Конспект лекций по дисциплине Устройства микроволнового и оптического диапазонов Агафонцева О.И

Министерство образования и наук Украины

Севастопольский национальный технический университет

 

 

Факультет Радиоэлектроники

Кафедра Радиотехники

 

Конспект лекций по дисциплине «Устройства микроволнового и оптического диапазонов»

Выполнил доцент, к.т.н.

Агафонцева О.И.

 

Севастополь

ОСОБЕННОСТИ ДИАПАЗОНА СВЧ

Начав свое развитие в радиолокации, техника СВЧ распространилась на радиосвязь, телевидение, телеметрию, промышленную электротехнику, ускорительную… Освоение космического пространства, нарастающее использование электроники СВЧ… Электромагнитные колебания диапазона СВЧ обладают рядом важных физических особенностей и свойств, отличающими их от…

Глава 1. Линии передачи и согласующие устройства.

1.1 Классификация линий передач.

 

Линия передачи (фидер) есть устройство, предназначенное для передачи электромагнитной энергии от ее источника к нагрузке.

Различаются регулярные и нерегулярные линии передачи. Регулярная линия передачи представляет собой прямолинейный участок линии геометрические и электрические параметры, которой одинаковы по длине.

В нерегулярной линии передачи электрические параметры являются функцией продольной координаты.

Обычно фидер состоит из отрезков регулярных линий и различных неоднородностей (соединительные устройства, элементы согласования и др.).

Классификация регулярных линий передачи может производится по различным признакам.

Основные отличия линий друг от друга, как к конструктивной реализации, так и методах анализа определяются типом электромагнитных волн, распространяющихся вдоль линии. В соответствии с этим различают:

- Линии передачи с поперечными электромагнитными волнами (типа Т): двух и многопроводные линии, коаксиальные и полосковые линии передачи;

- Волноводные линии передачи с волнами электрического (Е_mn) или магнитного (Н_mn) типов: волноводы прямоугольного, круглого и других форм сечения;

- Линии передачи поверхностных волн: диэлектрические волноводы.

 

1.2 Основные электрические характеристики линий передачи

 

Процесс передачи электромагнитной энергии в любой регулярной линии передачи может исследоваться с помощью модели в виде двухпроводной линии.

1. Модуль Г_н и фаза φ_н комплексного коэффициента отражения нагрузки Г_н определяют из соотношения:

Ǻ _о

Ѓ_н = = Г_н е ^jφн (1)

Ǻ _п

 

где

Ǻ - комплексная амплитуда напряжения тока или какого-либо из компонентов электромагнитного поля;

Ǻ _п – падающие волны в конце линии (z=0);

Ǻ ₀ - отражающие волны в конце линии (z=0).

Различают коэффициенты отражения по напряжению (напряженности электрического поля) и по току (напряженности магнитного поля).

В дальнейшем будем пользоваться коэффициентом отражения по напряжению. На расстоянии z от нагрузки коэффициент отражения будет:

 

Г_z= А_ое^-jz/ А_пe^jz = Г_не^-2kz (2)

Где k =ά + j β – коэффициент распространения вдоль линии.

Для линии без потерь γ = j β

Ѓ _z = Ѓ_н е^{–2 β z} (3)

2. Полное входное сопротивление линии в любом сечении на расстоянии z от нагрузки определяется соотношением:

1 + Ѓ_z

Z̉ _вх= W , (4)

1 – Ѓ_z

где W – волновое сопротивление линии.

На конце линии, где включена нагрузка Z_н, сопротивление равно

1 + Г̉_н

Z̉_н = W (5)

1 – Г̉_н

а комплексный коэффициент отражения от нагрузки определяется

Z̉_н – W

Г̉_н= (6)

Z̉_н + W

3. Коэффициент стоячей волны (К_св) в линии у нагрузки определяется как отношение максимальной величины напряжения в линии к минимальному

А_max A_o + A_n 1 + Г_н

К_св = = = (7)

A_min A_n– A_o 1 – Г_н

Величина обратная К_св называется коэффициентом бегущей волны (К_бв)

1 – Г_н

К_бв = . (8)

1 + Г_н

 

4. Фазочастотная характеристика линии определяется зависимостью фазового сдвига φ, создаваемого линией передачи от частоты сигнала, распространяющегося по линии в режиме согласования:

Φ = β l = 2πl / λ

 

 

1.3 Типы линий передачи и их параметры

 

1. Общие требования, предъявляемые к линиям передачи:

- коэффициент полезного действия линии должен быть достаточно высок;

- линия передачи должна передавать заданную мощность без электрического пробоя;

- электрические характеристики линии передачи должны обеспечивать передачу сигналов с минимальными искажениями в заданной полосе частот;

- линия передачи не должна обладать антенным эффектом, т.е. не должна излучать или принимать электромагнитные волны;

- конструкция линии должна обеспечивать механическую прочность при возможно малых габаритах и массе.

