Ферритовые устройства на пря­мо­угольных вол­новодах (Отчет по лабораторной работе № 6)

Ферритовые устройства на пря­мо­угольных вол­новодах

Цель работы:

Ознакомиться с конструкций и принципом работы ферритового вен­тиля на пря­­моугольных волноводах, использующего эффект невзаимного фазового сдви­га. Ознакомиться с методикой экспериментального определения ха­ра­к­те­ристик вен­тиля.

Краткие сведения из теории

Известно, что для высокочастотного электромагнитного поля, рас­пространя­ю­ще­го­­ся в феррите, помещенном в постоянное магнитное поле, магнитная про­ни­ца­емость  но­сит тензорный характер. При этом для электромагнитной волны, вектор  которой вра­щается по часовой стрелке (правополяризованная волна) и для волны, вектор  которой вращается против часовой стрелки (ле­вопо­ля­ри­зо­ван­ная волна), магнитная проницаемость различна. Обозначим магнитную про­ни­ца­емость для правополяризованной волны , а для левополяризованной вол­ны . Соответственно различными бу­дут и фазовые скорости для пра­во- и левополяризованной волн

                и           

На рисунке 1 приведена зависимость  и  от внешнего магнитного поля. Для пра­вополяризованной волны  сильно зависит от  изменяя свою ве­ли­чину и знак. При этом для некоторого значения  потери в феррите рез­ко возрастают (явление резонанса). Для левополяризованной волны  слабо за­висит от , а потери в фер­ри­те малы и практически не зависят от .

Устройства на прямоугольных волноводах используют чаще всего следующие эф­­фек­ты:1). Эффект невзаимного фазового сдвига

2). Эффект резкого увеличения потерь при  для правополяризо­ван­ной вол­ны.

Пусть имеется прямоугольный волновод, в который помещена ферритовая пла­с­ти­на (рисунок 2-а), внешнее магнитное поле создается постоянным магнитом. Рас­смот­рим рас­про­странение основной волны  в таком волноводе. Для волны, рас­пространяющейся сле­ва направо в точке  вектор  вращается против часо­вой стрел­ки, а в точке  – по ча­­со­вой стрелке (рисунок 2-б). Для волны, рас­про­стра­ня­­ю­щей­ся справа налево в той же точке  вектор  вращается по часовой стрел­ке, а в точке  – против часовой стрелки. Следовательно, в точке  волны, бе­гу­щие слева направо и справа налево, могут рассматриваться как пра­во- и ле­во­по­ля­ри­зованные. Для них будут разные значения  и  и, пройдя участок вол­но­во­да с ферритовой пластиной, волна приобретает различный фазовый сдвиг. Это яв­ле­­­ние носит название невзаимного фазового сдвига. Поскольку для точек  и  на­п­­рав­ле­ние вращения вектора  противоположно, для волны, расп­ростра­ня­ю­щей­ся по волно­во­ду, ферритовая пластина, расположенная в точке , будет давать одно значение фазового сд­вига, а расположенная в точке  другое значение. Ве­ли­чина невзаимного фазового сд­ви­­га зависит от напряженности внешнего маг­ни­т­но­го поля.

Если создать такие условия, чтобы волна бегущая в одном направлении, рас­про­­ст­ранялась как левополяризованная и не испытывала заметных потерь в фер­ри­те, а бегущая в противоположном направлении распространялась как право­по­ля­­ризованная и испы­ты­ва­ла максимальное затухание в феррите, то получим уст­рой­ство называемое резонансный вен­тиль.

Краткое описание установки

Исследуемый ферритовый вентиль (рисунок 3) использует эффект нев­заимного фа­зо­вого сдвига. Он со­с­тоит из щелевого моста и сдвоен­но­го волновода с фер­ри­то­вы­­ми пла­с­тинами. Параметры устройства по­до­браны так, что разница в фазовом сд­ви­ге для волн, распро­страня­ю­щи­хся в противоположных направ­ле­ни­ях сос­тав­ля­ет . Если в верх­нем волноводе фазовый сдвиг больше для волны, бегущей сле­ва направо, то в нижнем во­л­новоде – для бегущей справа налево. На рисунке 3 ве­ли­чина сдвига фазы условно обозначена  и . Щелевой мост (два волновода, свя­занные щелью в общей стенке) работает сле­ду­ющим образом. При подаче сиг­на­ла на вход  на входы  и  сигнал поступает с оди­на­ковой амплитудой, но на входе  сдвинут по фазе на  относительно сигнала на вхо­де . На вход  сиг­н­ал не поступает. Аналогично мост работает и при подаче сигнала на лю­бое дру­гое плечо (см. рисунок 4).