Файл: Семенов Н.А. Техническая электродинамика учеб. пособие для электротехн. ин-тов связи.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 09.04.2024

Просмотров: 153

Скачиваний: 3

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

— устройства с внутренней магнитной памятью, в которых при­ меняются ферритовые элементы с прямоугольной петлей гистере­ зиса; их время переключения или управления 0,01 — 1 мкс.

16.4. Устройства, использующие эффект Фарадея

ГИРАТОР

Эффект вращения плоскости поляризации реализуется на волне

типа Ни

в круглом волноводе, поперечная

структура

которой

близ­

ка

к плоской

волне. Тонкий

ферритовый

стержень

помещают

на

 

 

 

 

оси волновода

(рис. 16.10). Соленоид

 

сна-

 

£ f f y ^*s«sS $ ^

ружи

волновода

обеспечивает продольное

/^%00^^[1г\

И0

намагничение

стержня,

неизменное

либо

/Ш^---^^^^^Г

 

регулируемое.

 

 

 

 

 

 

 

\ и^г^

lJ*sr

^ а к

к а к Ф е Р Р и т

занимает

лишь

неболь-

\^dss&8$£!^^^

 

шую часть поперечного сечения волновода,

ч З д а ^ ^ ^ ^

постоянная Фарадея в этом случае соответ­

 

 

 

 

ственно меньше, чем в сплошном

феррите

Рис.

16.10

 

 

[ф-лы (16.22), (16.23)]. При слабом намаг­

 

 

 

 

ничении

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Я в =

1 , 0 5 р , ^ - ( — х ' ) = 6 , 6 J ^ ^ ! L ,

 

(16.38)

 

 

 

 

5

 

 

S

v

 

 

 

 

где

ро = о)/у — фазовый коэффициент

в пустом

волноводе. Как

и в

безграничной

среде,

постоянная Фарадея

пропорциональна

намаг­

ниченности феррита и, кроме того, отношению площадей попереч­ ных сечений ферритового стержня 5ф и волновода 5.

При утолщении стержня возникают явления, не учитываемые приведенным соотношением. Довольно значительная величина є феррита делает его подобным диэлектрическому волноводу. Поле концентрируется внутри стержня, приближаясь по структуре к поверхностной волне EHW, постоянная Фарадея RB увеличивается, стремясь в оределе к постоянной Фарадея \R в сплошном ферри­ те. С увеличением диаметра стержня понижаются критические ча­ стоты всех воли. Опасность появления волн высшего порядка и ухудшение согласования заставляют ограничиваться применением стержней небольших диаметров.

Величина и знак постоянной Фарадея RB зависят от направле­ ния и напряженности внешнего постоянного магнитного поля Не0. Поэтому отрезок волновода, показанный на рис. 16.10, может слу­ жить электрически управляемым гиратором. Изменяя направление и силу тока соленоида, соответственно меняем плоскость поляри­ зации волны Ни на выходе гиратора.

ЦИРКУЛЯТОР, ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ И ВЕНТИЛЬ

Ц и р к у л я т о р , использующий эффект Фарадея в круглом волноводе,,показан на рис. 16.11. Здесь Я переход от прямоугольно­ го волновода (волна типа Ні0) к круглому (волна типа Ни); Ф —


фильтр, отражающий волну # и , поляризованную параллельно плоскости металлической пластины; Р — разветвление; Г — гира- гор с неизменным полем Я 0 , обеспечивающим поворот плоскости поляризации на 45°.

Вектор Е волны, входящей в плечо 1, поляризован в направле­ нии А; поэтому волна беспрепятственно проходит через фильтр Фь При повороте в боковое плечо Р вектор Е оказался бы парал­ лельным широкой стенке волновода 3, однако для такой поляриза­ ции прямоугольный волновод является запредельным, поэтому

волна проходит разветвление Р\, не ответвляясь. Гиратор Г пово­ рачивает плоскость поляризации в положение В и волна через элементы Ръ Фг, Пг проходит в плечо 2. Аналогично из плеча 2

волна с поляризацией

В проходит до гиратора

Г, где

направление

электрического

вектора

меняется на

С,

параллельное

узкой стен­

ке волновода в

плече

3.