 

Линии передачи с волной типа Т

Электромагнитные поля волн типа Т не имеют продольных составляющих, силовые линии полей лежат полностью в плоскости поперечного сечения. Двухпроводная открытая линия. (рис.1.2.а) изготовляется из двух проводов…    

Глава 2. Частотно- избирательные фильтры.

Фильтром называется устройство, предназначенное для подавления одних частотных составляющих спектра сложного сигнала и обеспечение хорошей передачи других.

Фильтрующие свойства фильтра можно однозначно охарактеризовать его затуханием, вносимым в тракт. При этом полосу частот с малым затуханием называют полосой пропускания, а полосу частот с большим затуханием - полосой заграждения. В зависимости от взаимного расположения полос пропускания и затухания, фильтры могут быть разделены на фильтры нижних (ФНЧ) и верхних частот (ФВЧ) полосопропускающие (ППФ) или полосозапирающие (заграждающие)(ПЗФ).

Фильтры также используются для разделения частот в двухканальных и многоканальных разделительных устройствах (диплексеры и мультимплексеры).

По конструктивному исполнению фильтры могут быть разделены на следующие три основные группы: коаксиальные, волноводные и полосковые.

Волноводные фильтры находят применение в сантиметровом диапазоне частот, где их габариты оказываются конструктивно приемлемыми. Коаксиальные фильтры в основном применяются в дециметровом и метровом диапазонах. Полосковые фильтры применяются в сантиметровом и дециметровом диапазонах. Они имеют меньшие габариты и массу, чем волноводные и коаксиальные. Однако обладают меньшей избирательностью.

Основные характеристики фильтров:

1. полоса пропускания;

2. допустимый уровень затухания в полосе пропускания;

3. полоса заграждения и требуемая величина затухания;

4. крутизна скатов частотной характеристики затухания в переходной области, связывающей полосы заграждения и пропускания.

В зависимости от вида частотной характеристики затухания фильтры могут быть разделены на несколько типов:

1. фильтры с частотной характеристикой, выраженной полиномом Чебышева первого рода.

Достоинствами таких фильтров является то, что они имеют наибольшую крутизну скатов по сравнению с другими типами фильтров (при равном числе звеньев). Недостатками этих фильтров являются нелинейность фазовой характеристики и неравномерность амплитудно-частотной характеристики, что приводит к искажению передаваемого сигнала.

2. Фильтры с максимально-плоской частотной характеристикой обеспечивают равномерность характеристики вблизи резонанса и монотонность ее изменения в пределах полосы пропускания. Этот тип фильтра обладает наибольшей линейностью фазовой характеристики.

3. Фильтры с одинаковыми звеньями имеют наибольшую неравномерность частотной характеристики в полосе пропускания, причем глубина провалов растет с увеличением количества звеньев фильтра. Преимуществом фильтров этого типа является простота разработки и регулировки.

Структуры фильтров.

По своей структурной схеме большинство фильтров СВЧ относится к лестничной или ступенчатой структурам.

Лестничная структура фильтра представляет собой однородную линию передачи, содержащую несколько параллельно подключенных реактивных элементов.

 

 

Рис.2.1 ППФ лестничной структуры: а – волновод с резонансными диафрагмами; б – эквивалентная схема.

 

Примером использования лестничной структуры для создания полосопропускающего фильтра является установка в волноводе резонансных диафрагм, разнесенных на некоторый интервал друг от друга (рис.2.1 а). Каждая такая диафрагма эквивалентна параллельному резонансному контуру, включенному в линию параллельно (рис.2.1 б ).

Ступенчатая структура фильтра представляет собой цепочку однородных линий одинаковой электрической длины и различного волнового сопротивления. Примером ступенчатой структуры является фильтр нижних частот, показанный на рис. 2.2 а.

Эквивалентная схема показана на рис.2.2 б.

