с резонатором.

Рис. 50. Зависимости коэффициентов связи ферритового резонатора с прямоугольным волноводом от перемещения резонатора в волноводе. Параметры системы:

Наиболее эффективная передача электромагнитной энергии в выходной волновод наблюдается при размещении резонатора по центру волновода (рис. 51).

Рис. 51. Зависимость коэффициента прохождения при резонансе от координаты расположения резонатора, включенного как элемент связи линий передачи. Параметры системы:

Рис. 52. Зависимости коэффициентов прохождения и отражения при резонансе от степени взаимной связи ферритового резонатора с входным и выходным прямоугольными волноводами.

При сильной связи резонатора с волноводами имеет место почти полная передача энергии в выходной волновод, а отражение энергии мало (рис. 52). Соответствие расчета и эксперимента (рис. 51, 52) свидетельствует о справедливости принятых при анализе упрощающих предположений, касающихся прежде всего значения амплитуды поля в центре отверстия связи и размеров отверстия связи, в котором

расположен резонатор. Экспериментальная зависимость коэффициента прохождения от размеров отверстия связи приведена на рис. 53, где штриховой линией показано расчетное значение коэффициента прохождения. Заметное отклонение экспериментальных и теоретических значений коэффициента прохождения сказывается при отношениях диаметра сферического ферритового резонатора к диаметру круглого отверстия связи, больших . Дальнейшее уменьшение отверстия связи приводит к увеличению вносимых потерь и интенсивному возбуждению магнитостатических типов колебаний ферритового резонатора.

Рис. 53. Зависимость коэффициента прохождения при резонансе от размеров отверстия связи, в котором расположен ферритовый резонатор. Параметры системы:

При включении ферритового резонатора как элемента связи и неоднородности в согласованных входном и выходном прямоугольных волноводах (рис. 47) [96] коэффициенты связи резонатора с волноводами определяются соотношениями: для схемы рис. 46, а

для схемы рис. 46, б

для схемы рис. 46, в

В представляющем наибольший практический интерес случае расположения резонатора в области круговой поляризации СВЧ магнитного поля обоих волноводов коэффициенты связи равны

Характеристики системы при этом определяются соотношениями (3.40).

Коаксиальная линия передачи

При включении ферритового резонатора как неоднородности согласованную коаксиальную линию с учетом только волны типа ТЕМ коэффициенты связи определяются формулами, приведенными в табл. 5. Связь ферритового резонатора с коаксиальной линией зависит как от положения резонатора вдоль радиуса (увеличиваясь по мере приближения к центральному проводнику), так и от амплитуды составляющей магнитного поля, которая перпендикулярна направлению поля подмагничивания.

Рис. 54. Зависимость коэффициента связи ферритового резонатора с согласованной коаксиальной линией передачи от координат расположения резонатора в линии передачи.

Эта составляющая поля равна нулю при и максимальна при перемещении резонатора вдоль радиуса при (рис. 54).

При включении резонатора как элемента связи двух коаксиальных линий и приложении поля вдоль оси у коэффициент связи также рассчитывается согласно соотношению, приведенному в табл. 5. Энергетические соотношения при этом не отличаются от рассмотренных выше для прямоугольного волновода.

Характеристики короткозамкнутой коаксиальной линии с ферритовым резонатором рассчитываются при помощи соотношения из табл. 5 и общих формул (3.33) — (3.35). Связь ферритового резонатора с короткозамкнутой коаксиальной линией увеличивается при приближении резонатора к внутреннему проводнику или к пучности СВЧ магнитного поля (рис. 55, а, б).

Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики коэффициента отражения при связи резонатора с линией передачи больше критического значения показаны на рис. 56. На рис. 55 и 56 наряду со сплошными расчетными линиями точками отмечены результаты эксперимента, которые согласуются с теорией [97].

Рис. 55. Зависимости коэффициента отражения при резонансе от координат расположения ферритового резонатора в короткозамкнутой коаксиальной линии. Параметры системы:

Рис. 56. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики коэффициента отражения короткозамкнутой коаксиальной линии передачи с ферритовым резонатором при

Полосковая линия передачи

Сочетание ферритового резонатора с полосковыми линиями передачи представляет значительный практический интерес, так как приводит к созданию ряда широкополосных, малогабаритных и простых в изготовлении устройств. Применение полосковых линий обычно ограничивается использованием основной волны типа ТЕМ, что возможно при выполнении следующих основных условий [99]:

1. Расстояние между внешними пластинами симметричной полосковой линии и эквивалентная электрическая ширина центральной полоски должна быть меньше половины длины волны в линии передачи.

Таблица 6 (см. скан) Расчетные соотношения для коэффициентов связи ферритового резонатора с линиями передачи СВЧ

2. Центральная полоска должна быть, расположена приблизительно в центре между внешними пластинами и параллельно им; ширина внешних пластин должна быть существенно больше ширины центральной полоски.

При выполнении этих условий можно принимать, что длина волны в симметричной полосковой линии приблизительно в раз меньше длины волны в свободном пространстве относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей полосковую линию).

Наиболее часто применяются полосковые линии с практически нулевой толщиной центральной полоски. В случае, когда ферритовый резонатор расположен в центре между внутренней

полоской и внешней пластиной, соотношение для добротности связи резонатора получено в работе [100]. Используя его, нетрудно рассчитать коэффициент связи ферритового резонатора с симметричной полосковой линией (табл. 5). Соотношения для коэффициентов связи ферритового резонатора с несимметричной (микрополосковой) линией передачи при фиксированном расположении резонатора в линии получены аналогично и приведены в табл. 5. Используя эти выражения для коэффициентов связи и общие формулы для характеристик линии передачи с резонатором, нетрудно рассчитать коэффициенты отражения, прохождения и поглощения для различных схем включения ферритового резонатора.