16.5. Узлы с поперечно-намагниченным ферритом

ПРЯМОУГОЛЬНЫЙ ВОЛНОВОД С ФЕРРИТОВОЙ ПЛАСТИНОЙ

Явления в поперечно намагниченном феррите позволяют осуществить ряд устройств на прямоугольных, и -образных волноводах, полосковых и коаксиальных линиях. Такие устройства удобны тем, что не требуют переходов к волноводу другого типа. Их магнитная цепь, содержащая внешний магнит и ферритовый элемент, имеет относительно небольшие воздушные зазоры (рис. 16.13а); от магнита требуется не очень большая магнитодвижущая сила.

Рис. 16.13

Поэтому в неуправляющих устройствах с поперечным магнитным полем применяют постоянные магниты.

Быстродействие управляющих устройств с внешними электромагнитами ограничено высокой самоиндукцией управляющей обмотки. Теперь широко внедряются узлы с внутренней магнитной цепью и управлением импульсами тока (рис. 16.136).

Коэффициент распространения волны. Рассмотрим явления, возникающие в прямоугольном волноводе с поперечно намагниченным ферритовым элементом, на основе изученных в 16.2 свойств необыкновенной волны. Если постоянное магнитное поле направлено по оси (рис. 16.14а), а прямая волна

Рис. 16.14

распространяется вдоль оси х в положительном направлении, то нужно переименовать все координаты в соотношениях (9.24) для поля волны типа

где верхний индекс соответствует волноводу без феррита.

Исследуем структуру магнитного поля в. горизонтальной плоскости (рис. 16.146). Составляющие и Ну взаимно перпендикулярны, сдвинуты по фазе на 90° и имеют различное распределение по оси у. При поле поляризовано линейно вдоль оси волновода, при а оно также поляризовано линейно, но перрпендикулярно оси, а в промежуточных положениях — эллиптически. В сечениях вблизи а мапнитное поле поляризовано по «ругу, лричем 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 [ом. Поэтому только в двух положениях магнитное поле имеет чисто круговую поляризацию одного направления.

Существенно взаимодействие с ферритом только волны с положительным направлением вращения. Поэтому максимально феррит воздействует на волну в волноводе в сечении А. Наоборот, в сечении В взаимодействие почти отсутствует, так как здесь нет положительно вращающейся компоненты.

Определим фазовую скорость прямой волны при слабом намагничении феррита. В дорезонансной области Ярег для необыкновенной волны и для волны, поляризованной по кругу с положительным вращением, магнитные проницаемости Следовательно, эквивалентная магнитная проницаемость феррита в сечении и фазовая скорость волны в волноводе фазовая скорость волны в волноводе с диэлектрической пластиной, имеющей те же размеры и то же значение что и ферритовая). При увеличении напряженности постоянного поля в определенных пределах уменьшается (см. рис. 16.7) и увеличивается Если пластина сдвигается из положения А, амплитуда волны Н с положительной круговой поляризацией уменьшается и скорость приближается к

Для обратной волны (рис. 16.14в) поле с положительной круговой поляризацией находится в сечении В, а в сечении А, где помещена пластина, поляризация отрицательна. В этом случае взаимодействие феррита с магнитным полем согласно рис. 16.4 для приводит к т. е. фазовая скорость

Различие фазовых скоростей обусловливает невзаимный фазовый сдвиг. При наличии пластины в сечении

Если поместить ферритовуго пластину в сечение В, то Замедление волны за счет диэлектрической проницаемости ферритовой пластины одинаково для волн обоих направлений. Однако с увеличением электромагнитное поле больше концентрируется у феррита, что нарушает его распределение в волноводе, при этом увеличивается взаимодействие волны с ферритом, а следовательно, и невзаимный фазовый сдвиг, но ухудшается согласование.

Найдем в первом приближении коэффициент распространения для волновода с тонкой пластиной (рис. 16.14). Воспользуемся для этого методом возмущений, предполагая, что поле в волноводе не искажено, поле внутри пластины однородно, а его составляющие тангенциальные к границе, и нормальная к ней составляющая равны соответствующим компонентам в незаполненном волноводе. Из ф-л (13.7), (16.2), (16.8), (16.39) после ряда преобразований получим выражения для коэффициентов распространения прямой и обратной волн:

где коэффициент распространения в волноводе без феррита; — площадь сечения волновода; площадь сечения ферритовой пластины с относительными проницаемостями определяется ф-лой (16.27).

Разность между коэффициентами распространения в прямом и обратном направлениях определяется только поеледним слагаемым в фигурных скобках, т. е.

