ЛР4 ЭД
.docxМИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра физической электроники и технологии
отчет
по лабораторной работе №4
по дисциплине «Электродинамика»
Тема: НЕВЗАИМНЫЕ ФЕРРИТОВЫЕ УСТРОЙСТВА: ФАРАДЕЕВСКИЙ ВРАЩАТЕЛЬ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ
Студенты гр. 5207 |
|
Иванов А.Д. |
|
|
Савин Б.С. |
|
|
Кремнев Д.Д. |
|
|
Зеленова И.С. |
Преподаватель |
|
Дроздовский А.В. |
Санкт-Петербург
2017
Лабораторная работа №4
НЕВЗАИМНЫЕ ФЕРРИТОВЫЕ УСТРОЙСТВА: ФАРАДЕЕВСКИЙ ВРАЩАТЕЛЬ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ
Цель работы.
Ознакомление с эффектом необратимого вращения плоскости поляризации электромагнитной волны, проходящей через линию передачи, содержащую феррит.
Основные положения.
Ферриты – это группа содержащих ионы железа материалов, которые обладают одновременно магнитными свойствами ферромагнетиков и электрическими свойствами диэлектриков (εr = 5…20, ). Благодаря наличию ионов железа ферриты обладают большой магнитной проницаемостью и спонтанной намагниченностью.
Рис. 1 Кривая намагничивания ферромагнитного материала
В ненамагниченном состоянии феррит представляет собой конгломерат областей, магнитные моменты которых ориентированы в различных направлениях. Под воздействием переменного магнитного поля магнитные моменты указанных областей отклоняются в направлении вектора H, в результате появляется вектор магнитной поляризации (вектор намагниченности, определяемый как магнитный момент единицы объема), совпадающий с вектором напряженности внешнего поля, и магнитная проницаемость является скалярной величиной. Поэтому свойства ненамагниченного феррита для переменных полей любого направления одинаковы и распространение электромагнитных волн в нем происходит так же, как в любой другой изотропной среде.
Постоянное магнитное поле Н0 ориентирует магнитные моменты атомов железа вдоль поля, в результате чего феррит приобретает анизотропные свойства, а его магнитная проницаемость для переменных электромагнитных полей становится тензорной величиной. Слабое переменное магнитное поле h, перпендикулярное намагничивающему полю Н0, заставляет магнитные моменты прецессировать вокруг вектора Н0 (рис.2).
Рис. 2 Прецессия магнитных моментов
Если постоянное поле направлено вдоль оси z (Н0 = еzН0), а переменное поле h ему перпендикулярно (h = exhx+eyhy), тензор магнитной проницаемости насыщенного феррита имеет вид
,
где , (, , 0 – собственная частота прецессии магнитного момента электрона в постоянном поле Н0; М0 – спиновый магнитный момент электрона).
Вектор магнитной индукции электромагнитной волны b связан с вектором напряженности магнитного поля h соотношением b = h или bx = = 0(’hx ‑ ikhy), by = 0(ikhx + ’hy), bz = 0hz = 0.
Итак, компоненты тензора зависят от напряженности постоянного поля, и поэтому векторы b и h имеют различные соотношения между компонентами. Отсюда следует важное свойство намагниченного феррита – вращение плоскости поляризации электромагнитной волны, которое называется эффектом Фарадея.
Вращение плоскости поляризации в волноводе, содержащем намагниченный феррит. Рассмотрим круглый цилиндрический волновод, содержащий продольно намагниченный ферритовый стержень (рис. 3).
Рис 3. Проход плоскополяризованной волны через цилиндрический волновод с ферритовым стержнем
Пусть в волноводе возбуждается волна типа Н11. Будем считать, что присутствие ферритового стержня не искажает распределение поля в поперечном сечении волновода и что частота много больше собственной частоты прецессии (в этом случае активными потерями в феррите можно пренебречь).
Пусть также на вход устройства подается плоскополяризованная волна (плоскость поляризации – это плоскость, составленная вектором Е и направлением распространения волны). Плоскополяризованную волну можно представить в виде суммы двух распространяющихся в противоположных направлениях волн круговой поляризации с противоположным направлением вращения векторов напряженности поля. Действительно, напряженность магнитного поля плоскополяризованной волны можно записать как
.
На рис. 4 показано графически разложение плоскополяризованной волны на две волны круговой поляризации с амплитудой 1/2Нm.
