8.4.3. Волноводные методы

Методы передающих линий, использующие бегущие волны, оказались полезными для измерения [43, 95, 163, 387] скалярных свойств ненамагниченных ферритов. Заполняя все поперечное сечение волновода тонкой ферритовой пластиной и наблюдая результирующие КСВН и сдвиг положения минимума, можно легко определить магнитную проницаемость и диэлектрическую постоянную.

Несмотря на то, что анизотропия намагниченных ферритов препятствует распространению чистых типов колебаний ТЕ и ТМ в круглом волноводе и искажает структуру поля в прямоугольном волноводе, методы передающих линий широко использовались для измерений прямых передающих свойств некоторых систем [416].

Фарадеевское вращение и потери в намагниченных ферритах могут быть измерены с помощью гибридного устройства в круглом волноводе [156], изображенного на рис. 8.14. На частоте в качестве образцов служат стержни диаметром и длиной около Для уменьшения отражения оба стержня заточены на конус.

Рис. 8. 14. Круговое гибридное соединение, содержащее продольно намагниченный феррит. Ферритовая вставка дает вращение плоскости поляризации на 45°.

Крепление стержней в круговом волноводе диаметром осуществляется с помощью пенополистирола, обладающего низкими потерями. Продольное магнитное поле создается соленоидом. Входным плечом является А, плечи оканчиваются согласованными нагрузками. Детектор, помещенный в плече С, когда оно перпендикулярно А, индицирует нулевой сигнал, если феррит не вращает плоскость поляризации.

Для того чтобы восстановить нулевое показание при наложении магнитного поля, необходимо повернуть выходную секцию на угол, равный фарадеевскому вращению. Полные потери измеряются с помощью откалиброванного переменного аттенюатора, а часть потерь, обусловленная отражением, оценивается по величине входного КСВН без магнитного поля. Кроме того, мощность, поглощаемая ферритом, может быть измерена калориметрическим методом [44]. Отношение максимального показания детектора к минимальному, полученное при вращении выходной секции, характеризует эллиптичность проходящей волны. В измерениях с

образцами, проявляющими гистерезис, необходимо наблюдать верхнюю половину магнитного цикла.

Более удобным, хотя менее точным способом является окончание круглого волновода анализа тором, представляющим собой вращающуюся четвертьволновую пластину, после которой следует короткое замыкание. Если пластина расположена перпендикулярно или параллельно поляризации падающей волны, то вся отраженная энергия возвращается обратно во входное плечо, давая, таким образом, возможность измерить вносимые потери. Когда анализатор повернут под углом 45°, отраженная энергия, излучаемая через плечо В, пропорциональна синусу удвоенного угла фарадеевского вращения. Питая соленоид синусоидальным током и прикладывая к пластинам осциллографа напряжения, пропорциональные мощностям на входе и выходе, можно наглядно представить такие свойства феррита, как гистерезис и эллиптичность.

Другой метод основан на квадратичном детектировании модулированного выходного сигнала одного из плеч, пропорционального [4]; полезны также и мостовые методы [250].

Был» проделаны измерения [213, 265] фарадеевского вращения н потерь в диапазоне [219] от до миллиметровых длин волн [227] с такими материалами, как медные ферриты [229] и парафино-ферритовые смеси [123]. На частоте выпускаемые промышленностью никелево-цинковый и марганцево-магниевый ферриты обеспечивают [156] угол вращення 45° при потерях ниже 0,1 дб и коэффициент эллиптичности, превышающий 30 дб.

На частоте была получена [165] добротность порядка 40 при использовании стержня диаметром из марганцево-магниевого феррита марки феррамик-А. Этот материал обеспечил [370] вращение на 150° при потерях в 0,6 дб на частоте

Никелево-цинковый феррит оптимального диаметра на частоте в волноводе диаметром имел высокую добротность, равную 720, по сравнению со значением 400, полученным с диаметрами стержней 3,05 и

Подобные результаты были получены [101] для никелевого феррита на частоте путем измерений с различными диаметрами стержней. Характеристики можно несколько улучшить, замещая 6% железа алюминием. На рис. 8.15 приведена добротность для разнообразных составов марганцево-магниевого феррита [217]; контуры указывают на то, что оптимальный состав из дает добротность, равную 400.

Коэффициенты тензора проницаемости могут быть найдены непосредственно возбуждением компонент, поляризованных по кругу в отдельности, и измерением свойств каждой из них. Типичная схема [156], изображенная на рис. 8.16, по существу представляет собой сбалансированный мост, в котором для поддержания нуля на выходе фазовые изменения и общие потери компенсируются с помощью откалиброванных приборов. Чтобы уменьшить

эффекты, обусловленные нестабильностью частоты генератора, электрические длины двух плеч делаются как можно более одинаковыми.

Рис. 8. 15. Добротность в зависимости от состава феррита.

Частота Ферритовый стержень диаметром и длиной помещался в волновод диаметром (См. [217].)

Круглый волновод, снабженный двумя четвертьволновыми пластинами, возбуждается прямоугольным волноводом с помощью плавных переходов. Положительную круговую поляризацию можно изменить на отрицательную путем перестановки этих пластин или, что болёе удобно, изменением направления тока в соленоиде на обратное. Сигнал, отраженный ферритом, поворачивается входной пластиной на 90°, и его амплитуда таким образом, может быть измерена детектором, расположенным в перпендикулярном плече входного возбудителя. Фарадеевское вращение, вычисленное на основе отдельных фазовых сдвигов, измеренных этим устройством, согласуется с точностью до 1% со значением, полученным в экспериментах с линейной поляризацией.

Рис. 8. 16. Мостовая схема для измерений с волнами, поляризованными по кругу.

На рис. 8.17 приведены результаты измерений [156] фазового сдвига обоих компонент и вносимых потерь положительной составляющей только для ферритов феррокскуб-В на частоте

Следует отметить, что волны с положительной и отрицательной круговой поляризацией имеют фазовые сдвиги разных знаков.

Подобные эксперименты [84] на частоте использующие ферритовые пластины толщиной дали возможность оценить диэлектрическую постоянную; опыты с намагниченными стержнями, радиус которых был равен 0,1 радиуса волновода, позволили определить тензор проницаемости. Компоненты тензора были также измерены [245] на частоте для марганцево-магниевого феррита марки феррамик при использовании стержней тех же размеров. В этом случае фазовый сдвиг измерялся с помощью сложной гетеродинной схемы. Сдвиг фазы и затухание волн с круговой поляризацией на частоте были определены [308, 309] для образцов длиной и диаметром никелево-цинковый феррит марки феррамик-D обеспечил наименьшие потери и имел добротность около 60.

Рис. 8. 17. Свойства типичных ферритов для воли, поляризованных по кругу. Фазовый сдвиг изображен для обоих направлений круговой поляризации. Для отрицательной компоненты вносимые потери не зависели от приложенного поля.

Высокочастотное магнитное поле может быть во много раз увеличено при помощи резонатора бегущей волны [24]. Как показано на рис. 8.18, резонатор состоит из волноводной петли, концы которой соединены вместе, образуя при этом кольцо. Возбуждение при помощи направленного ответвителя создает волну, распространяющуюся при соответствующих фазовых условиях в одном направлении; накопление энергии происходит внутри кольца.

Ферритовый образец вводится в кольцо, теория которого была разработана как для взаимных [336, 400], так и для невзаимных [399] условий. Потери и фазовый сдвиг, обусловленный образцом, могут быть измерены с помощью откалиброванных приборов, введенных в кольцо; кроме того, в указанном устройстве дополнительный направленный ответвитель позволяет произвести

измерение поля в кольце. Условие резонанса достигается при регулировке частоты генератора.

Кольцо может быть целиком изготовлено из прямоугольного волновода; при желании вферритовой секции посредством четвертьволновых пластин можно получить бегущие волны с круговой поляризацией.

Рис. 8.18. Резонатор бегущей волны, поляризованной по кругу, для измерений на ферритах. (См. [24].)

Рис. 8.19. Дифференциальный фазовый сдвиг с асимметрично расположенной ферритовой пластиной. Частота Намагниченность феррита а — фазовый сдвиг в зависимости от расположения пластины; б - фазовый сдвиг в зависимости от толщины пластины. (См. [206].)

Техника измерений аналогична применяемой в обычных мостовых схемах.

В случаях, когда поле прикладывается в поперечном направлении, измерения обычно выполняются [74, 166, 305] на прямоугольных волноводах с видом колебаний

Эксперименты [332] при частотах с материалами феррамик и феррокскуб проводились на пластинах толщиной помещенных внутри волновода сечением в положении круговой поляризации. Диэлектрические потери в общем были малы, но большинство ферритов имело значительные потери в области слабых полей; при резонансе отношение потерь обратной и прямой волн было около 20. С увеличением температуры максимальные обратные потери и резонансное значение поля уменьшались. Исходя из различных результатов были получены численные значения эффективной намагниченности насыщения и постоянной затухания с использованием теории тонких пластин.

На рис. 8.19, а показан дифференциальный фазовый сдвиг поперечно намагниченного феррита в зависимости от положения пластины при нескольких значениях ее толщины, а на рис. 8.19, б изображен максимальный дифференциальный фазовый сдвиг в зависимости от толщины пластины; пунктирной линией показана зависимость, следующая из приближения к тонкой пластине.