От фильтра

Фі

эта

волна отражается «

полностью проходит в плечо 3. Точно так же осуществляется пере­ ход волны из плеча 3 в плечо 4 и из 4 ъ 1. Следовательно, устрой­

ство реализует матрицу

((16.37).

выше устройство, но без пле­

П е р е к л ю ч а т е л ь .

Описанное

ча 3 может служить электрически

управляемым переключателем.

Если направление тока в соленоиде гиратора изменить на обрат­

ное, .не меняя его величины, то волна

в нем

будет поворачиваться

на 45° по

часовой стрелке. При этом

волна

из плеча 1

попадает

в плечо 4.

Быстродействие переключателя ограничивается

коэффи­

циентом самоиндукции обмотки и токами Фуко, возникающими в стенках волновода при перемагничении. Величина этих токов огра­ ничивается двумя способами. Либо металлические стенки волново­ да заменяются диэлектрическими, покрытыми изнутри слоем се-


ребра толщиной в несколько микрометров, либо в волноводе про­

резается

продольная щель

(разрывающая путь вихревых

токов),

которая

может

быть заклеена очень тонкой металлической

плен­

кой (порядка

0,01

мкм). Применение

любого из этих

способов

позволяет достичь быстродействия 10-4-100 мкс.

 

 

В е н т и л ь

конструируется на основе схемы циркулятора

рис.

16.11, если из

него

изъять

секции Р2

и Фг и поместить

в

плечо

3 поглощающую нагрузку. Тогда прямая волна полностью прохо­

дит

из плеча 1 в плечо

2, а обратная — из плеча 2 в плечо 3,

где

она

поглощается.

 

 

 

Более компактное устройство с меньшей мощностью поглоще­

ния

можно получить,

изъяв из циркулятора, изображенного

на

рис. 16.11, секции Рі, Рг и Ф2 . Фильтр Фі выполняют в виде пла­ стины из поглощающего материала. Прямая волна (1-+2), поля­ ризованная перпендикулярно этой пластине, проходит почти без потерь. Электрический вектор обратной волны (2-+1) после про­ хождения ею гиратора находится в положении С, параллельно пластине, поэтому волна поглощается.

Вентиль другого типа основан на резонансном поглощении вол­ ны с круговой поляризацией (рис. 16.12). Линейно поляризован­

ная волна переходит из плеча

1 в круглый волновод, где она пре­

образуется

четвертьволновой

пластиной (см. параграф 13.6) в

волну с левой (отрицательной)

круговой поляризацией,

не испы­

тывающей

поглощения в' ферритовом стержне. Вторая

четверть­

волновая пластина восстанавливает линейную поляризацию вол­ ны. Обратная волна оказывается поляризованной по кругу поло­ жительно (относительно вектора Н0 ) и поглощается ферритовым

стержнем, в котором на заданной

частоте при Н0 = # р е з

возни­

кает продольный ферромагнитный

резонанс.

 

Узлы, основанные на эффекте Фарадея, используют в диапазо­ нах сантиметровых и миллиметровых волн. Если волноводный тракт прямоугольный, применение таких узлов неудобно, так как требует переходов на круглый волновод. Этим объясняется огра­ ниченное применение таких узлов. Разработаны ферритовые узлы с продольным намагничением, построенные на прямоугольном вол­ новоде, однако их параметры еще значительно уступают другим известным устройствам.


