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

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 09.04.2024

Просмотров: 159

Скачиваний: 3

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

тимым ее движением в прямом направлении; фазовый коэффициент

р при

этом становится отличным от

нуля, хотя и остается

мень­

шим

а.

 

 

 

 

ФЕРРИТОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ КОНЕЧНЫХ РАЗМЕРОВ

 

 

На практике избегают сплошного заполнения отрезка

волновода

или коаксиальной линии ферритом,

так как это привело

бы

к зна­

чительному отражению от границы феррит—воздух, возникновению нежелательных резонансных явлений и появлению в заполненном участке волн высших порядков. Поэтому в волновод (или линию) помещают ферритовый элемент в виде стержня, пластины, диска или шара, размеры которого намного меньше внутренних размеров волновода. Для уменьшения отражений концы пластин и стержней заостряют.

Итак, в отличие от рассмотренных выше случаев безграничной ферритовой среды, в реальных устройствах постоянное и высоко­

частотное поля действуют в

пространстве,

заполненном

двумя

средами: воздухом и ферритом. Решение соответствующей

задачи

в общем виде весьма

громоздко. Однако при малых по сравнению

с Я размерах элемента

применимы

квазистатические приближения.

Напряженность магнитного

поля

Н внутри

ферритового

элемен­

та не равна напряженности Н<е> вне его вследствие разрыва нор­ мальной составляющей вектора Н на границе раздела. Можно считать, что намагничение феррита внешним полем приводит к по­ явлению на его концах магнитных зарядов, поле которых противо­ положно приложенному. Поэтому составляющая внутреннего поля по любой оси

 

 

 

 

Н = H{e)

—

NM,

 

 

 

(16.32

где N —

размагничивающий

фактор для элемента

заданной

формы

вдоль соответствующей

оси: NM — внутреннее

поле, созданное

на­

веденными магнитными

зарядами.

 

 

условию Nx

+ Nv

+

Размагничивающие

факторы

подчиняются

-\-Nz—\.

Д Л Я

шара Nx

= Ny

= Nz=\/3.

Для вытянутого

вдоль

оси z

эллипсоида, эллиптического или кругового цилиндра: Nx

= b/(a +

b)\

Nv = a/(a

+ b);

N2 = 0, где а и b — полуоси эллипса

в поперечном

се­

чении по осям х и у. В этом случае заряды

на

концах стержня

удалены настолько, что не влияют

на продольную составляющую

Нг. Для тонкого диска

с осью z, наоборот, NX

= NV=Q;

Nz=\.

 

 

Все соотношения, полученные ранее, относятся к напряженно-

стям высокочастотного

Н и постоянного Н0 магнитных полей внут­

ри

феррита. Известны

же

обычно

переменное

Н<е> и

постоянное

Н 0е)

внешние

магнитные поля, существующие в волноводе вне фер­

ритового элемента. Поэтому во всех уравнениях, начиная с (16.6), нужно заменить Н на Н<е) по ф-лам вида (16.32), в результате чего вместо (16.8) получается выражение для внешнего тензора магнит-

ной проницаемости, связывающего В<е) и Н(е', компоненты которого зависят не только от параметров феррита, но и от формы элемен­ та. Дальнейшие преобразования приводят к расчетным соотноше­ ниям, относящимся к внешним магнитным полям.

Например, резонансное значение внешнего постоянного магнит­ ного поля, направленного вдоль оси z и соответствующего про­ дольному ферромагнитному резонансу:

" » =±

[ V > +

+

(16.33)

 

 

 

 

Для

длинного круглого стержня

Nx=\Ny=0,5; iVz =0. Тогда

Внешнее магнитное поле, необходимое для продольного резо­

нанса,

меньше значения # р е з , определяемого по ф-ле (16.5).

 

16.3. Узлы с ферритом

НЕВЗАИМНЫЕ УСТРОЙСТВА

При введении в волноводный узел намагниченного ферритового элемента во многих случаях узел становится невзаимным, т. е. не отвечающим теореме взаимности; тогда он описывается несиммет­ ричной матрицей рассеяния. Обычно такие узлы линейны. На практике используется несколько функциональных типов невзаим­ ных узлов.

