где S'21 и S"21 – элементы матрицы выключателя при двух состояниях коммутационного элемента,

индексы "з" и "п" указывают на состояние запирания ( S'21 <<1) и пропускания ( S"21≈1). Ослабления Lз и Lп являются зависимыми величинами – между ними существует связь

	(	Lз −1)/(	Lп −1)=K .			(5.1)
а)	б)			в)
		(r,Кг)				βl
	(r,Кг)				C	zв
				(r,Кг)		K0
		Рис. 5.17		Рис. 5.17

Таким образом, параметр качества K коммутационного элемента действительно определяет достижимые характеристики выключателя. Лишь одна из величин Lз или Lп при расчете выключателя может быть задана произвольно, а вторая связана с первой соотношением (5.1). Значения Lз и Lп можно изменять путем подбора величины r. Например, выключатель может управлять максимальной СВЧ-мощностью, если в каждом из двух рабочих состояний будут одинаковы омические мощности потерь в коммутационном элементе. Можно показать, что это требование будет удовле-

творено при r =1/2 K и вносимые ослабления оптимизированного таким образом выключателя составят:

Lз = (1+ K )2; Lп =(1+1/ K )2.

При K=103 Lз =30,3 дБ и Lп = 0,27 дБ. Величины ослабления для выключателя, выполненного по последовательной схеме, аналогичны.

Электрические параметры СВЧ-выключателей (вносимые ослабления в двух состояниях и допустимая мощность) могут быть улучшены при использовании более сложных схем, содержащих несколько коммутационных элементов с их разносом вдоль линии передачи. Диодные выключатели успешно применяются в схемах переключателей «прием–передача» вместо газовых разрядников или в сочетании с ними.

6.ФЕРРИТОВЫЕ УСТРОЙСТВА СВЧ

6.1.Классификация ферритовых устройств

Устройства с ферритами можно разделить на две группы. В первую входят невзаимные устройства (вентили, гираторы и циркуляторы).

Вентиль – четырехполюсное устройство, пропускающее волну в одном направлении почти без отражения и без ослабления, но поглощающее волну, распространяющуюся в обратном направлении. Применяется для защиты генератора СВЧ от изменений сопротивления нагрузки, для построения развязывающих цепей в качестве элементов измерительных установок.

Гиратор – невзаимный фазосдвигатель, фазы коэффициентов передач которого в прямом и обратном направлениях различаются на 180°. Применяется как базовый элемент более сложных невзаимных устройств.

Циркулятор – согласованный, недиссипативный, невзаимный многополюсник, в котором передача мощности происходит в одном направлении с входа 1 на вход 2, с входа 2 на вход 3 и т. д. Чаще применяются шестиполюсные и восьмиполюсные циркуляторы для одновременного использования общей антенны на прием и передачу в параметрических усилителях, в схемах сложения мощностей нескольких генераторов и т. д.

Вторую группу ферритовых устройств составляют управляющие устройства: фазовращатели, выключатели, коммутаторы, плавные и ступенчатые аттенюаторы, переменные делители мощности, перестраиваемые фильтры. Характеристики таких устройств изменяются регулированием или переключением тока в управляющих обмотках. Существуют также ферритовые устройства с внутренней магнитной памятью, их перестройка производится подачей одиночных импульсов тока в управляющие обмотки.

Подавляющее большинство ферритовых устройств СВЧ предназначено для работы в сантиметровом диапазоне волн. Использование ферритов на дециметровых и миллиметровых волнах также возможно, однако связано с трудностями получения нужных электрических характеристик ферри-

38

товых образцов и сложностью создания управляющих магнитных полей надлежащей интенсивности. Основными достоинствами ферритовых устройств являются способность к работе при высоких уровнях СВЧ-мощности и нечувствительность к значительным кратковременным перегрузкам. Недостатки ферритовых устройств обусловлены зависимостью характеристик ферритовых образцов от температуры и трудностями достижения высокого быстродействия из-за инерционности управляющих магнитных систем.

6.2. Явления в подмагниченных ферритах на СВЧ

Феррит представляет собой химическое соединение оксида железа (Fe2O3) с оксидом металлов (никель, марганец, магний и др.). Основное отличие ферритов от других ферромагнитных мате-

риалов – их большое удельное сопротивление порядка (106...108) Ом см. Относительная магнитная

проницаемость ферритов на СВЧ ε=5...20, tgδ=10-2...10-4, а относительная магнитная проницаемость, имеющая на низких частотах довольно большие значения, уменьшается приблизительно до единицы.