16.5. Узлы с поперечно-намагниченным ферритом

ПРЯМОУГОЛЬНЫЙ ВОЛНОВОД С ФЕРРИТОВОЙ ПЛАСТИНОЙ

Явления в поперечно намагниченном феррите позволяют осущест­ вить ряд устройств на прямоугольных, Н- и П-образных волново­ дах, полосковых и коаксиальных линиях. Такие устройства удоб­ ны тем, что не требуют переходов к волноводу другого типа. Их магнитная цепь, содержащая внешний магнит и ферритовый эле­ мент, имеет относительно небольшие воздушные зазоры (рис. 16.13а); от магнита требуется не очень большая магнитодвижущая

Рис. 16.13

сила. Поэтому в неуправляющих устройствах с поперечным маг­ нитным полем применяют постоянные магниты.

Быстродействие управляющих устройств с внешними электро­ магнитами (1 —10 мс) ограничено высокой самоиндукцией управля­ ющей обмотки. Теперь широко внедряются узлы с внутренней маг­ нитной цепью и управлением .импульсами тока (ірис 16.136).

К о э ф ф и ц и е н т р а с п р о с т р а н е н и я

в о л н ы .

Рассмот­

рим явления, возникающие в прямоугольном,

волноводе

с попе­

речно намагниченным ферритовым элементом, на основе изучен­ ных в 16.2 свойств необыкновенной волны. Если постоянное маг­ нитное поле направлено по оси z (рис.. 16.14а), а прямая волна

Прямая Sonна. Обратная волна.

Рис. 16.14

распространяется вдоль оси х в положительном направлении, то нужно переименовать все координаты в соотношениях (9.24) для поля волны тина Ню:

Hx = H0costy; Я ° = і А я . 8 І п ^ ; t\ = - і tf„sin\y, (16.39)

где верхний индекс «О» соответствует волноводу без феррита. Исследуем структуру магнитного поля в горизонтальной плос­

кости (рис. 16.146). Составляющие Нх и Ну взаимно перпендику­ лярны, сдвинуты по фазе на 90° и имеют различное распределение по оси у. При у=0 у = а поле поляризовано линейно вдоль оси волновода, три #=0,5 а оно также поляризовано линейно, но перлендикулярно оси, а їв промежуточных положениях — эллиптически. В сечениях вблизи у=0,25 а и у = 0,75 а 'магнитное поле поляризова­ но по «ругу, причем в левой половине (волновода поляризация поло­

жительная

(относительно

Но), а в правой

— отрицательная. Точ­

ное

положение

круговой

поляризации

определяется

равенством

\Н°Х

\ = \Н°\

и

меняется

с изменением частоты. Волну с линейной

или эллиптической поляризацией можно

разложить на две: с кру­

говой поляризацией и

противоположным

вращением векторов

(ом. ф-лу (3.54)]. Поэтому только в двух положениях

магнитное

поле имеет чисто круговую поляризацию одного направления.

Существенно взаимодействие с ферритом только волны с поло­ жительным направлением вращения. Поэтому максимально фер­ рит воздействует на волну в волноводе в сечении А. Наоборот, в

сечении В взаимодействие

почти отсутствует, так как здесь нет по­

ложительно вращающейся

компоненты.

 

 

 

 

 

Определим фазовую скорость прямой

волны

при слабом

на­

магничении

феррита.

В дорезонансной

области

( Я 0 < 0 , 7 Я р к і )

для необыкновенной волны

и для волны, поляризованной

по кругу

с положительным вращением, магнитные

проницаемости

0 < р ^ < 1 ,

0<р'+<1-

Следовательно, эквивалентная

магнитная

проницаемость

феррита в сечении А 0<р,ф < 1

и фазовая скорость

волны в

вол­

новоде г?щ>>Уєі (vei

— фазовая

скорость волны

в волноводе

с ди­

электрической пластиной, имеющей те же размеры и то же значе­

ние е, что и ферритовая). При увеличении

напряженности постоян­

ного поля Н0 в определенных пределах уменьшается ц,ф

(см. рис.

16.7) и увеличивается vnv. Если пластина

сдвигается из

положения

А, амплитуда волны Н с положительной круговой поляризацией

уменьшается и скорость vnp

приближается к vei-

положительной

Для

обратной

волны

(рис.

