Техническая электродинамика Черенков (Кривець)

H волны, распространяющейся в прямом направлении, вращается вокруг постоянного магнитного поля против часовой стрелки, а волны, распространяющейся в обратном направлении, - по часовой стрелке. Эти волны «воспринимаются» ферритом как волны с правой и левой круговой поляризацией. Для таких волн магнитные проницаемости феррита (даже при небольшом значении постоянного магнитного поля) значительно отличаются друг от друга (см. раздел 2.5 и рис. 2.3). Это и приводит к различному характеру воздействия феррита на структуру поля волн, распространяющихся в разных направлениях.

туды вектора E в поглощающей пластине 3 наводится ток только обратной волной и, следовательно, эта волна поглощается пластиной.

Волна прямого направления в 3 имеет амплитуду практически равную нулю и поэтому

С.9.2. Ферритовый вентиль на явлении ферромагнитного резонанса

Конструкция ферритового вентиля на явлении ферромагнитного резонанса отличается от конструкции вентиля на эффекте смещения поля отсутствием поглощающей пластины и значительно большей величиной постоянного магнитного поля. Величина постоянного магнитного поля должна быть такой, чтобы в ферритовой пластине на рабочей частоте имело место явление продольного ферромагнитного резонанса.

При этом волна обратного направления, которую феррит «воспринимает» как волну с правой поляризацией, будет испытывать значительное поглощение в феррите, а волна прямого направления будет распространяться в волноводе с ферритовой пластиной практически без затухания.

С.9.3. Ферритовый вентиль на эффекте Фарадея

Ферритовый вентиль на эффекте Фарадея состоит из двух прямоугольных волноводов 2, которые плавно переходят в круглый волновод так, как это показано на рис. С.8. Внутри круглого волновода расположен ферритовый стержень 1. Вокруг круглого волновода расположен соленоид 4 с током, который создает магнитное поле, ориентированное вдоль оси ферритового стержня. При этом в феррите имеет место эффект Фарадея. Прямоугольные волноводы повернуты вокруг оси на 45о относительно друг друга. В

прямоугольных волноводах параллельно широким стенкам расположены тонкие поглощающие пластины 3. Постоянное магнитное поле и длина

ферритового стержня подобраны так, чтобы вектор Е волны Н11 при ее прохождении в волноводе с ферритовым стержнем поворачивался на 45о вокруг оси волновода.

Пусть в плечо I поступает волна Н10. Эта волна, не испытывая затухания в

поглощающей пластине (вектор Е волны перпендикулярен плоскости пластины и не наводит ток в ней), возбуждает в круглом волноводе волну Н11. Волна Н11, проходя по круглому волноводу, изменяет свою структуру за счет эффекта Фарадея (ее плоскость поляризации поворачивается на 45о по часовой

стрелке вокруг постоянного магнитного поля). При этом вектор Е этой волны становится перпендикулярным широкой стенке прямоугольного волновода плеча II и возбуждает в нем волну Н10 (см. рис. С.8,б).

Пусть теперь волна Н10 поступает в плечо II (см. рис. С.8,в). Эта волна, не испытывая затухания в поглощающей пластине поступает в круглый волновод, где ее плоскость поляризации поворачивается также на 45о по часовой стрелке вокруг постоянного магнитного поля. При

С.10. Ферритовые циркуляторы

Ферритовый циркулятор – это многополюсник, в котором движение потока энергии происходит в строго определённом направлении, зависящем от ориентации постоянного магнитного поля. Циркуляторы используются при одновременной работе приёмника и передатчика на одну антенну, незаменимы в параметрических усилителях и пр.

Основными параметрами циркулятора в рабочей полосе частот являются величина развязки между плечами циркулятора и коэффициент бегущей волны в волноводном тракте, нагруженном на циркулятор.

Величина развязки между плечами циркулятора определяется как отношение мощности на выходе соответствующего плеча к мощности на входе циркулятора. Величина развязки обычно выражается в дБ.

На практике используют Y-циркуляторы, фазовые циркуляторы, циркуляторы на эффекте Фарадея.