Фильтр выполнен из набора чередующихся участков полосковой линии с высоким и низким волновым сопротивлением, что достигается изменением ширины внутреннего проводника линии. Участок линии, длина которого ℓ меньше четверти длины волны, можно рассматривать как Т схему (рис.2.2 б), состоящую из последовательной реактивности X/2 и параллельной

проводимости.

 

Рис.2.2 ФНЧ ступенчатой структуры: а – полосковая линия со ступенчатой структурой; б – эквивалентная схема участка линии; в – эквивалентная линия.

 

Глава 3. Мостовые схемы

Мостом в технике СВЧ принято называть четырехплечное устройство (восьмиполосник), обладающее следующими свойствами:

- при возбуждении любого из четырех плеч моста энергия в одно из выходных плеч не поступает;

- энергия, поступившая в каждое из оставшихся двух плеч, равна половине энергии поданной на вход моста.

В технике СВЧ мосты применяются в качестве элементов фильтров, балансных детекторов и модуляторов, антенных переключателей, измерительных схем и ферритовых устройств, в качестве делителей мощности и устройств, позволяющих сложить мощности нескольких передатчиков в общей нагрузке и др.

Имеется большое число различных схем и конструкций мостов. Ниже рассмотрим ряд часто применяемых на практике мостов.

 

3.1 Двойной Т-мост

 

Двойной Т-мост или двойной волноводный тройник представляет собой четырех плечное волноводное разветвление, образованное Е и Н-тройниками (рис.3.1). Предполагается, что в рабочем диапазоне частот по волноводам двойного Т-моста может распространятся только волна типа Н₁₀.

Рис.3.1 Двойной волноводный тройник.

 

К Н-плечу , расположенному в плоскости магнитных силовых линий, подключен источник колебаний. В этом случае энергия распределяется между боковыми плечами 1 и 2, а в Е – плечо, расположенное в плоскости электрических силовых линий, вследствие структуры поля в месте разветвления энергия не попадает, причем векторы напряженности электрического поля в боковых плечах на равных расстояниях от оси симметрии моста синфазны. Если же двойной волноводный тройник питать со стороны Е-плеча, то энергия по аналогичной причине не поступает в Н-плечо, а в боковых плечах векторы напряженности электрического поля противофазны.

Таким образом, в двойном волноводном тройнике передача энергии из Е-плеча в Н-плечо не происходит, и эти плечи «развязаны», т.е. связи между ними нет.

На основании принципа взаимности в теории линейных многополосников доказывается, что если к одному из боковых плеч подключить источник колебаний. То энергия делится поровну между Е и Н-плечами двойного тройника и не проступает во второе боковое плечо. Эти свойства справедливы лишь при идеальной симметрии конструкции и при согласованных плечах.

Практически, за счет неизбежно присутствующей асимметрии и рассогласованности, развязка противоположных плеч двойного тройника не бесконечна и составляет обычно от 20 до 50 дБ в 6-8 % полосе частот. Увеличение развязки достигается с помощью реактивных элементов (диафрагма, штырь), вводимых в место разветвления.

 

3.2 Направленные ответвители

 

Направленный ответвитель – это устройство предназначено для ответвления части энергии из основного тракта в другой, причем так, что направление передачи энергии во вторичном тракте зависит от направления передачи в основном тракте. Такое свойство направленных ответвителей (НО) используется для измерения характеристик различных элементов СВЧ.

По своей структуре, НО представляет собой систему из двух связанных передающих линий, т.е. образует восьмиполосник, схематически показанный на рис.3.2 а,б.

В зависимости от того, как распространяется энергия во втором тракте по отношению к потоку энергии в основном тракте, НО называют сонаправленным или потивонаправленным (рис.3.2 а,б).

в

 

Рис.3.2 Типы направленных ответвителей: а – сонаправленный ответвитель; б – противонаправленный ответвитель; в – волноводный направленный ответвитель с двумя отверстиями связи.

 

Направленный ответвитель характеризуется следующими параметрами:

Переходное ослабление или связь, определяется отношением мощностей, распространяющимися в основном и вспомогательном трактах.

С = 10 lg (P₁/ P₃), [дБ]

Направленность определяется как отношение мощностей, распространяющихся во вспомогательном тракте в противоположных направлениях:

N = 10 lg (P₃ / P₄), [дБ]

Развязка определяется как отношение мощностей распространяющихся в основном тракте и вспомогательном в развязочном плече.

A = 10 lg (P₁ / P₄ ), [дБ]

Рассмотрим несколько типов наиболее часто применяемых направленных ответвителей, отличающихся типом передающих линий и способом связи между ними.