НЕВЗАИМНЫЕ ФАЗОВРАЩАТЕЛИ

В слабых магнитных полях потери в феррите невелики, и можно считать При длине пластины разность фаз для прямой и обратной волн составляет

Невзаимный фазовый сдвиг зависит от положения пластины в волноводе по закону он максимален по модулю при при и 1,0. Это подтверждает изложенное выше. Если то Следовательно, при фиксированном положении пластины разность фаз пропорциональна Из рис. 16.2 видно, что в начальной части характеристики, пока феррит не насыщен, величина пропорциональна Это же вытекает из (16.9), так как в

ненасыщенном феррите Итак, если феррит не насыщен, фазовый сдвиг регулируемого фазовращателя пропорционален постоянному магнитному полю

В практических конструкциях толщину пластины стараются увеличить, чтобы сделать большим Толстая магнитодиэлектрическая пластина концентрирует электромагнитное поле подобно диэлектрическому волноводу, что искажает распределение поля в поперечном сечении и меняет оптимальное положение пластины, соответствующее максимуму Если оптимум наблюдается при касании пластиной боковой стенки волновода. Дальнейшее утолщение пластины нецелесообразно, так как это уменьшает фазовый сдвиг.

Лучшими параметрами обладает фазовращатель с двумя пластинами, расположенными симметрично относительно оси волновода (в сечениях на рис. 16.14) и намагниченными в противоположных направлениях. В этом случае сохраняется симметрия поля в волноводе, что улучшает согласование фазовращателя с волноводным трактом.

ВЗАИМНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ

Для того чтобы получить взаимный фазовращатель с регулируемым фазовым сдвигом нужно поместить ферритовую пластину в центральное сечение волновода , где магнитное поле поляризовано линейно и может быть представлено суперпозицией равных величине волн с противоположными направлениями вращения. Тогда эквивалентная магнитная проницаемость феррита одинакова для прямой и обратной волн, Взаимный фазовращатель работает при слабых магнитных полях Регулируемая часть сдвига определяется по ф-ле (16.40) с учетом (16.9):

Для ненасыщенного феррита наблюдается квадратичная зависимость взаимного сдвига фаз от напряженности постоянного магнитного поля. У боковых стенок волновода пластину не располагают, так как любая пластина конечной толщины окажется в области, где магнитное поле поляризовано эллиптически, что приводит к невзаимному фазовому сдвигу.

ФАЗОВЫЙ ЦИРКУЛЯТОР

Фазовый циркулятор (рис. 16.15) представляет собой последовательное соединение щелевого или многодырочного моста (см. 15.2), невзаимных фазовращателей и второго такого же моста. Принцип его работы основан на не взаимных фазовых сдвигах в волноводах 2 1 и 34. Согласно рис. 16.14, при постоянном поле На, направленном от читателя, отставание по фазе в верхнем канале больше для обратной волны, а в нижнем — для прямой. Пусть невзаимный фазовый сдвиг участков с ферритом

Диэлектрическая пластина в нижнем канале создает, кроме того, дополнительный взаимный фазовый сдвиг на 90° для прямой и обратной волн.

Рис. 16.15

Рассмотрим волну вошедшую в первое плечо. описывается матрицей (15.22) при Следовательно, волны на его выходах: Волна в верхнем волноводе проходит без изменений, а в нижнем испытывает дополнительный сдвиг на 180°. На входах второго моста Используя снова матрицу (15.22), получаем Поэтому единственный ненулевой элемент в первом столбце матрицы циркулятора Если аналогичным образом проследить за волнами из остальных плеч, придем к матрице:

Данный узел представляет собой циркулятор, передающий волны в последовательности Фазовые циркуляторы имеют большие габариты, поэтому их целесообразно использовать только в трактах, рассчитаиных на большую мощность (средняя мощность до импульсная — до

ВЕНТИЛИ С ПОПЕРЕЧНЫМ ФЕРРОМАГНИТНЫМ РЕЗОНАНСОМ

Волноводные вентили. Пусть постоянное магнитное поле в ферритовой пластине на рис. 16.14 соответствуетпоперечному ферромагнитному резонансу Коэффициенты затухания прямой и обратной волн определяются вещественной частью выражений (16.40); затуханием незаполненного волновода можно пренебречь. Разность коэффициентов затухания

насыщенном феррите Итак, если феррит не насыщен, фазовый сдвиг регулируемого фазовращателя пропорционален постоянному магнитному полю

В практических конструкциях толщину пластины стараются увеличить, чтобы сделать большим Толстая магнитодиэлектрическая пластина концентрирует электромагнитное поле подобно диэлектрическому волноводу, что искажает распределение поля в поперечном сечении и меняет оптимальное положение пластины, соответствующее максимуму Если оптимум наблюдается при касании пластиной боковой стенки волновода. Дальнейшее утолщение пластины нецелесообразно, так как это уменьшает фазовый сдвиг.