Рис. 4 Разложение плоскополяризованной волны
Благодаря анизотропии феррита условия распространения волн с разными направлениями вращения различны; соответственно, различны и фазовые скорости каждой из волн (+ ‑) и различны набеги фазы на длине z. В результате плоскость поляризации реальной волны Н11 постепенно поворачивается по мере движения волны вдоль волновода, причем угол поворота плоскости поляризации пропорционален расстоянию z от входной плоскости, и зависит от намагничивающего поля Н0, частоты СВЧ-сигнала , а также от размеров и материала от ферритового стержня: = kz, где коэффициент пропорциональности, учитывающий геометрические размеры и диэлектрические характеристики феррита:
Для >>0, , так что .
Следует отметить, что направление вращения плоскости поляризации не зависит от направления движения электромагнитной энергии по волноводу, т. е. ферритовый вращатель плоскости поляризации является невзаимным устройством.
Рис. 5 Схема экспериментальной установки
1-Генератор Г4-83, 2-коаксиальный кабель, 3-цилиндрический волновод с катушкой, 4-источник постоянного тока, 5-рупорная антенна, 6-осциллограф, 7-детектор.
Обработка результатов.
-
Построим графики зависимости амплитуды огибающей СВЧ-сигнала от угла поворота рупора при различных значениях тока через катушку на частоте 9,4 ГГц.
Таблица 1- Результаты измерений
I= 0 мА |
||||||||||
ϕ° |
157 |
164 |
176 |
178 |
190 |
215 |
225 |
230 |
300 |
|
I, мкА |
2 |
5 |
12 |
19 |
26 |
19 |
13 |
7 |
0 |
|
I= 75 мА |
|
|||||||||
ϕ° |
180 |
191,25 |
220 |
236,25 |
280 |
281,25 |
337,5 |
|
||
I, мкА |
0 |
9,3 |
19 |
28 |
19 |
9,3 |
0 |
|
||
I= 150 мА |
||||||||||
ϕ° |
157,5 |
188 |
191,25 |
228 |
255 |
270 |
292,5 |
|
||
I, мкА |
0 |
12 |
24 |
36 |
24 |
12 |
0 |
|
||
I= 225 мА |
||||||||||
ϕ° |
157,5 |
185 |
190 |
225 |
247,5 |
265 |
315 |
|
||
I, мкА |
0 |
13 |
26 |
38 |
26 |
13 |
0 |
|
||
I= 300 мА |
||||||||||
ϕ° |
175 |
180 |
190 |
232,5 |
258,75 |
270 |
275 |
|
||
I, мкА |
0 |
12 |
24 |
35 |
24 |
12 |
0 |
|
||
I= 376 мА |
||||||||||
ϕ° |
175 |
190 |
210 |
236,25 |
240 |
280 |
315 |
|
||
I, мкА |
0 |
11 |
22 |
33 |
22 |
11 |
0 |
|
||
I= 450 мА |
||||||||||
ϕ° |
190 |
210 |
230 |
240 |
275 |
281,25 |
320 |
|
||
I, мкА |
0 |
10 |
20 |
32 |
20 |
10 |
0 |
|
Рис. 6 Зависимость амплитуды огибающей СВЧ-сигнала от угла поворота рупора
Рис 7. Зависимость амплитуды огибающей СВЧ-сигнала от угла поворота рупора для первых 4 токов генератора.
Рис 8. Зависимость амплитуды огибающей СВЧ-сигнала от угла поворота рупора для последних 4 токов генератора.
-
Построим зависимость угла поворота плоскости поляризации электромагнитной волны от управляющего тока (9,4 ГГц)
Рис 9. Зависимость амплитуды огибающей СВЧ-сигнала от угла поворота рупора для последних 4 токов генератора.
Вывод:
В данной работе исследовались явления поворота плоскости поляризации феррита на невзаимном ферритовом фазовращателе. В феррите теорема взаимности не выполняется, т.к. тензор магнитной проницаемости феррита недиагонален и несимметричен и несимметричен, и описывает анизотропные свойства среды и для всех электромагнитных волн, распространяющихся в среде феррита. Направление вращения плоскости поляризации не зависит от направления распространения волны, но волна, распространяющаяся в феррите по одной траектории, но в разных направлениях будет иметь разный фазовый сдвиг и затухать по-разному.
Увеличение тока источника сдвигает при этом зависимость тока от угла поворота в сторону больших значений, что является следствием роста напряженности поля Ho при увеличении тока в катушке. Из рис. 9 видно, что максимумы токов находится на близких по значению углах, что говорит о незначительном изменении угла поворота плоскости поляризации.