МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Трефилов н.А., Дмитриенко г.В., Анисимов в.Г. Исследование устройств с ферритами

Методические указания к лабораторной работы

для студентов направления 552500 «Радиотехника»

Ульяновск 2000

Цель работы:

• изучение физических процессов в намагниченных ферритах, взаимодействующих с СВЧ полем;

• изучение принципов действия СВЧ устройств с ферритами;

• экспериментальное исследование устройств с ферритами.

Cведения из теории

В СВЧ технике большое применение находят устройства с ферритами. Ферритами называют материалы, имеющие монокристаллическую или поликристаллическую структуру и обладающие ферромагнитными свойствами. При наложении внешнего магнитного поля они приобретают анизотропные свойства для электромагнитных волн круговой поляризацией с различными направлениями вращения вектора Анизотропия связана со взаимодействием магнитной составляющей поля волны с нескомпенсированным магнитным спиновым моментом электронов атомов в

кристаллической решетке.

В СВЧ технике находят применение ферритовые устройства, в которых электромагнитная волна в линии передачи движется через феррит в направлении силовых линий внешнего магнитного поля (продольно-намагниченный феррит) или в направлении поперечном силовым линиям внешнего магнитного поля (поперечно намагниченный феррит).

Определим знак поляризации напряженности магнитного поля волны в линии передачи относительно направления внешнего магнитного поля следующим образом. Если вращение вектора волны происходит по правилу правого буравчика в направлении внешнего поля, то поляризация будет считаться правой круговой (положительной),если по правилу левого буравчика – то поляризация будет называться левой круговой (отрицательной). Магнитные проницаемости намагниченного феррита для волн правой и левой поляризации оказываются различными. На рис.1 показаны графики зависимостей действительной () и мнимой () составляющих магнитной проницаемости продольно намагниченного феррита, рассчитанные по формулам [1, 2]

(1)

где  - угловая частота СВЧ колебания;

- частота соответствующая ферромагнитному резонансу;

- гиромагнитное отношение для электрона;

H₀ - напряженность внешнего магнитного поля;

- намагниченность феррита;

На рис.2 показаны графики зависимостей действительной и мнимой составляющих магнитной проницаемости поперечно намагниченного феррита, рассчитанные по формулам [1, 2 ]

(2)

Индекс (+) соответствует положительной, а индекс (-) – отрицательной поляризации магнитного поля. На графиках для учтены потери в ферритах, поэтому не принимают бесконечных значений.

Продольно намагниченные ферриты в основном используются в устройствах на эффекте Фарадея и работают при малых подмагничивающих полях (область 1 на рис.1). Эффект Фарадея заключается в повторе плоскости поляризации линейно – поляризованной электромагнитной волны при прохождении ее через продольно намагниченный феррит.

Расположим феррит вдоль оси Z как показано на рис.3.На феррит падает линейно - поляризованная волна, c . Внутри феррита волна разлагается на две волны круговой поляризации

(3)

Волны круговой поляризации движутся вдоль феррита с различными фазовыми скоростями

где _ - абсолютная диэлектрическая проницаемость феррита, и на выходе между ними образуется фазовый сдвиг

(4)

Поэтому представление, подобное (3) на выходе феррита будет иметь вид

(5)

Отсюда видно, что на выходе феррита получается волна линейно поляризации, плоскость поляризации которой сдвинута на угол в направлении часовой стрелки относительно начального положения. СВЧ устройства, использующие эффект Фарадея, описаны в [1, 2, 3, 4 ].

На основе поперечно намагниченных ферритов строятся устройства, использующие различные явления.

Эффект смещения поля используется для построения вентилей на прямоугольном волноводе, работающих на малом уровне мощности [1, 3, 4] (обл.2 на рис.2). Эффект ферромагнитного резонанса используется для построения вентилей на прямоугольном волноводе; работающих на малом и среднем уровне мощности [1,3] (область 2 на рис.2). Область малых полей (область 1 на рис.2) используется для построения взаимных фазовращателей [1,3].

Принцип действия этих устройств подробно описано в указанной литературе, и поэтому они здесь не рассматриваются.

В СВЧ технике, например, при построении фразированных антенных решеток, используется электрически управляемый взаимный ферритовый фазовращатель конструкции Реджид-Спенсера [2,5].Такой фазовращатель представляет собой отрезок прямоугольного волновода с толстым продольно намагничиваемым ферритовым стержнем. Величина фазового набега в фазовращателе регулируется изменением величины внешнего магнитного поля. Фазовращатель работает при малых внешних полях(область1 на рис.1).Принцип действия фазовращателя рассмотрен в [ 2 ].