Г и р а т о р

— невзаимный узел, вращающий плоскость поля­

ризации волны

типа # ц в круглом волноводе. Гиратор может вхо­

дить в состав других невзаимных устройств. Принцип его дейст­ вия основан на эффекте Фарадея.

В е н т и л ь

(изолятор) — двухплечий узел с весьма

малым

затуханием в

прямом направлении передачи (например,

1-*-2) и

большим затуханием в обратном направлении. Матрица

невзаимна

и неунитарна. При идеальном согласовании вентиля

 

[S] =

О

5 И -

5 2 1 # S 1 2 .

(16.34)

S«

О

Вентили поглощают отраженную волну в тракте, устраняя тем самым одну из существенных причин искажений передаваемого сигнала и улучшая согласование. Часто используется различие коэффициентов затухания прямой аП р и обратной а0 бр волн на участке волновода длиной /, заполненном ферритом. Если аП р<С

<Са0 бр,

| 5 2 i j = e

п р

« 1 и

| 5 і 2 | = е

о б р

<С1.

Эффективность

вентиля

определяется

вентильным отношением, т.

е. отношением

ослаблений обратной

и прямой волн, выраженным

в децибелах:

 

Е

=

® ^ 6 Р ^

20

'g 1 S121

_

Кар

(16 35>

 

 

 

"nP

20

lg I S n I

 

«ПР *

 

 

 

 

 

 

 

 

 

456

Условное графическое обозначение вентиля показано на рис. 16.8а.

Н е в з а и м н ы й ф а з о в р а щ а т е л ь

(рис. 16.86) создает для

волны, распространяющейся в одном

направлении,

фазовый

сдвиг

на Дгр, больший,

чем для

волны

 

а)

 

 

б)

 

 

противоположного

 

направления,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

»_

 

 

 

за счет различия фазовых коэф­

 

 

 

i~~

1

 

фициентов прямой

р п р

и

обрат­

 

 

ОС

"~!

 

ной бобр волн на участке I. Фазо­

 

 

 

 

 

 

 

вый

сдвиг в обратном

направле­

 

Рис.

16.8

 

 

 

 

нии

<фобр=В0 бр^

 

а

в

 

прямом

 

 

 

 

 

t|3np=fWТакой узел

описывает­

 

 

 

 

 

 

 

ся невзаимной

матрицей (16.34) при

 

 

 

 

 

 

 

S«

= Є

 

1%Р

= е - Ч * о б Р

+ '

 

Sn

= Є •libобР

 

(16.36)

где Дг|5=(рп р —Робр) I — невзаимный

фазовый

сдвиг.

 

 

Если потери

не

учитываются,

то | S 2 i | — | 5 і 2 | = 1

и матрица

унитарна.

 

 

— трехили

четырехплечий

узел,

пропускающий

Ц и р к у л я т о р

 

волну

между

соседними

плечами

в

определенном

порядке,

нап­

ример 1-*-2--*3-*-1, что

указывается

стрелкой

на его символичес­

ком изображении. В противоположном

направлении

энергия не

проходит. Матрица

идеального

трехплечего циркулятора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IS]

1

о

 

 

 

 

 

(16.37)

 

 

 

 

 

 

 

 

О 1

 

 

 

 

 

 

унитарна, хотя и невзаимна. Изменение направления постоянного магнитного поля в циркуляторе на обратное приводит к обратной циркуляции волны: 1-+3->-2-*~1. На рис. 16.9 приведены некоторые функциональные схемы, использующие циркуляторы:

—вентиль, рассчитанный на большие мощности (рис. 16.9а); обратная волна поглощается в специальной нагрузке;

—дуплексер (рис. 16.96) — разделитель трактов передатчик— антенна и антенна—приемник в радиолокационной или радиоре­ лейной станции;

—разделительный фильтр (рис. 16.9в). Сложный сигнал, на­

пример, из антенны, содержащий ряд частотных полос, разделяет­ ся по соответствующим приемникам. В плечи циркулятора включе­ ны полосовые фильтры на соответствующие частоты, отражающие сигналы вне своей полосы. Такое же устройство объединяет на общую антенну сигналы от нескольких передатчиков, работающих в разных частотных каналах. Разделительные фильтры служат для уплотнения радиорелейных линий группой высокочастотных ство­

