8.6. УСТРОЙСТВА, РАБОТАЮЩИЕ СО СЛАБЫМИ ПОЛЯМИ

8.6.1. Устройства с фарадеевским вращением

Во избежание магнитного поглощения устройства [297] с фарадеевским вращением должны работать в области полей, далекой от резонанса. На низких частотах это условие трудно обеспечить, так как ферромагнитный резонанс может существовать, когда феррит еще ненасыщен.

Рис. 8.22. Изолятор с фарадеевским вращением на частоте 35 Ггц.

Хотя об устройствах [135], работающих выше резонанса на частоте уже сообщалось, обычно практически выбирают материал с достаточно низкой намагниченностью, так чтобы можно было работать ниже насыщения без чрезмерных потерь в области слабых полей.

Было установлено 1370], что вентили, основанные на фарадеевском вращении, пригодны для миллиметровой области; типичный вентиль на частоте изображен на рис. 8.22. Энергия отраженной или обратной волн затухает в поглощающей пластине; скрученная секция с углом 45° устанавливается для согласования входной и выходной секций, включающих плавные переходы от прямоугольного волновода к круглому. Постоянный магнит может передвигаться в небольших пределах вдоль оси, так что вращение, создаваемое ферритом, на месте можно регулировать;

для получения максимальных обратных потерь угол вращения должен быть равным точно 45°. Ферриты, используемые в таких вентилях, должны обладать низкими вносимыми потерями и большим коэффициентом эллиптичности; гистерезис при этом не является помехой. В приведенном примере марганцево-магниевый феррит во внешнем поле обеспечивал прямые и обратные потери, соответственно равные 0,5 и 30 дб.

Другое устройство, изображенное на рис. 8.23, используег на входе гибридное соединение в круглом волноводе. Энергия, поступающая в плечо 1, излучается через плечо 2, а энергия, поступающая в плечо 2, излучается из плеча 3.

Рис. 8. 23, Изолятор на фарадеевском вращении для больших мощностей. Энергия, поступающая в плечо излучается через плечо 2, а энергия, поступающая в плечо 2, излучается через плечо 3.

Чтобы поглотить энергию обратной волны, можно использовать согласованную нагрузку с большим рассеянием. Это даст возможность устройству работать при больших мощностях сверхвысоких частот.

В вентиле [501] для частот около ферритовые пластины размещались против четырех сторон восьмиугольного волновода, где возбуждалась волна с круговой поляризацией; при мощности вносимые потери составили 0,5 дб.

Ширину полосы вентилей с фарадеевским вращением можно увеличить, снижая предельную частоту по сравнению с рабочей частотой. Это условие выполняется при заполнении волновода диэлектриком; в этом случае необходимо предусмотреть подавление высших видов колебаний.

Применяя [75] четерехгребневый волновод, можно понизить предельную частоту для колебаний основного вида. Волновод Диаметром снабженный гребнями высотой и шириной позволяет получить устройство, создающее поворот на угол 90° с точностью 2% в полосе частот

В широкополосном вентиле, использующем свойство различной концентрации энергии для положительной и отрицательной круговых поляризаций, применен [427, 428] стержень из феррита (феррамнк R-1), покрытый аквадагом. В диапазоне обратные потери были больше 30 дб при вносимых потерях ниже 3 дб.

Другой метод создания широкополосных устройств основан [218] на использовании двух ферритовых стержней, намагниченных в противоположных направлениях. Изменения с частотой фарадеевского вращения в обоих ферритах могут быть скомпенснрованы либо путем подбора двух ферритов с различными намагниченностями, либо применением стержней с различными диаметрами. Использование этого метода при стержнях из феррамика позволило получить ширину полосы в 12%.

С помощью прямоугольного волновода, скрученного на 90°, были получены [28] широкополосные невзаимные характеристики на частоте

Изменение добротности с увеличением температуры [115] зависит от того, что падает быстрее: вносимые потери, связанные с анизотропией, или фарадеевское вращение, связанное с намагниченностью насыщения. Было замечено [133, 134], что добротность одних ферритов с возрастанием температуры улучшается, а других — падает. Поскольку свойства феррита могут сильно меняться с температурой, в вентилях, применяемых для высоких мощностей, необходимо обеспечить возможность работы в широком интервале температур [386].