Ферромагнитный резонанс обусловлен природой вещества. Основой для рассмотрения явлений в ферритах служит теория непроводящего ферромагнитного кристалла, созданная в 30-х гг. ХХ в. Л. Д. Ландау и Е. М. Лившицем. Основную роль в ферр омагнитных свойствах вещества играет спиновый магнитный момент рм электрона, возникающий при его вращении вокруг собственной оси. Хотя такое объяснение сводит «квантовые эффекты» к механической модели, оно довольно точно описывает как качественную, так и количественную сторону явлений. Следовательно, в простейшей модели ферромагнитных материалов электроны представляются в виде волчков, ко-

торые, вращаясь вокруг своей оси, создают механический момент количества движения Lэ и магнитный спиновый момент (рис.6.1). Эти моменты направлены противоположно и связаны равенством pм =(−e /me )Lэ . Взаимодействие магнитного спинового момента с постоянным магнитным

полем Н0 создает момент механической силы Mc =µ0[ pм,H0 ], который стремится повернуть ось

вращения электронов в направлении вектора Н0. Однако ось вращающегося электрона не сразу совмещается с этим вектором, а подобно гироскопу начинает прецессировать (описывать круги) вокруг вектора Н0.

Частота прецессии называется частотой ферромагнитного резонанса:

f0=γм H0,

(6.1)

где γм= 1 µ0 e =35,18 кГц м/А – гиромагнитное отношение. Если на электрон будет действовать

2π me

переменное магнитное поле с частотой ω, то с такой же частотой ω будут происходить вынужденные колебания спинового момента электрона (рис.6.2).

			z
	ω		H0	dPdtM
		0	θ	M	M1
					M0
				PM	θ	H0
Мс
dLЭ	LЭ					H	у
dt					x
Рис. 6.1				Рис. 6.2

Амплитуда этих колебаний будет тем больше, чем ближе ω к частоте ферромагнитного резонанса. Из-за потерь в веществе прецессия совершается по свертывающейся спирали. Сотой доли микросекунды достаточно для того, чтобы магнитные моменты сориентировались вдоль поля Н0.

39

Свойства ферромагнетика существенно зависят от того, насколько близка частота воздействующе-

го поля к резонансной частоте ω0. Необходимо отметить, что прецессия электронного спина происходит всегда по часовой стрелке относительно направления поля Н0. Это приводит к тому, что право- и левополяризованные волны будут по-разному взаимодействовать с ферромагнитной средой, представляющей собой совокупность одинаково вращающихся магнитных моментов. Под правополяризованной (+) подразумевается волна, вектор поля Е которой вращается по часовой стрелке, если смотреть на волну, уходящую вдоль положительного направления постоянного магнитного поля Н0. Соответственно для левополяризованной волны (–) вращение вектора поля происходит против часовой стрелки.

Таким образом, в подмагниченном феррите электромагнитные волны круговой поляризации

распространяются так, как будто бы среда обладает разными значениями µ для волн различного вращения плоскостей поляризации. Для линейно-поляризованной волны магнитная проницаемость не может быть определена скалярной величиной. Она является тензором. На рис. 6.3 пока-

зано изменение магнитной проницаемости феррита для правополяризованной волны µ+ в зависи-

мости от величины постоянного магнитного поля Н0 при неизменной частоте ω. Явление ферромагнитного резонанса сопровождается резким возрастанием потерь в феррите. При этом

магнитная проницаемость – комплексная величина: µ~+ =µ'+ –iµ"+. Действительная часть µ'+ изо-

бражена сплошной линией; мнимая – пунктиром. Вблизи Н0 рез, соответствующего ω0=ω, происходит резкое возрастание µ'+ и мнимая составляющая µ"+ достигает своего максимума, что свидетельствует о максимуме потерь при ферромагнитном резонансе.

Рис. 6.3

Явление резкого возрастания поглощения энергии электромагнитных правополяризованных волн, распространяющихся в подмагниченном феррите, называется ферромагнитным резонансом.

Кривая изменения магнитной проницаемости феррита для левополяризованной волны µ'– (рис. 6.3) слабо зависит от Н0 и идет весьма плавно. Потери в феррите значительно меньше и не имеют выраженного резонансного характера.

