12 Ферритовые устройства свч

12.1 Физические явления в намагниченных ферритах на свч

Феррит представляет собой соединение окиси железа с окисью никеля, марганца, магния и др. Феррит на СВЧ обладает большим удельным сопротивлением, относительная диэлектрическая проницаемость имеет величину 5-15, а относительная магнитная проницаемость приблизительно равна единице.

В простейшей модели ферромагнитного материала электроны представляются в виде волчков, которые вращаются вокруг своей оси и создают механический момент (действие массы электрона) и магнитный момент (действие заряда) – так называемый спин. После приложения постоянного магнитного поля ось вращения электронов ориентируется по направлению этого поля. Наличие механического момента делает электрон подобным гироскопу, вследствие чего ось вращения после отклонения не сразу возвращается в исходное положение. Частота вращения волчка называется частотой ферромагнитного резонанса. Под действием внешнего СВЧ магнитного поля с частотой будет происходить вынужденные колебания спинов электронов, а амплитуда этих колебаний будет тем больше, чем ближе к . Резонансная частота пропорциональна постоянному магнитному полю и равна , где – гиромагнитное отношение для спина (e – заряд, m – масса электрона, c – скорость света). После подстановки численных значений перечисленных величин получим значение резонансной частоты в мегагерцах:

,

где измеряется в Эрстедах.

Свойства ферромагнетика существенно зависят от близости СВЧ частоты к резонансной частоте .

Заметим дополнительно, что прецессия электронного спина всегда происходит по часовой стрелке относительно направления внешнего поля . Это приводит к тому, что право- и левополяризованные волны будут по-разному взаимодействовать с намагниченным образцом феррита. Напомним, что вращение вектора E правополяризованной волны (+) и левополяризованной волны (-) определяется, если смотреть вслед уходящей волны вдоль направления постоянного магнитного поля . Таким образом, правополяризованное поле вращается по часовой стрелке, левополяризованное поле – против часовой стрелки.

Таким образом, в подмагниченном феррите электромагнитные волны круговой поляризации распространяются так, как будто среда обладает различными значениями для волн разного направления вращения. Для правополяризованного поля относительная магнитная проницаемость обозначается , для левополяризованного поля – . На рисунке 12.1 а показано изменение действительной () и мнимой () частей проницаемости в зависимости от . На рисунке 12.1 б показано изменение магнитной проницаемости .

Рисунок 12.1 – Зависимость магнитной проницаемости феррита

от поля : а – для правополяризованной волны;

б – для левополяризованной волны

Разное значение величин и для одного и того же значения свидетельствует о том, что фазовые скорости распространения волн круговой поляризации разного направления вращения будут различными, так как в одном случае , а в другом .

Линейно поляризованную электромагнитную волну можно представить в виде суммы двух волн круговой поляризации с противоположными направлениями вращения (рисунок 12.2 а).

Вследствие того, что при распространении волны вдоль направления внешнего магнитного поля происходит поворот плоскости поляризации – эффект Фарадея (рисунок 12.2 б).

Рисунок 12.2 – Эффект Фарадея: а – линейнополяризованная волна как сумма двух волн с круговой поляризацией; б – поворот плоскости поляризации

Угол поворота плоскости поляризации определяется длиной участка l, занятого намагниченным ферритом и рассчитывается по формуле:

,

где .

Картина рассмотренных явлений в целом сохраняется и в том случае, когда распространение волны происходит в среде, частично заполненной ферритом, как, например, в круглом волноводе, вдоль оси, которого расположен продольно намагниченный ферритовый стержень.

Существуют устройства СВЧ, использующие поперечно намагниченные ферриты. На рисунке 12.3 показан прямоугольный волновод с ферритовой пластиной, установленной параллельно узкой стенке (волна H₁₀).

Рисунок 12.3 – Прямоугольный волновод с ферритовой пластиной

Постоянное магнитное поле приложено поперечно направлению распространения волны. В плоскости расположения силовых линий вектора H волны H₁₀ имеются сечения , где H имеет круговую поляризацию. При этом направление вращения вектора H зависит от направления распространения волны в волноводе. Фазовый сдвиг волны, распространяющейся слева направо вдоль ферритовой пластины длинной l равен . Для волны, распространяющейся в обратном направлении .

Разностный (дифференциальный) фазовый сдвиг будет равен:

.

Устройства СВЧ, которые создают разные сдвиги фаз для волн, распространяющихся в разных направлениях, называются устройствами с невзаимными фазовыми сдвигами.

Отметим ещё одно явление в намагниченных ферритах. При сравнительно толстых ферритовых пластинах, намагниченных сильным поперечным полем , наблюдается эффект смещения поля. Суть явления заключается в том, что в волноводе с ферритом распределение напряженности поля вдоль оси 0x зависит от направления распространения волны, как это показано на рисунке 12.4.

Рисунок 12.4 – Эффект смещения поля: а – распределение электрического поля для волны, распространяющейся в сторону +z; б – то же для волны, распространяющейся в сторону –z

Это неравенство в распределении поля приводит к большому различию в затухании волн, распространяющихся в противоположных направлениях, что используется при конструировании ферритовых вентилей.