Волноводный направленный ответвитель

Принцип работы НО основан на возбуждении с помощью элементов связи во вторичном волноводе волн, смещенных по фазе таким образом, что волны,… Рассмотрим этот процесс на примере волноводного НО с двумя отверстиями. Если… Амплитуды волн, возбуждаемые отверстиями, одинаковы, если считать отверстия идентичными.

Направленные ответвители с распределенной электромагнитной связью

Направленный ответвитель с распределенной электромагнитной связью представляет собой систему из двух параллельно расположенных линий, связанных… В зависимости от требований к параметрам НО могут быть однозвенные… Наибольшее распространение получили направленные ответвители с распределенной связью на полосковых линиях. Однозвенный…

Кольцевой и квадратный мосты

Кольцевой мост (рис.3.4 а) разделяет энергию, поступающую со стороны любого плеча на два потока: по ходу часовой стрелки и против с одинаковой…      

Глава 5. Полупроводниковые фазовращатели

Управляемые фазовращатели широко применяются в радиотехнической аппаратуре СВЧ.

По принципу действия фазовращатели можно условно подразделить на дискретные и непрерывные, по конструкции на отражательные и проходные. Выбор типа фазовращателя зависит от технических требований предъявляемых к СВЧ устройствам.

Фазовращатели с непрерывным изменением фазы можно спроектировать на варакторах, дискретно, (со ступенчатым изменением фазы)—на выключателях. Схемы (рис.5.1а, б, в )проходных фазовращателей можно разделить на три типа: с переключаемыми каналами, проходной резонаторный, с фильтрами низких частот. Схема отражательного фазовращателя обязательно имеет устройство, которое развязывает вход и выход.

Рис. 5.1 Эквивалентная схема фазовращателей:

а – с переключаемыми каналами (Δφ=2πℓ/λ); б – проходной

резонаторный (Δφ=2arctg[B/(1- 0,5B²)]); в – с фильтрами нижних частот

(Δφ=2actgX); г – отражательный с направленным ответвителем

(Δφ=2πΔℓ/λ).

Фазовращатель с непрерывным изменением фазы чаще всего строится на основе короткозамкнутого отрезка полословой линии в которую последовательно или параллельно включено варактор. При изменении управляющего напряжения, изменяется проводимость варактора и сдвиг между падающей и отраженной волнами. При этом происходит некоторые потери энергии в варакторе.

В дискретных фазовращателях с использованием pin - диодов в качестве выключающих элементов используют режимы, эквивалентные либо короткому замыканию, либо разрыву цепи. Выключатель на pin – включается в короткозамкнутую линию, создаваемый фазовый сдвиг приблизительно равен, где ℓ- длина короткозамкнутого участка линии. При увеличении числа выключателей число фазовых дискретов увеличивается.

Важное преимущество дискретных фазовращателей перед непрерывными состоит в том ,что они имеют меньшие вносимые потери, кроме того у них высокая электрическая прочность в импульсном режиме. В непрерывном режиме дискретные фазовращатели так же выдерживают большую мощность, чем фазовращатели с непрерывным изменением фазы, благодаря тому, что максимально допустимая рассеиваемая СВЧ мощность pin - диодов больше чем, у варакторов.

Фазовый сдвиг в фазовращателе с непрерывным изменением фазы при превышении некоторого порогового уровня амплитуды СВЧ электромагнитной волны начинает зависеть от этой амплитуды.

Рис.5.2 Эквивалентная схема одного звена фазовращателя с

трехдецибельным направленным ответвителем:

1 – ответвитель; 2 – согласующая линия;3 – диоды; 4 - сечение

отсчета фазы; 5 – сечение подключения диодов.

Однако ступенчатые фазовращатели уступают фазовращателям с непрерывной перестройкой по быстродействию и его управляющей мощности.

На (рис.5.2) приведена эквивалентная одного звена фазовращателя с 3дБ НО.

Для разделения падающей и отраженной волн в нем используется 3дБ направленный ответвитель. Сигнал поступает на вход 1 направленного ответвителя и снимается с выхода 2. Выходы 3 и 4 нагружены отражающими фазовращателями, состоящие из управляемых pin диодов и закорачивающих штырей.

Сигнал поступающий на вход 1 направленного ответвителя делится поровну между его выходами 3 и 4.Проходя через отражательные фазовращатели, отраженные сигналы складываются на выходе 2.