С.10.1. Y-циркулятор

В основе всех Y-циркуляторов лежит симметричное 120-градусное разветвление волноводной или полосковой линии передачи (рис. С.9). Электромагнитная волна, поступающая в плечо 1 такого разветвления, делится поровну между плечами 2 и 3. Поскольку плечо 1 нагружено в этом случае на сопротивление, равное половине волнового сопротивления линии, коэффициент отражения равен 1/3, а коэффициент стоячей волны равен двум.

Рисунок С.9 – Ферритовый Y-циркулятор

Рассмотрим такое разветвление, когда в его центре помещен намагниченный ферритовый цилиндр.

Пусть на вход 1 циркулятора поступает волна основного типа H10 . В

результате дифракции, которую испытывает эта волна на ферритовом цилиндре, в плечи 2 и 3 циркулятора приходят по две волны, которые проходят разной длины пути, огибая феррит с разных сторон.

Можно подобрать размеры и параметры феррита, а также величину постоянного магнитного поля так, чтобы электромагнитные волны a и b в плече 2 складывались синфазно, а волны c и d в плече 3 – противофазно, т.е. вычитались. В этом случае в плечо 3 энергия не поступает. Говорят, что плечо 3 развязано с входным плечом 1. Если теперь питание циркулятора производить со стороны плеча 2, то в согласованной нагрузке плеча 3 мощность будем выделяться, в в нагрузке плеча 1 мощности не будет.

В зависимости от направления постоянного магнитного поля движение потока энергии будет происходить или в направлении 1–2–3 (рис. С.9,а), или в обратном, т.е. в направлении 1–3–2 (рис. С.9,б). Изменение направления

Рассмотрим теперь, как распределяется мощность между плечами 1, 3 и 4 при питании моста со стороны плеча 2. Из свойств щелевого моста следует, что в этом случае в нагрузке плеча 4 мощность не выделяется.

При возбуждении плеча 2 энергия электромагнитной волны делится пополам вторым щелевым мостом. Волны с одинаковой амплитудой поступают на вход волновода с ферритовой и диэлектрической пластинами.

Одна волна, распространяясь в волноводе с диэлектрической пластиной, приобретает дополнительный сдвиг фаз ϕ , затем делиться первым щелевым мостом пополам и поступает в плечи 1 и 3. Волна, поступающая в плечо 1, приобретает еще один дополнительный сдвиг фаз π2 (на отверстии первого

щелевого моста).

Вторая волна, распространяясь в волноводе с ферритовой пластиной, приобретает дополнительные сдвиги фаз π2 (на отверстии второго щелевого

моста) и π + ϕ (на ферритовой пластине), затем делиться вторым щелевым мостом пополам и поступает в плечи 1 и 3. Волна, поступающая в плечо 3, приобретает при переходе через отверстие связи щелевого моста еще один дополнительный сдвиг фаз π2 .

Таким образом, в плечи 1 и 3 поступает по две волны с одинаковой амплитудой и различными фазами. При этом фазы волн в плече 3 совпадают, а фазы волн в плече 1 отличаются на π . В нагрузке плеча 3 выделяется мощность, а в нагрузке плеча 1 мощность не выделяется.

Аналогично можно показать, что при питании циркулятора со стороны плеча 3 мощность выделяется только в нагрузке плеча 4, а из плеча 4 мощность поступает только в нагрузку плеча 1.

Таким образом, движение потока энергии в приведенном фазовом циркуляторе будет происходить в направлении 1–2–3-4.

С.10.3 Циркулятор на эффекте Фарадея

Рассмотрим циркулятор на эффекте Фарадея, эскиз которого представлен на рис. С.11,а. Этот циркулятор состоит из прямоугольных волноводов 1, 2, 3 и 4, а также отрезка круглого волновода, внутри которого расположен ферритовый стержень. Волноводы работают в одволновом режиме. Вокруг круглого волновода расположена магнитная система (соленоид с током или цилиндрический постоянный магнит), который создает магнитное поле, ориентированное вдоль оси ферритового стержня. При этом в феррите имеет место эффект Фарадея. Прямоугольные волноводы 2 и 4 повернуты вокруг оси круглого волновода относительно волноводов 1 и 3 на 45о по часовой стрелке, если смотреть в направлении от плеча 1 к плечу 2. Постоянное магнитное поле

и длина ферритового стержня подобраны так, чтобы вектор Е волны Н11 при ее прохождении вдоль ферритового стержня, поворачивался на 45о вокруг оси волновода в том же направлении. В соответствии с невзаимностью это направление не зависит от направления движения волны.

