Электромагнитные поля и волны. Часть 2 (Направляющие системы СВЧ-диапазона. Регулярные волноводы. Колебательные системы СВЧ. Общая теория цепей СВЧ), страница 24

В технике СВЧ широко используют устройства, которые не удовлетворяют теореме взаимности, то есть свойства многополюсника зависят от направления движения в нем электромагнитной волны. Такие устройства обязательно содержат анизотропные среды, например намагниченные ферриты, или плазму. В технике СВЧ применяются следующие невзаимные устройства: ферритовые циркуляторы, вентили, фазовращатели. В качестве анизотропной среды в них используется намагниченный феррит. Принцип действия ферритовых устройств СВЧ основан на взаимодействии магнитного поля ЭМВ с нескомпенсированными магнитными моментами атомов вещества, для этого ЭМВ должна проникать в вещество, и распространятся в нем. Вещество, таким образом, должно обладать свойствами диэлектрика и иметь большую магнитную проницаемость. Такие вещества называют магнитодиэлектриками или ферритами. Простые ферриты состоят из твердых растворов окислов металлов (это никель, кобальт, марганец, медь, цинк и др.) и окисел железа Fe₂O₃. Феррит получают спеканием окиси железа с окислами двух металлов. Часто применяют смешанные ферриты, в состав которых входят одновременно ионы двух и большего числа металлов. Ферриты могут быть поликристаллическими и монокристаллическими. Ферритовые монокристаллы (например, иттриевые феррогранаты) выращивают по технологии сходной с технологией полупроводниковых материалов. Намагниченный феррит является для распространяющихся в нем волн анизотропной в магнитном отношении средой и используется в технике СВЧ для создания устройств, не подчиняющихся теореме взаимности. Феррит одновременно обладает магнитными свойствами ферромагнетика и электрическими свойствами диэлектрика. На СВЧ он имеет σ = 10^-7…10^-11 см/м, ε=5…20, tg10^-4, =10…1000.

Анизотропные свойства ферритов проявляются в намагниченном постоянным магнитным полем.

Волновод или другая передающая линия, содержащая намагниченный феррит, обладает замечательными свойствами:

 - необратимыми или невзаимными резонансными потерями,

 - невзаимным вращением плоскости поляризации волны,

 - невзаимным фазовым сдвигом,

 - невзаимным изменением (смещением) структуры поля.

Строгая теория ферромагнетизма основывается на квантомеханических представлениях. Качественное рассмотрение физических явлений в намагниченном феррите может быть сделано с помощью представлений классической физики. Экспериментальные исследования показали, что в ферритах вклад орбитальных моментов электрона в общий момент обычно мал, поэтому магнитные свойства ферритов определяются в основном спиновыми магнитными моментами атомов.

В ферритах, на одной из электронных оболочек его атомов, имеются электроны с нескомпенсированными спиновыми магнитными моментами. Кроме того, электрон имеет механический момент , направленный противоположно магнитному моменту электрона . При намагничивании феррита постоянным магнитным полем , вектор  стремится совпасть с вектором , то есть угол между ними стремится к нулю. Но, за счет механического момента , вектор  будет вращаться вокруг вектора  по закручивающейся спирали, постепенно приближаясь к вектору . Это явление называют прецессией. Частота вращения (частота прецессии)  и направление вращение определяется величиной и направлением .

                                       или f 2,8Н₀

Направление прецессии составляет правовинтовую систему с направлением вектора (рисунок 6.1а).

Рисунок 6.1

В реальных ферромагнитных средах всегда имеются потери, поэтому прецессия затухает, угол ψ стремится к нулю и вектор  совпадет с , феррит намагничивается.

Намагниченный феррит помещаем в прямоугольный волновод в сечение а/4 от узкой стенки. В этом сечении вектор _~ электромагнитной волны типа Н₁₀ имеет круговую поляризацию магнитного поля. Частота вращения вектора _~ равна частоте волны ω (рисунок 6.1б). Пусть направление вращения векторов  и _~ и их частоты вращения совпадают (ω= ω₀), тогда три вектора , , _~ будут все время находится в одной плоскости и максимально взаимодействовать. В результате угол ψ не будет равен нулю, вектор  не совпадет с , а электромагнитная волна будет максимально поглощаться в феррите. Энергия тратится на поддержание угла ψ0. Такое явление называют ферромагнитным резонансом, которое играет важную роль в теории и применении ферритов.