Лучшими параметрами обладает фазовращатель с двумя пластинами, расположенными симметрично относительно оси волновода (в сечениях на рис. 16.14) и намагниченными в противоположных направлениях. В этом случае сохраняется симметрия поля в волноводе, что улучшает согласование фазовращателя с волноводным трактом.

ВЗАИМНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ

Для того чтобы получить взаимный фазовращатель с регулируемым фазовым сдвигом нужно поместить ферритовую пластину в центральное сечение волновода а), где магнитное поле поляризовано линейно и может быть (Представлено суперпозицией равных по величине волн с противоположными направлениями вращения. Тогда эквивалентная магнитная проницаемость феррита одинакова для прямой и обратной волн, Взаимный фазовращатель работает при слабых магнитных полях Регулируемая часть сдвига определяется по ф-ле (16.40) с учетом (16.9):

Для ненасыщенного феррита наблюдается квадратичная зависимость взаимного сдвига фаз от напряженности постоянного магнитного поля. У боковых стенок волновода пластину не располагают, так как любая пластина конечной толщины окажется в области, где магнитное поле поляризовано эллиптически, что приводит к невзаимному фазовому сдвигу.

ФАЗОВЫЙ ЦИРКУЛЯТОР

Фазовый циркулятор (рис. 16.15) (представляет собой последовательное соединение щелевого или многодырочного моста (см.

15.2), невзаимных фазовращателей и второго такого же моста. Принцип его работы основан на невзаимных фазовых сдвигах в волноводах 2 1 и 34. Согласно рис. 16.14, при постоянном поле Но, направленном от читателя, отставание по фазе в верхнем канале больше для обратной волны, а в нижнем — для прямой. Пусть невзаимный фазовый сдвиг участков с ферритом

Диэлектрическая пластина в нижнем канале создает, кроме того, дополнительный взаимный фазовый сдвиг на 90° для прямой и обратной волн.

Рис. 16.15

Рассмотрим волну вошедшую в первое плечо. Мост описывается матрицей (15.22) при Следовательно, волны на его выходах: Волна в верхнем волноводе проходит без изменений, а в нижнем испытывает дополнительный сдвиг на 180° На входах второго моста Используя снова матрицу (15.22), получаем Поэтому единственный ненулевой элемент в первом столбце матрицы циркулятора Если аналогичным образом проследить за волнами из остальных плеч, придем к матрице:

Данный узел представляет собой циркулятор, передающий волны в последовательности Фазовые циркуляторы имеют большие габариты, поэтому их целесообразно использовать только в трактах, рассчитанных на большую мощность (средняя мощность до импульсная — до

ВЕНТИЛИ С ПОПЕРЕЧНЫМ ФЕРРОМАГНИТНЫМ РЕЗОНАНСОМ

Волноводные вентили. Пусть постоянное магнитное поле в ферритовой пластине на рис. 16.14 соответствуетпоперечному ферромагнитному резонансу Коэффициенты затухания прямой и обратной волн определяются вещественной частью выражений (16.40); затуханием незаполненного волновода можно пренебречь. Разность коэффициентов затухания

как и максимальна при а, т. е. если ферритовая пластина находится в положении А или В (рис. 16.14) соответствующем круговой поляризации волн в волноводе. Различие коэффициентов затухания волн с противоположными направлениями вращения позволяет построить вентиль на поперечно намагниченном феррите.

Рис. 16.16

Зависимость потерь и вентильного отношения {ф-ла (16.35)] от положения пластины представлена на рис. 16.16. Максимум вентильного отношения находится вблизи минимума потерь прямой волны. Эти потери минимальны в сечении В (рис. 16.14), где прямая волна имеет магнитное поле с отрицательной круговой поляризацией. Потери в диэлектрике увеличивают в одинаковой степени затухание обеих волн и ухудшают вентильное отношение.

Потери прямой и обратной волн примерно одинаково зависят от величины постоянного магнитного поля. Максимум потерь ответствует значению Ярез поперечному ферромагнитному резонансу. Определив для этого случая коэффициенты затухания найдем максимальное вентильное отношение в отсутствие диэлектрических потерь:

Лучшие результаты дает применение двухслойной пластины из феррита и диэлектрика (рис. 16.17) при высоте феррита порядка 0,6 высоты волновода.