недостатками таких устройств являются сравнительная сложность конструкции, большие габариты, трудности при согласовании волноводов 3 и 4 с круглым, необходимость применения длинных соленоидов.

С.11. Объемные резонаторы

Простейшим электромагнитным резонатором является колебательный LC-контур. В этом контуре запас электрической энергии создаётся в конденсаторе, а запас магнитной энергии – в катушке индуктивности. Переход энергии от электрического поля к магнитному сопровождается пространственным перемещением энергии из конденсатора в индуктивность. Уже в метровом диапазоне волн контур перестаёт работать удовлетворительно: сказываются межвитковые ёмкости катушек, индуктивность выводов и пластин конденсатора.

В диапазоне дециметровых и более коротких волн применяются резонаторы, в которых электромагнитные колебания возникают внутри ограниченного объёма, поэтому их называют объёмными резонаторами. Различают следующие типы объемных резонаторов:

−квазистационарные резонаторы, это резонаторы, в объёме которых можно выделить области, где в основном сосредоточены электрическая или магнитная энергия;

−резонаторы бегущей волны, представляющие собой отрезок направляющей системы, свёрнутый в кольцо;

−резонаторы из закороченных отрезков направляющих систем;

−открытые резонаторы, используемые преимущественно в оптическом диапазоне и представляющие собой систему из двух противостоящих зеркал.

С.11.1. Собственные и вынужденные колебания в резонаторах

Собственные колебания возникают в резонаторе при внешнем импульсном воздействии, когда в него поступает порция энергии. После процесса установления, колебания в резонаторе становятся квазигармоническими затухающими. При этом любой вектор электромагнитного поля в резонаторе зависит от времени по следующему закону:

определяющий структуру поля колебаний в резонаторе; ωc – собственная круговая частота колебаний резонатора; Q0 – собственная добротность резонатора.

Qн = QвнQ0 , Qвн + Q0

где величину

W

Qвн = ω0 Pвн ,

называют внешней добротностью резонатора.

3. Резонансная характеристика – зависимость комплексного входного сопротивления резонатора от частоты. Величина комплексного входного сопротивления резонатора зависит как от конструкции резонатора, так и от конструкции элемента связи резонатора с направляющей системой. Модуль и аргумент комплексного входного сопротивления резонатора определяют амплитудно-частотную и соответственно фазочастотную характеристики резонатора.

4. Полоса пропускания f резонатора определяется обычно из условия, что внутри полосы пропускания амплитудно-частотная характеристика не изменяется более чем в 2 раза, при этом f ≈ f0 Q0 .

5. Структура электромагнитного поля резонатора, которая определяет поведение векторов электромагнитного поля внутри резонатора. Сведения о структуре поля резонатора позволяют оптимальным способом соединить резонатор с генератором и нагрузкой.

С.11.3. Квазистационарные резонаторы

К квазистационарным резонаторам относят тороидальный,

магнетронный и коаксиальный резонатор с зазором.

На рис. С.12 изображен тороидальный резонатор, используемый в клистронах. В нем электрическое поле сосредоточено почти полностью в зазоре шириной d , а магнитное – в тороидальной области. Резонансная частота основного колебания воздушного тороидального резонатора рассчитывается по

На рис. С.13 изображен магнетронный резонатор, используемый в магнетронах – генераторах СВЧ большой мощности и состоящий из 8 ячеек. В каждой ячейке электрическое поле в основном сосредоточено в узком зазоре шириной d , магнитное поле – в цилиндрической полости радиуса R . Резонансная частота основного колебания ячейки воздушного магнетронного резонатора рассчитывается по следующей формуле: