8.3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ В НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМАХ

8.3.1. Круглый волновод

На распространение электромагнитных волн в ферритовой среде значительное влияние оказывают граничные условия [142, 143, 158, 434].

Глубокий анализ [76, 77, 78, 379] постоянных распространения передающих линий, полностью заполненных ферритами, охватил плоскопараллельные системы [379, 416, 488] и волноводы с круглым [176, 177, 178, 280, 449, 450], эллиптическим [195], квадратным [497] и прямоугольным [30, 77, 214, 337, 416] поперечными сечениями. Структуры полей в таких системах усложняются тем, что в них могут распространяться волны, отличные от вида ТЕ.

Благодаря нулевой [112] и отрицательной [397] проницаемостям, могут появляться аномальные характеристики [327, 351], связанные с некоторыми видами волн. Это приводит к возможности распространения волн в волноводах исчезающе малого поперечного сечения [234, 235, 327] или к появлению высших видов в одноволновых волноводах. Несмотря на то, что эксперименты [84, 165, 300] проводились с полностью заполненными волноводами, основное внимание обращалось на практически важный случай частичного заполнения.

Наиболее часто встречаются и практически используются волны в круглом и в прямоугольном волноводах. Распределение поля в круглом волноводе с поперечно приложенным магнитным полем изображено на рис. 8.8. Если радиус феррита мал, структура высокочастотного поля не искажается. В поперечном сечении, изображенном на рис. 8.8, магнитное поле оказывается линейно-поляризованным на оси волновода; по обе стороны от оси магнитное поле поляризовано по эллипсу с противоположными направлениями вращения на каждой стороне.

Учитывая уравнение (8.19) и вводя индексы эффективную относительную проницаемость, определяемую равенством (8.25), можно записать в виде

Так как при малых намагниченностях увеличение сопровождается уменьшением и наоборот, то в первом приближении фаза не меняется. По мере тою, как внешнее магнитное поле возрастает, появляется взаимный фазовый сдвиг. Поскольку изменение намагниченности не влияет на падающую волну, поляризованную таким образом, что ее высокочастотное магнитное поле параллельно постоянному полю, рассматриваемая система обладает свойством двойного лучепреломления [181].

В круглом волноводе, содержащем продольно намагниченный ферритовый образец, наблюдается [220 , 241, 378 , 514] заметное фарадеевское вращение.

Рис. 8. 8. Структура поля в системе с поперечно намагниченным ферритовым стержнем. Высокочастотное магнитное поле изображено пунктирными линиями. В системе распространяются колебания в направлении слева направо.

Хотя для такого волновода, содержащего ферритовый стержень произвольных радиуса и намагниченности, было получено [178, 414, 416, 419] трансцендентное характеристическое уравнение, известное число общих решений весьма невелико [442, 443]. Небольшие изменения постоянной распространения, вызванные введением аксиально расположенного намагниченного стержня малых размеров, были проанализированы с помощью первого приближения [416] характеристического уравнения и общей формулы возмущения [254, 379]. Эти и другие формулы подтвердились экспериментально [84, 243, 335, 403, 446].

Распределение энергии по поперечному сечению волновода, содержащего ферритовый стержень на фиксированной частоте, зависит [85, 231] от магнитной проницаемости и диэлектрической постоянной материала, а также от отношения радиусов стержня И волновода. В случае нулевой намагниченности распределение одинаково для обоих направлений вращения круговой поляризации. По мере того как намагниченность увеличивается, концентрация энергии в феррите возрастает для волны с круговой поляризацией

отрицательного вращения и уменьшается для волны положительного вращения. Таким образом, коэффициент фазового сдвига для первой волны стремится увеличиться в отличие от коэффициента фазового сдвига для второй волны.

При наличии потерь в феррите коэффициент поглощения имеет большую величину для волны с отрицательным направлением вращения поляризации. Это может привести к тому, что падающая линейно-поляризованная волна приобретает эллиптическую или даже круговую поляризацию.

В ферритовых стержнях могут распространяться волны и в обратном направлении [495]. Характеристики ферритовых устройств по отношению к фазовому сдвигу и фарадеевскому вращению можно выразить через показатель качества (добротность), определяемого [207] как отношение фазового сдвига (угла вращения в градусах) к величине потерь прямой волны в децибелах.

Было показано [134], что относительно магнитных потерь в волноводе диаметром добротность почти не зависит от отношения радиусов феррита и волновода. В то же время добротность по электрическим потерям имеет максимум при отношении радиусов, близком к величине 0,12.

Высокая диэлектрическая постоянная ферритовых материалов приводит к уменьшению характеристического сопротивления волновода, и для того чтобы избежать отражения энергии, требуется тщательное согласование. Более того, количество отраженной энергии и фазовая длина феррита различны для двух противоположных направлений вращения поляризации, поэтому коэффициент эллиптичности передаваемой волны может иметь нерегулярную зависимость от размеров и намагниченности феррита.

Вследствие того, что энергия волны с положительным вращением поляризации в основном сосредоточена вне ферритового стержня и высшие виды волны быстро затухают, обычно достаточно [231] осуществить согласование лишь для волны с отрицательным вращением поляризации.