Рис. 16.17

Диэлектрик концентрирует поле около феррита и позволяет получить в широкой полосе частот вентильное отношение, близкое к максимальному при большом коэффициенте затухания обратной волны. Здесь сказывается большая широкополосность диэлектрического волновода по сравнению с металлическим. Для улучшения согласования тракта концы пластин заостряют. Вентиль с размерами, указанными на рис. 16.17, имеет в диапазоне частот следующие характеристики:

Практически вся мощность обратной волны рассеивается № феррите, поэтому вентили такого типа рассчитаны на мощность обратной волны порядка единиц ватт. Они используются, например, в измерительной технике и радиорелейных линиях.

Для увеличения мощности рассеяния ферритовые пластины приклеивают к широким стенкам волновода, располагая их горизонтально, в плоскости Этим уменьшается также опасность-пробоя. Такие вентили с относительно громоздкой магнитной системой рекомендуется устанавливать в трактах с большим уровнем мощности: средней — до импульсной до

Коаксиальные вентили (рис. 16.18) содержат двухслойные феррито-диэлектрические пластины. В поперечной ТЕМ-волне невзаимные явления невозможны. Диэлектрическая пластина превращает ее в поверхностную, магнитное поле которой имеет продольную составляющую и поэтому эллиптически поляризовано в плоскости, перпендикулярной Для прямой и обратной волн направления вращения векторов противоположны. Подбором толщины диэлектрика при заданных удается получить круговую поляризацию в феррите и тем самым снизить потери прямой волны, а также получить наибольшее вентильное отношение или фазовый сдвиг. В конструкции рис. 16.186 вместо ферритовой пластины использованы два цилиндрических ферритовых стержня. Частотные характеристики устройства можно существенно выровнить, если создать неоднородное по длине пластины постоянное магнитное поле Тогда каждой частоте рабочего диапазона будет соответствовать максимум поглощения в определенной части пластины.

Рис. 16.18

ЧАСТОТНЫЕ ФИЛЬТРЫ И ОГРАНИЧИТЕЛИ МОЩНОСТИ

Ферритовые фильтры содержат чаще всего монокристаллы иттриевого граната, изготовленного в виде шара или диска, и используют явление ферромагнитного резонанса. При хорошо отполированной поверхности собственная добротность таких элементов достигает 104, что позволяет получить относительно узкую полосу пропускания фильтра, порядка в сантиметровом диапазоне. Рассмотрим ферритовый фильтр, в котором ферритовая сфера осуществляет связь между ортогонально расположенными симметричными полосковыми резонаторами (на рис. 16.19 верхняя пластина удалена). Применены полуволновые резонаторы, разомкнутые на концах; для связи с линией служат емкостные зазоры. Ферритовый шар находится в максимуме

магбитного поля обоих резонаторов. При отсутствии поля намагничения связь между резонаторами отсутствует, так как их оси взаимно перпендикулярны. В намагниченном феррите за счет прецессии поле входного резонатора создает эллиптически поляризованное магнитное поле, которое, в свою очередь, возбуждает колебания во втором резонаторе; таким образом, связь между резонаторами осуществляется за счет недиагонального элемента тензора магнитной проницаемости При резонансе модуль этого элемента достигает наибольшей величины, и связь между резонаторами максимальна (см. рис. 16.2). Величина связи и амплитуда колебаний во втором резонаторе изменяются с частотой так же, как не учитывать избирательности полосковых резонаторов). Изменением величины поля можно менять резонансную частоту фильтра в весьма широком (двухкратном и более) диапазоне частот.

Ограничители мощности свч представляют наиболее важный и специфичный класс устройств, использующих нелинейные свойства ферритов. Их действие основано на дополнительном резонансном поглощении в ферритах, которое возникает лишь при значительном уровне мощности волны. При достижении переменным полем некоторого порогового уровня дальнейшее его увеличение не приводит к росту переменной составляющей намагниченности, что эквивалентно резкому уменьшению компонент тензора магнитной проницаемости. Рассмотренная ранее конструкция (рис. 16.19) может служить также ограничителем мощности. После того, как мощность сигнала на входе достигнет порогового значения, мощность на выходе узла не увеличивается, так как уменьшение величины приводит к ослаблению связи между линиями. При этом часть мощности поглощается в феррите, а часть отражается вследствие нарушения согласования резонатора с трактом.

Рис. 16.19