Электромагнитные поля и волны. Часть 2 (Направляющие системы СВЧ-диапазона. Регулярные волноводы. Колебательные системы СВЧ. Общая теория цепей СВЧ), страница 25

Если частоты не совпадают (ωω₀), то эффективность взаимодействия снижается и потери в феррите уменьшаются. Если направление вращения векторов _~ и  противоположны, поглощение энергии в феррите в среднем не происходит. Магнитная проницаемость феррита величина комплексная . За потери в феррите ответственна мнимая часть . На рисунке 6.2а приведен график потерь в зависимости от Н₀ при  _~ = const.

Рисунок 6.2

На рисунке 6.2б  означает, что направление вращения векторов  и _~ совпадают, а   - не совпадают. При ферромагнитном резонансе Н₀=Н_{0 рез}, то есть ω= ω₀ и направления вращения  и _~ совпадают,  имеет максимум, то есть потери в феррите максимальны. Направления вращения векторов  и _~ противоположны (кривая ) потери очень малые.

Различные значения , в зависимости от соотношения частот ω  и ω₀ (Н₀ и Н_{0 рез}) и направления вращения _~ относительно , позволяют создавать различные невзаимные устройства СВЧ, обладающими ценными свойствами. На рисунке 6.2б выделены три области A, B, C используемые в технике СВЧ.

Область С. Ферромагнитный резонанс (Н₀=Н_{0 рез}), максимальные потери. В этой области работают ферритовые резонансные вентили. Они максимально поглощают отраженные волны в волноводах, и очень мало поглощают прямые волны.

Область В. Здесь Н₀<Н_{0 рез}, <0 и  0. Отрицательное значение <0 приводит к тому, что коэффициент распространения становится вещественной величиной и ЭМВ не может распространяться в феррите. Происходит эффект вытеснения ЭМВ из феррита, у которой _~ совпадает по направлению вращения с . ЭМВ с противоположным направлением вращения может распространяться. Это явление называют эффектом смещения ноля. В области В работают ферритовые вентили на смещении поля. Такие вентили имеют меньшие габариты, массу по сравнению с резонансными так, как требуют в 1,5…2 раза меньше намагничивающее поле .

Область А. Здесь Н₀<<Н_{0 рез} , 0<<, при которых волны с противоположными направлениями вращения _~ распространяются практически без потерь, но с различными коэффициентами фаз (). В области А работают ферритовые циркуляторы, фазовращатели, поляризаторы.

6.1 Ферритовые вентили

Наибольшее распространение в технике СВЧ получили следующие типы вентилей: резонансные, вентили на «смещении» поля, предельные вентили.

Резонансные вентили. Принцип действия таких вентилей основан на явлении поперечного резонанса. Если величину намагничивающего поля Н₀ выбрать вблизи Н_{0 рез} на рабочей частоте, что соответствует поперечному резонансу в ферритовой пластине, то для прямой волны феррит представляет диэлектрик с магнитной проницаемостью . Поэтому прямая волна проходит феррит без существенных потерь, обратная волна будет испытывать значительные потери в феррите.

В волноводе, сечение, где имеется круговая поляризация _~, зависит от частоты, с повышением частоты это сечение смещается в сторону ближайшей узкой стенки, а при понижении частоты – к центру волновода. При этом ферритовая пластинка оказывается в сечении с эллиптической поляризацией, что приводит к увеличению затухания прямой волны и к уменьшению для обратной волны. Для ослабления зависимости структуры поля в волноводе вводят нагрузку диэлектрическую пластинку с высокой ε_α, а тонкую ферритовую пластинку наклеивают на диэлектрик. При этом, значительная часть энергии, распространяющаяся по волноводу проходит через область, где размещена диэлектрическая пластина и возрастает концентрация поля в ферритовой пластине, что приводит к существенному увеличению затухания обратной волны. Использование диэлектрической пластины расширяет рабочий диапазон частот вентиля и увеличивает вентильный эффект. Конструкция резонансного вентиля показана на рисунке 6.3а.

Рисунок 6.3

На рисунке: 1-диэлектрическая пластина, 2-ферритовая, 3-постоянный магнит. При малой и средней мощности используют конструкцию «а», а при более высокой мощности - «б», в которой ферритовая пластина приклеивается к стенкам волновода, что увеличивает тепловое рассеивание.