Невзаимные явления в поперечно-намагниченном феррите

Подавляющее большинство вентилей СВЧ строятся на поперечно-намагниченных ферритах, поэтому их и будем рассматривать.

Гиромагнитный резонанс. Как следует из рис. 5.8, волна с положительным относительно вращением плоскости поляризации вектора на частоте интенсивно поглощается. Волна с противоположным вращением проходит через феррит почти без затухания. Это свойство ферритов может быть использовано в невзаимных устройствах – вентилях.

Рис. 5.10. Магнитное поле волны H₁₀ в прямоугольном волноводе.

На рис. 5.10 показано магнитное поле волны H₁₀ в прямоугольном волноводе. На расстоянии от боковых стенок, равном примерно , вектор поляризован по кругу, причем направления вращения слева и справа от продольной плоскости симметрии волновода будут противоположными. Если поместить на этом расстоянии, т.е. в область круговой поляризации магнитного поля, ферритовую пластину, подмагниченную полем (рис. 5.11), то коэффициенты затухания для волн, распространяющихся в разных направлениях, на резонансной частоте будут различными.

При отстройке от гиромагнитной частоты затухание волны уменьшается в соответствии с ходом резонансной кривой, который определяется добротностью феррита.

Рис. 5.11. Намагниченная ферритовая пластина в прямоугольном волноводе.

Вентили, построенные на использовании явления гиромагнитного резонанса, из-за узкополосности рабочей полосы частот и большой величины подмагничивающего поля применяются в технике СВЧ редко.

Поперечный ферромагнитный резонанс. Предположим, что плоская электромагнитная волна распространяется вдоль оси х с коэффициентом распространения β_х (рис. 5.7). Положим в (5.35) и (5.36), . Тогда системы уравнений (5.36) и (5.35) преобразуются к виду:

(5.37)

(5.38)

Исключим из (5.37):

(5.39)

Отсюда находим значение коэффициента распространения:

(5.40)

В соответствии с (5.37) у волны с коэффициентом распространения вектор магнитного поля лежит в плоскости , перпендикулярной вектору подмагничивающего поля , и при имеет эллиптическую поляризацию. Вектор электрического поля волны параллелен постоянному магнитному полю. Наличие составляющей , параллельной направлению распространения (ось ОX), означает, что система (5.37) описывает волну Н-типа.

Аналогично, исключая из системы (5.38), получаем:

(5.41)

У этой волны, согласно (5.38), вектор магнитного поля ориентирован параллельно направлению постоянного магнитного поля. В этом случае магнитное поле волны не возбуждает прецессии магнитного момента и коэффициент распространения такой же, как в немагнитной среде с той же диэлектрической проницаемостью , что и у феррита. Составляющие векторов и перпендикулярны направлению распространения, т. е. эта волна является волной Т-типа (поперечной волной).

Подставив в (5.40) значения и из (5.33), получим:

, (5.42)

где

, (5.43)

Из графика, приведенного на рис. 5.9, видим, что . Потому величину можно записать в виде:

. (5.44)

В реальных ферритах диэлектрическая проницаемость является комплексной величиной:

. (5.45)

Рассмотрим случай малых диэлектрических потерь в феррите, т. е. . Если пренебречь магнитными потерями, то можно записать следующее:

(5.46)

Из равенства (5.44) вытекает, что если , то . При этом, как следует из выражения (5.46), бесконечно возрастает мнимая часть коэффициента распространения, и распространяющаяся в феррите волна интенсивно затухает. Это соответствует случаю так называемого поперечного ферромагнитного резонанса, который наступает при подмагничивающем поле (рис. 5.12). Еще раз отметим, что рассмотренное явление не связано с ферромагнитным резонансом, а объясняется наличием диэлектрических потерь в феррите.

Рис. 5.12. Поперечный ферромагнитный резонанс.

Из рис. 5.12 видим, что поперечный ферромагнитный резонанс наступает при напряженностях поля , которые меньше, чем поле гиромагнитного резонанса . Это облегчает реализацию вентилей.

Как уже было отмечено, в прямоугольном волноводе область круговой поляризации магнитного поля существует на расстоянии от боковых стенок (рис. 5.11). При повышении частоты эта область смещается к узкой стенке, при понижении частоты – к середине волновода. Для ослабления влияния частоты на структуру поля рядом с ферритовой пластиной помещают диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью (рис. 5.13). Диэлектрик концентрирует в себе (втягивает) электромагнитное поле, тем самым ослабляя зависимость структуры поля от частоты.

Рис. 5.13. Поперечное сечение вентиля, в котором используется явление поперечного ферромагнитного резонанса.

Явление смещения поля. Как следует из формулы (5.33), при < магнитная проницаемость становится отрицательной. При этом коэффициент распространения становится мнимой величиной, что соответствует волне с амплитудой, убывающей вдоль направления распространения. Если ферритовая пластина безгранична, то электромагнитная волна отражается. Если ферритовый образец имеет ограниченные размеры, то волна вытесняется из феррита и огибает его при распространении.

Рис. 5.14. Вентиль на смещении поля.

Конструктивно вентиль на смещении поля подобен резонансному (рис. 5.14), но в данном случае на феррит нанесена поглощающая пленка, например, из графита. Волна с магнитной проницаемостью вытесняется из феррита и распространяется вне его, поэтому напряженность поля в поглощающем слое мала и затухание незначительно. Волна с поляризацией концентрируется в феррите, напряженность поля у поверхности феррита велика, в поглощающем слое наводится значительный ток проводимости, и волна интенсивно затухает.