лов, в каждом из которых передается

широкополосный сигнал:

телевидение, многоканальная телефония

и т. п.;

\МАнтенна

Антенны

' \ /Антенна

1 \ Параметрический (~s\unu кдантодый

^\\^Цг^исилитель

Приемник

Рис. 16.9

— согласованный полосовый фильтр, выделяющий частоту U (рис. 16.9г); колебания остальных частот поглощаются в на­ грузке;

—согласованный режекторный фильтр (рис. 16.95); погло­ щается полоса частот вблизи fu

—схема предварительного усиления принятого сигнала в квантовом или параметрическом усилителе, работающем на от­ ражение (рис. 16.9е);

—реверсивные управляемые циркуляторы (рис. \6.9ж) служат быстродействующими переключателями; например, подсоединяют приемник или передатчик к той или иной группе антенн или вхо­ дят в переключающие матрицы вычислительных машин свч (цир­ куляция происходит в направлении, отмеченном точкой, если по­ стоянный ток входит в тот конец управляющей обмотки, где так­ же стоит точка).

Во всех рассмотренных схемах применяются трех- и четырехплечие циркуляторы. Рис. 16.9в показывает, что число плеч в узле можно произвольно увеличить, соединив последовательно нес­ колько циркуляторов.

458

УПРАВЛЯЮЩИЕ ФЕРРИТОВЫЕ УСТРОЙСТВА

Другой важный класс образуют управляющие устройства с фер­ ритом (см. параграф 15.4), изменяющие амплитуду, фазу и поло­ жение плоскости поляризации свч сигнала. Применяются как взаимные, так и невзаимные управляющие узлы (свойство невза­ имности при таком применении несущественно). Рассмотрим основные устройства этого класса.

Г и р а т о р ы с регулируемым полем намагничивания Я 0 служат для корректировки плоскостей поляризации волн типов Я,, и //fj (см. параграф 9.5) перед входом в разделительный поляри­ зационный фильтр (рис. 13.23).

Ф а з о в р а щ а т е л и (взаимный и невзаимный). В данном слу­ чае используется возможность плавно или ступенчато менять ірпр при помощи поля намагничения [см. ф-лу (16.36)]. Возможно,

ЧТО 1рпр = Іробр.

А м п л и т у д н ы е

м о д у л я т о р ы , п е р е к л ю ч а т е л и , в ы ­

к л ю ч а т е л и

строятся на основе

циркуляторов и вентилей с из­

меняемым магнитным полем Н0.

частотноизбирательные узлы с

Ф е р р и т о в

ы е

ф и л ь т р ы —

плавным управляемым изменением резонансной частоты /о. Осно­

ваны на явлении ферромагнитного

резонанса.

О г р а н и ч и т е л и м о щ н о с т и

с в ч можно рассматривать

как самоуправляемый регулятор амплитуды сигнала. В ограничи­ теле используются нелинейные свойства феррита1 ), которые про­ являются в том случае, когда амплитуда переменного магнитного поля Н становится сравнимой с #о- Ферритовые ограничители ис­

пользуются для защиты входа

приемника от мощных

импульсов

в радиолокационных системах

(рис. 16.96). Они

обладают рядом

преимуществ

по сравнению с

газоразрядными

ограничителями

{см. параграф

16.4), главным

из которых является

практически

мгновенное ограничение мощного импульса. Ферритовые ограни­ чители используются также в измерительных приборах и других устройствах.

С п о с о б

ы у п р а в л е н и я .

Во всех случаях управление осу­

ществляется

изменением магнитного поля Но, намагничивающего

феррит. Скорость управления

зависит от типа магнитной системы,

создающей это магнитное поле. Различают:

—устройства с поперечным магнитным полем (Н0 перпендику­ лярно оси волновода или линии), создаваемым внешними маг­ нитами; их быстродействие — порядка 1—(10 мс;

—устройства с продольным магнитным полем (Но параллель­ но оси волновода) и внешними магнитами; они обеспечивают бы­ стродействие 10—100 мкс;

') Нелинейные ферритовые устройства применяются также для детектиро­ вания, умножения и преобразования частоты, параметрического усиления и ге­ нерации колебаний.

Смотрите также файлы