Область частот и температур, в которой имеется удовлетворительная развязка, можно расширить, используя несколько вентилей, соединенных каскадно.

Отдельные ферритовые вставки, разделенные поглотителями поперечной поляризации, размещаются в одном круглом волноводе. Для N вставок обратные потери увеличиваются в N раз. Прямые потери возрастают во столько же раз, но для хороших материалов это может быть еще приемлемым. Например, вентиль такого типа из двух секций обладал обратными потерями 53 дб и прямыми 0,25 дб [134]. Другой метод обеспечения широкополосности заключается в том, что каждая секция вентиля создает вращение точно 45° при N различных значениях частот или температур в желаемом рабочем диапазоне.

Переменный аттенюатор, использующий эффект Фарадея, состоит [33, 127 , 239] из вращательного элемента в круглом волноводе с входными и выходными поглощающими пластинами, расположенными под углом 90°. При наложении магнитного поля вносимые потери снижаются до минимума, который наступает, когда угол вращения равен 90°. Если минимальные потери требуется получить в невозбужденном состоянии, пластины должны быть расположены параллельно друг другу. Для связи с прямоугольным волноводом на входе и выходе можно использовать плавные или ступенчатые переходы. Такой аттенюатор обеспечивает полезное

затухание до 30 дб, однако характеристика его зависит от гистерезиса и коэффициента эллиптичности феррита.

В другом аттенюаторе [231] пспользуется эффект смещения поля; аттенюатор состоит из ферритовой трубки, заполненной графитовым порошком. Когда феррит намагничен, концентрация энергии в графите приводит к сильному затуханию отрицательной круговой волны. Динамический диапазон устройства достаточно широк; при использовании с никелево-цинковой ферритовой трубкой на частоте максимальное и минимальное затухания составляют соответственно 5 и 45 дб [85].

Рис. 8. 24. Аттенюатор-изолятор, использующий фарадеевское вращение: а — общий вид устройства; характеристика на суммарное затухание прямой и обратной волны;---затухание лишь прямой волны. (См. [200].)

Аттенюатор-вентиль, управляемый по току (рис. 8.24, а), наряду с некоторыми изолирующими свойствами создает переменное затухание для сигналов сверхвысоких частот, распространяющихся в одном направлении [200].

Если — угол между входным и выходным волноводами, то прямые потери, выраженные в децибелах, составят

тогда как обратные потери будут

Общие потери для сигнала, проходящего устройство дважды, по одному разу в каждом направлении, даются формулой

Эта теоретическая характеристика для показана на рис. 8.24, б. При изменении 0 от до — 30° прямые потери возрастают от 0,3 дб до бесконечности; с другой стороны, общие

потери всегда превышают 12 дб. Указанная характеристика подтвердилась измерениями на частоте с марганцево-магниевым ферритом длиной и диаметром

Из рис. 8.17 следует, что продольно намагниченный ферритовый стержень, помещенный в круглом волноводе, действует на волны с круговой поляризацией как фазовращатель [72]. На практике для того чтобы связать устройство с системами, имеющими линейную поляризацию, следует на входе и выходе помещать четвертьволновые пластины. Фазовый сдвиг удваивается, если вторую пластину заменить [314] коротким замыканием. Отраженная волна испытывает второй фазовый сдвиг того же знака, что и прямая, и в конце концов она выходит из входной четвертьволновой пластины с плоскостью поляризации, перпендикулярной плоскости поляризации падающей волны. Прямые и обратные волны можно разделить с помощью круглого гибридного соединения.

Указанное устройство, как и то, из которого оно было получено, невзаимно в том смысле, что при одном направлении распространения происходит опережение по фазе, а при другом — отставание. Для двух направлений поляризации фазовый сдвиг в феррите различен, и для линейно-поляризованной волны имеется чистый взаимный фазовый сдвиг, сопровождаемый, конечно, невзаимным вращением. Этот эффект был использован [314] при создании взаимного фазовращателя с применением двух подмагничивающих катушек, намотанных так, чтобы общее вращение было равно нулю, а фазовый сдвиг удваивался.

Фазовращатель Реджиа — Спенсера [87, 294] состоит из прямоугольного волновода, внутри которого помещен цилиндрический ферритовый стержень, а магнитное поле прикладывается в продольном направлении.

