16.4. Устройства, использующие эффект Фарадея

ГИРАТОР

Эффект вращения плоскости поляризации реализуется на волне типа в круглом волноводе, поперечная структура которой близка к плоской волне. Тонкий ферритовый стержень помещают на оси волновода (рис. 16.10). Соленоид снаружи волновода обеспечивает продольное намагничение стержня, неизменное либо регулируемое.

Рис. 16.10

Так как феррит занимает лишь небольшую часть поперечного сечения волновода, постоянная Фарадея в этом случае соответственно меньше, чем в сплошном феррите (16.23)]. При слабом намагничении

где фазовый коэффициент в пустом волноводе. Как и в безграничной среде, постоянная Фарадея пропорциональна намагниченности феррита и, кроме того, отношению площадей поперечных сечений ферритового стержня и волновода

При утолщении стержня возникают явления, не учитываемые приведенным соотношением. Довольно значительная величина феррита делает его подобным диэлектрическому волноводу. Поле концентрируется внутри стержня, приближаясь по структуре к поверхностной волне постоянная Фарадея увеличивается, стремясь в пределе к постоянной Фарадея в оплошном феррите. С увеличением диаметра стержня понижаются критические частоты всех волн. Опасность появления волн высшего порядка и ухудшение согласования заставляют ограничиваться применением стержней небольших диаметров.

Величина и знак постоянной Фарадея зависят от направления и напряженности внешнего постоянного магнитного поля Поэтому отрезок волновода, показанный на рис. 16.10, может служить электрически управляемым гиратором. Изменяя направление и силу тока соленоида, соответственно меняем плоскость поляризации волны на выходе гиратора.

ЦИРКУЛЯТОР, ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ И ВЕНТИЛЬ

Циркулятор, использующий эффект Фарадея в круглом волноводе, показан на рис. 16.11. Здесь -переход от прямоугольного волновода (волна типа к круглому (волна типа

фильтр, отражающий волну Ни, поляризованную параллельно плоскости металлической пластины; разветвление; гира-гор с неизменным полем обеспечивающим поворот плоскости поляризации на 45°.

Вектор Е волны, входящей в плечо 1, поляризован в направлении поэтому волна беспрепятственно проходит через фильтр При повороте в боковое плечо вектор Е оказался бы параллельным широкой стенке волновода 3, однако для такой поляризации прямоугольный волновод является запредельным, поэтому волна проходит разветвление не ответвляясь.

Рис. 16.11.

Гиратор поворачивает плоскость поляризации в положение В и волна через элементы проходит в плечо 2. Аналогично из плеча 2 волна с поляризацией В проходит до гиратора где направление электрического вектора меняется на С, параллельное узкой стенке волновода в плече 3. От фильтра эта волна отражается и полностью проходит в плечо 3. Точно так же осуществляется переход волны из плеча 3 в плечо 4 и из 4 в 1. Следовательно, устройство реализует матрицу (16.37).

Переключатель. Описанное выше устройство, но без плеча 3 может служить электрически управляемым переключателем. Если направление тока в соленоиде гиратора изменить на обратное, не меняя его величины, то волна в нем будет поворачиваться на 45° по часовой стрелке. При этом волна из плеча 1 попадает в плечо 4. Быстродействие переключателя ограничивается коэффициентом самоиндукции обмотки и токами Фуко, возникающими в стенках волновода при перемагничении. Величина этих токов ограничивается двумя способами. Либо металлические стенки волновода заменяются диэлектрическими, покрытыми изнутри слоем

серебра толщиной в несколько микрометров, либо в волноводе прорезается продольная щель (разрывающая путь вихревых токов), которая может быть заклеена очень тонкой металлической пленкой Применение любого из этих способов позволяет достичь быстродействия

Вентиль конструируется на основе схемы циркулятора рис. 16.11, если из него изъять секции и поместить в плечо 3 поглощающую нагрузку. Тогда прямая волна полностью проходит из плеча I в плечо 2, а обратная — из плеча 2 в плечо 3, где она поглощается.

Более компактное устройство с меньшей мощностью поглощения можно получить, изъяв из циркулятора, изображенного на рис. 16.11, секции Фильтр выполняют в виде пластины из поглощающего материала. Прямая волна поляризованная перпендикулярно этой пластине, проходит почти без потерь. Электрический вектор обратной волны после прохождения ею гиратора находится в положении С, параллельно пластине, поэтому волна поглощается.

Вентиль другого типа основан на резонансном поглощении волны с круговой поляризацией (рис. 16.12).

Рис. 16.12

Линейно поляризованная волна переходит из плеча I в круглый волновод, где она преобразуется четвертьволновой пластиной (см. параграф 13.6) в волну с левой (отрицательной) круговой поляризацией, не испытывающей поглощения в ферритовом стержне. Вторая четвертьволновая пластина восстанавливает линейную поляризацию волны. Обратная волна оказывается поляризованной по кругу положительно (относительно вектора и поглощается ферритовым стержнем, в котором на заданной частоте при возникает продольный ферромагнитный резонанс.

Узлы, основанные на эффекте Фарадея, используют в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн. Если волноводный тракт прямоугольный, применение таких узлов неудобно, так как требует переходов на круглый волновод. Этим объясняется ограниченное применение таких узлов. Разработаны ферритовые узлы с продольным намагничением, построенные на прямоугольном волноводе, однако их параметры еще значительно уступают другим известным устройствам.