1319-lab_practicum

41

ного резонанса.

Уравнение (3.4) есть уравнение гармонического осциллятора, которое описывает свободные колебания в динамических системах второго порядка

есть уравнение окружности постоянного радиуса. То есть, при свободных ко-

лебаниях вектор M перемещается в пространстве подобно вращательному движению волчка, наблюдаемое в том случае, если внезапно возникнет сила,

действующая перпендикулярно оси вращения.

Частота p зависит от напряженности подмагничивающего поля H 0 и

может оказаться в требуемой области частот СВЧ диапазона.

Амплитуда свободных колебаний вектора намагниченности с течением

времени, вследствие неизбежных потерь, уменьшится до нуля, и вектор

намагниченности установится по полю H 0 .

3.3 Тензор магнитной проницаемости намагниченного феррита

где m - переменная составляющая вектора намагниченности, вызванная наличием высокочастотного поля.

42

В дальнейшем будем рассматривать только линейные процессы в системе, когда

Найдем связь между h и m. Для этого подставим (3.9) и (3.10) в уравнение движения (3.4) и, используя комплексную форму представления гармониче-

43

Материальные среды с тензором магнитной проницаемости вида (3.18) называют гиротропной средой.

3.4 Поперечное распространение ЭМВ в намагниченном феррите. Эффект Каттон - Мутона

Рассмотрим идеализированную задачу о распространении однородной плоской электромагнитной волны в неограниченной гиротропной среде при

условии, что волна распространяется в направлении, перпендикулярном век-

тору постоянного подмагничивающего поля H0 .

Пусть по-прежнему вектор H0 ориентирован вдоль положительного

направления оси z. Далее предположим, что плоская электромагнитная волна распространяется вдоль оси x, так что все проекции векторов поля имеют комплексные амплитуды, пропорциональные множителю exp j x , где

- некоторый коэффициент фазы (продольное волновое число). Будем считать также, что электромагнитное поле однородно в любой плоскости x = const, и поэтому y z 0.

Предположим вначале, что магнитный вектор плоской волны имеет

Таким образом, волновой процесс характеризуется лишь двумя комплексны-

Если теперь из уравнений (3.19) исключить одно неизвестное, например e y ,

продифференцировав первое уравнение по x, то приходим к уравнению Гельмгольца

Одно из линейно независимых решений такого уравнения описывает однородную плоскую волну, которая распространяется в сторону увеличения координаты x:

фициент фазы. Такую волну, ничем не отличающуюся от плоской электромагнитной волны в однородной изотропной среде с параметрами a и 0 ,

называют обыкновенной волной.

44

Рассмотрим теперь другую электромагнитную волну, также распространяющуюся в поперечном направлении вдоль координаты x, но с иной поляризацией, а именно будем считать, что электрический вектор такой волны имеет единственную отличную от нуля проекцию e z .

В этом случае уравнения Максвелла запишутся:

Объединяя первое и второе уравнения (3.21), приходим к уравнению Гельмгольца

d 2 h2y 2 h y 0 , dx

решение которого описывает однородную плоскую волну, распространяющуюся в положительном направлении оси x. Коэффициент фазы данной волны

определяется числовыми значениями компонентов тензора магнитной проницаемости. Такая волна помимо поперечной составляющей магнитного вектора с проекцией h y имеет продольную составляющую с проекцией h x и по-

этому является волной Н - типа. Ее принято называть необыкновенной волной.

Фазовые скорости обыкновенной и необыкновенной волн в общем случае различны, что приводит к интересной особенности волнового процесса при прохождении слоя толщиной гиротропной среды. Предположим, что на слой намагниченного феррита толщиной из вакуума падает плоская волна в направлении, перпендикулярном направлению подмагничивающего

поля. Если плоскость поляризации волны ориентированна произвольным об-

разом, то в общем случае вектор e падающей волны имеет составляющую e1 ,

перпендикулярную подмагничивающему полю, и составляющую e 2 , которая

направлена вдоль вектора H0 . Тогда, составляющая e1 возбуждает в феррите обыкновенную волну, а составляющая e 2 - необыкновенную волну. Фазовые

скорости этих двух пространственно - ортогональных волн различны. Поэтому в пространстве за пластиной обыкновенная и необыкновенная волны складываясь, образуют однородную плоскую волну с вращающейся эллиптической поляризацией. В частном случае, когда фазовый сдвиг составляет 90, а амплитуды обеих волн равны, поляризация прошедшей волны будет круговой. Явление преобразования поляризации плоской волны в слое гиротроп-

46

Чтобы эти уравнения были совместными, необходимо потребовать обращения в нуль определителя данной системы:

Знак + соответствует прямой волне, знак - - обратной. Подставляя (3.28) в первое уравнение (3.26), получим

Множитель j говорит о том, что компоненты поля сдвинуты по фазе на 90, а это есть волна, поляризованная по кругу.

Таким образом, при продольном распространении волн в намагниченном феррите существуют две независимые моды:

1) поляризованная по кругу волна с левым направлением вращения, у

Предположим, что в плоскости z=0, одновременно возбуждены обе моды с одинаковыми амплитудами. Тогда в этой плоскости комплексная амплитуда суммарного магнитного вектора

ориентирована вдоль оси x и отвечает линейно поляризованной волне.

В поперечной плоскости с произвольной координатой z магнитный вектор имеет комплексную амплитуду

линейную поляризацию. Если при z = 0 магнитный вектор волны ориентиро-

49

3.7 Вентиль на эффекте смещения поля

Если на поверхности феррита разместить поглощающую пленку (сажа, графит) (см. рис. 3.2) то, поскольку поле прямой волны в месте расположения пленки имеет малое значение, поглощение прямой волны мало. Наоборот, обратная волна в месте расположения пленки имеет максимальную амплиту-

ду, и обратная волна будет интенсивно в ней затухать.

Внешнее подмагничивающее магнитное поле H0 создается обычно постоянным магнитом. Рабочая величина магнитного поля, которая требуется

50

для создания необходимых условий, примерно соответствует значению, при

Потери прямой волны определяются главным образом шириной резонансной кривой феррита. Они падают с уменьшением ширины кривой примерно по линейному закону. Существенное влияние на потери прямой волны оказывает также величина намагниченности феррита. Потери прямой волны уменьшаются с ростом намагниченности. Следовательно, в случае феррита с большой намагниченностью и малой шириной резонансной кривой пленка почти не сказывается на потерях прямой волны.

Затухание обратной волны определяется главным образом поглощающей пленкой.

Допустимый уровень мощности, при котором может работать вентиль на смещении поля, определяется, в конечном счете, максимальной мощностью, которую может рассеять поглощающая пленка.

Диапазонные свойства вентиля на смещении поля определяются зависимостью структуры поля прямой и обратной волн от изменения частоты. При увеличении частоты, как правило, происходит рост прямых потерь.

С уменьшением частоты нарушается структура поля обратной волны (которая перестает быть поверхностной), что приводит к ослаблению затухания обратной волны. В целом вентили на смещении поля являются широкополосными СВЧ устройствами.

Согласование вентиля на смещении поля достигается путем подбора высоты ферритовой пластины. Можно добиться значительно лучшего согласования (КСВ 1.05), если использовать ферритовую пластину со скосами на обоих концах. Длина пластины обычно выбирается равной 0.

Температурные характеристики вентиля зависят в большей степени от

происходить по часовой стрелке в точке х1, а в точке х2 - против часовой стрелки.

Наоборот, для отраженной волны вращение в точке х1 теперь происходит против часовой стрелки, а в точке х2 - по часовой стрелке.