8.6.2. Устройства с поперечным полем

Поперечно намагниченные ферриты могут использоваться [409, 437] для создания взаимных и невзаимных устройств. Эффекты смещения поля дают возможность получить [94, 134, 460, 516] невзаимное затухание в устройстве, изображенном на вставке рис. 8.25, а.

Рис. 8. 25. Эффект смещения поля ферритами. На вставке изображено устройство с поперечно-намагниченным ферритом. Материалом служит феррамик-J, , длина равна электрическое поле для обратной волны; электрическое поле для прямой волны; а — отношение обратных потерь к прямым; б - обратиые и прямые потери. (См. [ [34].)

Анализ [459] вентиля с ферритом высотой на полную высоту волновода показал, что для того, чтобы для прямой волны на поверхности феррита выполнялись условия нулевого электрического поля, требуется

На практике лучшее согласование сопротивлений получается при меньшей высоте феррита. Нулевое электрическое поле теперь сохраняется лишь в области около вертикального центра пластины, поэтому поглощающая пленка помещается именно в этой области. Кривые, изображенные на рис. 8.25, а и б, дают характеристики вентиля на частоте Устройства были промоделированы [461] для рабочих частот Макет [457] с двумя пластинами для частоты обладал более широкополосными

характеристиками. При использовании гребневых волноводов [149] рабочая ширина полосы увеличивается.

Фазовые сдвиги, возникающие в структурах с поперечными полями, могут быть взаимными и невзаимными [410, 464]. Присутствие намагниченного феррита в круглом волноводе снимает вырождение взаимно ортогональных колебаний вида Теперь они имеют различные фазовые скорости, так что устройство обладает свойством двойного лучепреломления [407]. Фазовый сдвиг становится значительным при слабых полях, если использовать две пластины, намагниченные в противоположных направлениях; в то же время нежелательное диэлектрическое двойное лучепреломление устраняется, когда применяются [134] четыре ферритовые пластины, как показано на рис. 8.26, а.

Рис. 8. 23. Ферритовые структуры с двойным лучепреломлением: а — ферритовые пластины имеют проницаемость меньше единицы для поляризации распространяющейся За плоскость рисунка; -все четыре ферритовые пластины имеют проницаемость меньше единицы для поляризации распространяющейся За плоскость рисунка. (См. [134].)

Для волны с электрическим полем, поляризованным по оси ферритовые пластины имеют относительную проницаемость меньше единицы, тогда как пластины не оказывают никакого действия. В свою очередь, для волны с электрическим полем проницаемость пластин превышает единицу; а пластины не оказывают никакого действия. Таким образом, фазовая скорость для волны больше, а фазовая скорость для волны меньше, чем для ненамагниченных ферритовых пластин. Для обратного направления распространения поляризации волн с большей и меньшей фазовыми скоростями поменяются местами. Другое возможное устройство изображено на рис. 8.26, б.

Если объединить устройства, показанные на рис. 8.26, а и б, то феррит будет образовывать трубку, соприкасающуюся с волноводными стенками и возбуждающуюся четырехполюсной магнитной системой. Наряду с другими структурами в круглом волноводе,

обладающими свойством двойного лучепреломления, такое устройство рассматривалось как дифференциальный фазовращатель. Полуволновая пластина, требующая внешнее магнитное поле в обладает [181] потерями на преобразование не более 3 дб в полосе частот Такая система имеет удачную конфигурацию магнитных силовых линий и хороший теплоотвод; она полезна в фазовращателях с непрерывным изменением фазы. Другим возможным устройством может быть круглый волновод, нагруженный ферритом, который действует [307] как полуволновая пластина для одного направления распространения и как четвертьволновая — для другого.

Рис. 8. 27. Циркулятор типа направленного ответвителя. Этот узел использует два направленных фазовращателя на 90° и один взаимный фазовращатель на 90°. Для связи служат 5 отверстий с затуханием 3 дб. (См. [134].)

В некоторых фазовращателях были использованы [164, 179, 333 , 353, 531] поперечно намагниченные ферритовые пластины, расположенные в прямоугольном волноводе асимметрично. Для получения максимального дифференциального фазового сдвига эти пластины должны располагаться так, чтобы поле внутри них было поляризовано по кругу. Такое положение феррита зависит от его формы, но для стержней или тонких пластин расстояние феррита от боковой стенки равно четверти ширины волновода.

Один из методов обеспечения широкополосности [458] заключается в использовании двух ферритовых вставок, расположенных по обе стороны от центра волновода. Меняя какие-либо магнитные или геометрические параметры, можно добиться того, чтобы изменения дифференциального фазового сдвига с частотой в двух пластинах компенсировали друг друга.

Если толщина, длина и намагниченность пластины выбраны так, что дифференциальный фазовый сдвиг равен 180°, устройство удовлетворяет требованиям гиратора [74]. Такие узлы были выполнены, например, для частоты с фазовым сдвигом между 170 и 190° в -ной полосе частот. Подобным образом можно получить невзаимный фазовый сдвиг, равный 90°. На рис. 8.27 изображены два таких устройства, которые в соединении с взаимным фазовращателем на 90° и двумя щелевыми мостами обеспечивают [134] фазовые сдвиги, необходимые для работы циркулятора. Ширину полосы можно увеличить, используя распределенную взаимную связь между волноводами, имеющими невзаимные фазовые постоянные.

Четырехплечий циркулятор в полосе получается при использовании [13] двойниковой невзаимной фазосдвигающей

секция между сложенным Т-образным гибридным соединением и щелевым мостом. Конфигурация феррита, в качестве которого служил марганцево-магниевый алюминат, была такова, что добротность фазовращателя достигала 900 град/дб. Для того чтобы избежать потерь при слабых полях, частота при которой работает этот феррит, должна лежать выше резонанса [12, 13], поэтому предпочтительны такие материалы, как иттриево-железный гранат.

Направленный ответвитель с полной связью составляет основу четырехплечего циркулятора со смещением поля, изображенного на рис. 8.28, а. Единственной компонентой поля, которая связывает волноводы, является продольная составляющая высокочастотного магнитного поля.

Рис. 8. 28. Циркуляторы со смещением поля: а — четырехплечий; б — трехплечий. (См. [134].)

Для волны, распространяющейся в направлении от плеча 4 к 1, указанное поле в положении слева от центра волновода равно нулю, и ряд отверстий, расположенных в этой нулевой зоне, не связывает волноводы. Волна, распространяющаяся от плеча 1 к 4, полностью передается во вспомогательный волновод и излучается из плеча 2 и т. д. В результате получается схема циркулятора.

Трехплечий вариант устройства изображен на рис. щель здесь расположена так, чтобы отсутствовала связь с плечом 3 при вхождении волны в плечо 1. Однако волна, входящая в плечо 2, полностью связана с выходом 5 и т. д. Другие конструкции [71] циркулятора включают устройства для миллиметровых волн [396]. Х-образный циркулятор состоит из четырехплечего соединения с поперечно намагниченным ферритовым стержнем, расположенным в его центре; такие устройства просты по конструкции, имеют малый объем и легки по весу. Были разработаны как Н-плоскостные, так и Я-плоскостные варианты [480, 482]; в полосе развязка и прямые потери обычно лучше 25 и 0,4 дб соответственно.

В трехплечих циркуляторах, использующих аналогичные принципы, можно применять Т- или Y-образные соединения в волноводе [481] или в коаксиальной линии [510].