Как видим, только для волны правого вращения плоскости поляризации имеет место ферромагнитный резонанс. Из соотношения (6.1) следует, что характер кривых на рис. 6.3 сохраняется, если

считать, что меняется не поле, а частота колебаний ω.

Эффект Фарадея. Разные значения величин µ'– и µ'+ для одного и того же значения Н0 свидетельствуют о том, что фазовые скорости распространения волн круговой поляризации разного на-

правления вращения будут различными, так как в одном случае vф+=c/ ε µ+ , а в другом v ф–

=c/ ε µ− , где c – скорость света.

Линейно-поляризованную электромагнитную волну можно представить в виде суммы двух волн с противоположным вращением плоскости поляризации (рис.6.4, а). Вследствие того, что vф–<vф+ при распространении линейно-поляризованной волны в направлении вдоль силовых линий постоянного магнитного поля происходит поворот плоскости поляризации поля – эффект Фарадея. Для определения величины этого поворота рассмотрим положение векторов поля (рис.6.4, б) в точке, удаленной от исходной в сторону движения волны на расстояние l. Вследствие большей

скорости vф+ вектор E+ отстает от соответствующего вектора E– на угол ϕ1, меньший угла поворота

ϕ2 вектора E+. Поэтому суммарный вектор E и соответственно плоскость поляризации волны поворачиваются в пространстве по часовой стрелке на угол

∆ = ϕ2 –0,5(ϕ1 +ϕ2 ) = 0,5(ϕ2 –ϕ1 ) = 0,5 βl ε(µ'− −µ'+ ) .

40

а)		б)
	E	φ1	E
			φ2
E-	E+	E+	E-

Рис. 6.4

Качественная сторона рассмотренных явлений сохраняется и в том случае, когда распространение волны происходит в среде, частично заполненной ферритом, как, например, в круглом волноводе, вдоль оси которого расположен цилиндрический продольно-намагниченный ферритовый стержень (см. рис. 6.9).

Поперечно-намагниченные ферриты. Рассмотренные выше явления в продольнонамагниченных ферритах используются в технике СВЧ. Кроме того, существуют устройства СВЧ, включающие поперечно-намагниченные ферриты. На рис. 6.5, б показан прямоугольный волновод с ферритовой пластиной, установленной параллельно узкой стенке. Постоянное магнитное поле Н0 приложено поперечно направлению распространения волны в волноводе. Если в волноводе с ферритовой пластиной распространяется волна Н10, то силовые линии магнитного поля образуют замкнутые контуры, лежащие в плоскостях, параллельных широким стенкам волновода. Продольные и поперечные составляющие магнитного поля, как известно из теории волноводов, сдвинуты между собой по фазе на 90°. Это значит, что в любой точке (за исключением точек на оси волновода и на его боковых стенках) магнитное поле представляет собой поле вращающейся поляризации. На некотором расстоянии от боковых стенок, где амплитуды составляющих магнитного поля равны, получается магнитное поле с круговой поляризацией (рис.6.5, а). Направление вращения поляризации зависит от направления движения волны и того, с какой стороны от средней линии волновода находится рассматриваемая точка.

а)

у
b				б)
		Hx
z	x0	a	x	H0
		Hz

Рис. 6.5

Под действием намагничивающего поля Н0 оси вращения электронов феррита ориентируются вдоль вектора Н0 (рис. 6.1), т. е. перпендикулярно плоскости, в которой лежат силовые линии переменного магнитного поля. При этом (как и в продольно-намагниченных ферритах) значение магнитной проницаемости феррита будет зависеть от направления вращения переменного магнитного поля, следовательно, от направления движения волны в волноводе. Поэтому фазовый сдвиг

	ϕ =	2π	l			волны, распространяющейся слева направо вдоль ферритовой пластины длиной l ,
				εµ'
	1	λв			+
	будет меньше, чем соответствующий фазовый сдвиг ϕ2						=	2π	l		волны, распространяющейся в
										εµ'−
								λв

противоположном направлении, где ε и µ'± – усредненные значения относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей феррита, учитывающие частичное заполнение им поперечного сечения волновода.

Разностный (дифференциальный) сдвиг фаз

ϕ=ϕ −ϕ

=

2π

l

(

−

) .

ε

µ'

µ'

1

2

λв

−

+

41