16.14в) поле с

круговой поляризацией находится

в сечении В, а в сечении А, где

помещена

пластина, поляризация

отрицательна.

В этом

случае

взаимодействие

феррита

с магнитным полем согласно рис. 16.4

для ц і

приводит к Цф > 1 , т. е. фазовая скорость

v06p<veu

 

Различие фазовых скоростей обусловливает невзаимный

фазо­

вый сдвиг.

При наличии

пластины в сечении А

vnp>[V06p

и Ар =


= рП р—Робр<0. Если 'поместить ферритовую пластину

в сечение В,

то А р > 0 . Замедление волны за счет диэлектрической

проницаемо­

сти ферритовой пластины (е'>1 )

одинаково для волн

обоих на­

правлений. Однако с увеличением

є' электромагнитное

поле боль­

ше концентрируется у феррита, что нарушает его распределение в волноводе, при этом увеличивается взаимодействие волны с фер­ ритом, а следовательно, и невзаимный фазовый сдвиг, но ухуд­ шается согласование.

Найдем в первом приближении коэффициент

распространения

для волновода с тонкой пластиной (рис. 46.14).

Воспользуемся

для этого методом возмущений, предполагая, что поле в волново­ де не искажено, поле внутри пластины однородно, а его состав­

ляющие Нх

и Ez, тангенциальные

к

границе,

 

и нормальная

к ней

составляющая Ву

равны

соответствующим

компонентам в

неза­

полненном

волноводе. Из

ф-л (13.7),

(16.2),

 

(16.8), (16.39)

после

ряда преобразований

получим

выражения

 

для

коэффициентов

распространения прямой упр и обратной у0 бр волн:

 

 

 

 

 

 

1

~

2

 

 

 

YnP

1

,

AS

k'n

sin2

£l/o +

 

 

 

 

 

 

 

 

} — Yo -t- Yo

 

 

 

 

Po

 

 

 

Yo6PJ

 

s

 

 

 

 

 

 

 

+0*j. -

1) -g-cos2 ly0

+

 

J-sin 21 y0),

 

(16.40)

где Yo=i'Poкоэффициент распространения в волноводе без фер­

рита;

S = ab

— площадь

сечения

волновода; AS=dh — площадь

сечения

ферритовой

пластины с

относительными проницаемостя-

ми є

и

II цУ;

£ = л/а;

р . х

определяется ф-лой (16.27).

Разность между коэффициентами распространения в прямом и обратном направлениях определяется только последним^ слагае­ мым в фигурных скобках, т. е. упр—Yo6p = — і 2 | ( Д 5 / 5 ) (x/u)sin2|i/0 -

НЕВЗАИМНЫЕ ФАЗОВРАЩАТЕЛИ

В слабых магнитных полях потери в феррите невелики, и можно

считать

х = х' и

ц. = р/.

При длине

пластины

/

разность

фаз для

прямой

н обратной волн составляет

 

 

 

 

 

 

 

А гр = Д р / = ( р п р - Р о в р ) = - 2 1

 

 

sin 2£ у0.

(16.41)

Невзаимный фазовый сдвиг зависит от положения пластины в

волноводе

по

закону sin

(2пу0/а):

он максимален

по

модулю при

г~

0,25 а

и

г« 0 , 7 5 а.

Дф = 0

при

г= 0; 0,5

и

1,0.

Это

подтверж­

дает

изложенное

выше.

Если

# о < С # Р е з х . т °

М<'~1-

Следователь­

но, при фиксированном

положении

пластины

разность фаз А-ф

пропорциональна

| х ' | . И з рис. 16.2 видно, что

в начальной части

характеристики, пока феррит не насыщен, величина

| х ' | . пропор­

циональна

Н0. Это же вытекает из ф-л (16.7),

(16.9), так

как в не-!

465