8.5. РЕЗОНАНСНЫЕ ВЕНТИЛИ

В вентилях резонансного типа используется [367, 377, 487, 526] невзаимное затухание в волноводе, нагруженном ферритом. Если ферритовый стержень продольно намагничен до значения, обеспечивающего резонанс, то поглощение велико для положительно вращающейся волны и мало для волны с отрицательным направлением вращения. Примером эффективного вентиля может служить круглый волновод, содержащий феррит и имеющий на обоих концах четвертьволновые пластины. Входная и выходная волны линейно поляризованы. При желании можно установить переходные секции от круглого к прямоугольному волноводу. Резонансные вентили обычно характеризуются отношением потерь, вносимых обратной и прямой волнами; для данного феррита и геометрии это отношение является постоянным и не зависит от длины стержня.

Отношение дается выражением [201]

Простейший и наиболее распространенный вентиль резонансного типа состоит из прямоугольного волновода с колебаниями вида внутри которого соответствующим образом расположена тонкая поперечно намагниченная ферритовая пластина. Максимальное отношение обратных потерь к прямым зависит для данного материала от толщины пластины; экспериментальные данные показывают, что для марганцево-магниевого феррита на частоте наилучшие результаты получаются при отношении толщины пластины и ширины волновода, приблизительно равном 0,05. Отношение потерь обычно достигает максимума, если подобрать магнитное поле так, чтобы обратные потери были наибольшими.

Уменьшение высоты ферритовой пластины по сравнению с высотой узкой стенки волновода улучшает отношение потерь. Это указывает [134] на важную роль диэлектрических явлений, так как с уменьшением высоты ток смещения через феррит должен снижаться гораздо быстрее, чем взаимодействие феррита с магнитным полем.

В одном из таких вентилей используется [88] ферритовая пластина, расположенная против широкой стенки волновода и занимающая 12% его высоты. При отношении толщины пластины к ширине волновода, равном 0,02, было получено отношение обратных потерь к прямым больше чем 50.

Рис. 8.20. Характеристика резонансного вентиля. Ферритом служит материал с высокой намагниченностью насыщения Отношение обратных потерь к прямым при резонансе больше 120. (См. [133].)

Благодаря тепловому контакту феррита со стенками волновода устройство могло рассеивать среднюю мощность около без принудительного охлаждения, не обнаруживая при этом значительного изменения свойств. Улучшение характеристик может быть достигнуто применением более длинных пластин, но из-за уменьшения эффективности магнитной цепи в этом случае требуется более сильный магнит.

Необходимую длину феррита можно уменьшить 1518], если рядом с ним поместить материал с высокой диэлектрической постоянной, чтобы сконцентрировать высокочастотную энергию. В то же время использование феррита с высокой намагниченностью насыщения уменьшает необходимую величину магнитного поля. Такой усовершенствованный вентиль [133, 466] изображен вместе со своими характеристиками на рис. 8.20.

В одной новой конструкции резонансного вентиля [119] вместо магнита используются близко расположенные кольца из мягкого феррита с прямоугольной кривой намагничивания, охватывающие спиральную линию передачи. Высокочастотное магнитное поле вне спирали в основном поляризовано по кругу в плоскости,

проходящей через ось спирали. Поскольку направление намагничивания феррита перпендикулярно этой плоскости, возникают условия невзаимного затухания.

Хотя вентили резонансного типа были сконструированы [196, 534] на миллиметровых волнах, диапазон их применения, ограничиваемый размером и весом магнита, лежит, вероятно, в области частот до Такие вентили особенно удобны на более низких частотах, хотя несколько вентилей было разработано [70, 102, 118, 183, 238] для применения на частотах При использовании видоизмененной диэлектрической нагрузки на частоте было получено [161] отношение, равное 15. Составлены [11] номограммы для расчета вентилей.

Влияние изменений намагниченности насыщения [114, 471], вызываемых колебаниями температуры окружающей среды, на характеристики резонансных вентилей может быть ослаблено соответствующим выбором формы ферритов. Фактор размагничивания вдоль оси волновода обычно мал, и с помощью совместного подбора двух других факторов сдвиг резонансной частоты можно свести к минимуму [232]. Например, феррит с намагниченностью насыщения используемый на частоте имеет значение равное 2,0. Оптимальное поперечное сечение имеет размер, перпендикулярный к приложенному полю, равный 0,415 от размера, параллельного полю; при этом из уравнения (8.11) следует, что приложенное поле равно

Если повышение температуры обусловлено поглощением мощности прямой или обратной волны, то необходимо рассмотреть дополнительные факторы. Обычно ферритовая пластина находится в тепловом контакте со стенкой волновода, и выделенное тепло, протекающее через материал, устанавливает некоторый температурный градиент. Было показано [369], что при больших прикладываемых мощностях может возникать тепловая нестабильность. В типичном марганцево-магниевом феррите на частоте при возрастании средней мощности от 95 до происходило изменение обратных потерь от 7,5 до 3,4 дб. В этом же материале наблюдалось ослабление основного резонанса, вызываемое нелинейными эффектами при пиковых мощностях, превышающих

Применение никелево-цинкового феррита с принудительным воздушным охлаждением обеспечивает возможность работы вентиля с пиковой мощностью при средней мощности В вентиле для больших мощностей, разработанном [321] для частоты использован никелево-кобальтовый феррит.

Рабочая ширина полосы резонансных вентилей зависит от геометрии устройства и ширины линии феррита [320], таким образом, при использовании неоднородного магнитного поля она может увеличиться. В одном новом широкополосном вентиле [1161 применяли четыре ферритовые пластины, их намагниченность насыщения выбиралась так, чтобы при поле получить резонансные частоты 8,4, 9,0, 11,5 и Кроме того, каждый феррит

был помещен на широкой стенке волновода в такой плоскости, где на его частной резонансной частоте имелась чисто круговая поляризация. Обратные потери вентиля в диапазоне превышали 10 дб, в то Бремя как прямые потерн были ниже 0,8 дб. При использовании этого устройства в сочетании с нагрузкой, имеющей КСВН, равный 3, можно было без принудительного охлаждения управлять мощностью, пиковое значение которой достигало а среднее Были созданы также резонансные, вентили на гребневых волноводах [74, 149].

Рис. 8. 21. Конфигурации ферритов, используемые в коаксиальных линиях с колебаниями типа а и взаимные устройства с продольным полем; в и невзаимиые устройства с поперечным полем. (См. [129 и 62].)

В коаксиальных и плоскопараллельных линиях, где распространяются колебания типа ТЕМ, высокочастотное магнитное поле линейно поляризовано во всех точках и все ферритовые эффекты обычно взаимны.

Для частоты [129] были разработаны модуляторы на коаксиальных линиях. Они основаны на ферримагнитном резонансе продольно намагниченной ферритовой втулки, расположенной так, как показано на рис. 8.21, а.

Для полосы частот разработана другая конструкция аттенюатора, использующая феррит как часть 50-омной коаксиальной линии [62] (рис. 8.21, б). Продольное магнитное поле при этом создается соленоидом.

На частоте прямые и обратные потери были соответственно 1,5 и 50 дб.

Невзаимные свойства могут проявляться в коаксиальной линии с поперечным сечением, частично заполненным [113, 117, 325] диэлектриком, который служит для искажения структуры поля и образования почти чисто круговой поляризации на границе раздела между воздухом и диэлектриком. Наилучшая степень круговой поляризации получается, как показано на рис. 8.21, в, в точках на поверхности диэлектрика. Направление поляризации в этих точках одинаково, и, таким образом, они являются наилучшим местом расположения ферритовых стержней в поперечном поле. Сконструированный на этих принципах вентиль, использующий никелево-цинковый феррит, имел обратные потери более 10,5 дб в полосе при вносимых потерях 0,8 дб. Наилучшие характеристики получаются при использовании [2421

иттриево-железного граната; один такой вентиль обладал [136] обратными потерями в 40 дб на средней частоте.

Изменение полного и дифференциального фазового сдвига в зависимости от диэлектрического угла потерь, площади поперечного сечения и напряженности магнитного поля хорошо согласуется [509] с вычисленными значениями [66].

На рис. направление вращения круговой поляризации на поверхности 1 идентично направлению вращения на поверхности 2 и противоположно направлениям вращения в плоскостях 3 и 4, как и в прямоугольном волноводе.