Механизм действия устройства поясняется в работах [90, 298, 462], где указывается на то, что линейно-поляризованная волна, входящая в феррит, поворачивается по часовой стрелке на 45°. Затем волна может быть разложена на две составляющие, распространяющиеся с различными фазовыми скоростями. В конце концов на выходе получается волна с круговой поляризацией, имеющая фазовый сдвиг, пропорциональный приложенному магнитному полю. Благодаря концентрации энергии волна не соприкасается со стенками волновода и остается, таким образом, поляризованной по кругу до тех пор, пока не достигнет выхода, где она вновь превращается в линейно-поляризованную волну. Метод, использовавшийся на 9,1 гц, был распространен на 24 гц [522] и 35 гц [523], при этом достигнуты добротности вплоть до Одна из разновидностей гиратора получается в том случае, если фазовый сдвиг равен нулю в прямом направлении и в обратном направлении.

Гиратор был впервые осуществлен [165] в виде конструкции, показанной на рис. 8.14; фарадеевское вращение было равно 90°, причем входная и выходная секции устанавливались параллельно

друг другу. Обычно поглощающие пластины, показанныена рис. 8.22, в устройство можно не вводить, однако необходимо, чтобы фарадеевское и механическое вращения можно было регулировать до 90°. В отношении температурной и частотной шпрокополосностн справедливы замечания, сделанные при рассмотрении вентилей, когда были даны [168, 303, 412] описания практических гираторов.

Основная конструкция циркулятора, оппсанная Хоганом [165], состоит из двух гибридных схем, соединенных друг с другом через главные плечи; в одном из соединительных волноводов содержится гиратор. Легко можно показать, что энергия, входящая и выходящая из четырех плеч, будет распространяться по путям, указанным на рис. 8.11, в. Циркулятор с фарадеевским вращением [525] состоит из элемента, вращающего на 45°, и двух круговых гибридных соединений, выровненных при 45° (рис. 8.14). Входная волна вида возбуждает в круглом волноводе плеча А линейно-поляризованную волну которая поворачивается на 45°, чтобы возбудить волну в плече С. Аналогично волна на входе плеча С возбуждает волну на выходе плеча В и т. д.

Возможны также и другие конфигурации. Например, были сконструированы циркуляторы с фарадеевским вращением, ватно-водно-коаксиальными [144] выводами и окружающими турникетнымй соединениями [5]. Характеристика широкополосного циркулятора с фарадеевским вращением может ухудшиться из-за вносимых потерь и утечки между соседними и чередующимися плечами, обусловленных соответственно изменением вращения с частотой и отражением от ферритовых элементов. Вращение можно сделать почти независимым от частоты, если предотвратить концентрацию энергии в феррите, покрывая стенки волновода слоем диэлектрика [213]. Переходы от прямоугольного волновода к круглому должны быть широкополосными; желательно также, чтобы они имели фильтры видов колебаний, выполненные из штырей или пластин.

На основе указанных принципов был сконструирован циркулятор [256] для диапазона частот 10,7 — 11,7 Ггц, который обладал минимальными обратными потерями 30 дб в каждом плече при минимальной развязке между непередающими плечами 30 дб и вносимыми потерями между передающими плечами 0,35 дб.

Анализ [65] показывает, что коаксиальная линия, соответствующим образом нагруженная диэлектриком и ферритом, может обеспечить невзаимный фазовый сдвиг на частоте подобные вычисления можно распространить [53] на устройство для частоты При анализе -проводной системы с симметрией вращения, окружающей ферритовый стержень [54], было показано, что в подобных структурах с колебаниями вида ТЕМ может иметь место фарадеевское вращение.

Для любого собственного вида колебаний каждый провод не отличается от других по амплитуде возбуждения, но может

различаться по фазе. Виды волн поэтому поляризованы по кругу и вследствие симметрии существуют при обоих направлениях вращения. В частности, для четырехпроводной системы параметры феррита могут быть подобраны так, чтобы создавать поворот 90° (при этом получается гиратор). В свою очередь, в восьмипроводной системе их можно подобрать так, что поворот составит 45° (при этом получается циркулятор). Параллельное расположение [171] двух проводов и феррнтового стержня внутри заземленного внешнего экрана может вести себя как гиратор, вентиль, переключатель или модуляр с шириной полосы, ограничиваемой лишь шириной полосы ферритового материала.