Глава 6. Антенные переключатели

 

Антенные переключатели радиолокационных станций, использующих общую антенну для передачи и приема, служат для автоматического переключения антенны с выхода передатчика ко входу приемника. Во время передачи энергия СВЧ колебаний, создаваемая передатчиком, должна поступить в антенну и не просачиваться на вход приемника. При переходе РЛС на прием, поступающий от антенны сигнал не должен поглощаться в цепях генератора, а с минимальными потерями поступать на вход приемника.

Учитывая, что передатчик РЛС средней мощности генерирует импульсы с мощностью в несколько сотен киловатт, а допустимая мощность приемного устройства должна быть менее 100 мВт, определяем порядок величины переходного затухания, требуемого от антенного переключателя:

Из уровня минимальных потерь следует, что линия передачи должна работать в режиме согласования как во время приема, так и во время передачи, с учетом элементов антенного переключателя. Время переключения РЛС с одного режима на другой должно быть порядка долей микросекунд. Основным элементом антенного переключателя является управляемый элемент: газовый разрядник, полупроводниковый прибор или ферритовый элемент.

Газовый разрядник представляет собой баллон, наполненный смесью водорода или аргона с парами воды при давлении порядка 3-30 мм рт.ст. В баллоне находятся два конусообразных электрода с дисковыми выводами для присоединения к цепям СВЧ и электрод вспомогательного поджига. Благодаря электроду вспомогательного поджига, в баллоне возникает тлеющий разряд, создающий резерв свободных электронов внутри разрядника, за счет которых ускоряется возникновение разряда между основными электродами при появлении на них импульса передатчика.

Схемы антенных переключателей делятся на два типа:

1) шлейфные (ответвительные);

2) балансные.

 

 

6.1 Шлейфный антенный переключатель

 

Шлейфный антенный переключатель (рис.6.1) содержит разрядники, включенные в отрезки линии ответвления или шлейфы, присоединенные параллельно главному фидеру. Разрядник Р1, называемый разрядником защиты приемника (РЗП), включен в ответвление к приемнику на расстоянии от места присоединения ответвления к главному фидеру. Разрядник Р2, называемый разрядником блокировки передатчика (РБП), включен в замкнутое на конце ответвление ( полуволновой шлейф) на расстоянии от места присоединения ответвления к главному фидеру. Расстояние между местами присоединения двух ответвлений равно λ/4. При поступлении в антенный переключатель мощного импульса от передатчика в разрядниках возникает газовый разряд и их сопротивление Rp резко уменьшается. Благодаря тому, что разрядники подключены к главному фидеру через отрезки линий длиной , входные сопротивления Rвх этих линий в месте их присоединения к главному фидеру весьма велики (), и ответвления не создают помех для прохождения импульса от передатчика к антенне. Разрядник защиты приемника вносит большое затухание

;

в линию, присоединяющую приемник, и тем защищает вход приемника от мощного сигнала.

В режиме приема, когда от антенны поступает небольшая мощность, газовый пробой в разрядниках не возникает и принятый антенной сигнал безприпятственно проходит по ответвлению в приемник и не поступает в цепи передатчика, так как короткое замыкание на конце шлейфа, находящееся на расстоянии +от места присоединения ответвления приемника к приемнику трансформируется в очень большое сопротивление, отключающее цепи передатчика от антенны.

 

 

Рис.6.1 Шлейфный антенный переключатель.

 

 

В диапазоне сантиметровых волн функции резонансных четвертьволновых отрезков линий выполняют объемные резонаторы, внутри которых помещается разрядник. Связь резонатора с линией передачи осуществляется с помощью петли связи или щели. Разрядники переключателя передатчика содержат один элемент связи, а в переключателе приемника имеется два элемента связи.

 

 

6.2 Балансный антенный переключатель

 

 

Балансный антенный переключатель строится на основе мостовых устройств СВЧ.

 

Рис.6.2 Балансный антенный переключатель.

 

 

На рисунке 6.2 показан схематически балансный переключатель, состоящий из двух щелевых мостов М₁ и М₂ и двух газовых разрядников Р₃ и Р₄ расположенных на одинаковом расстоянии от моста. В режиме передачи, когда со стороны плеча 1 моста М₁ подается мощный сигнал от передатчика, оба разрядника играют роль коротких замыканий, отражающих всю энергию. Поскольку деление мощности в щелевом мосте сопровождается сдвигом по фазе на то и отражённые от разрядника волны будут иметь фазовый сдвиг , а, проходя обратно через мост М₁, получат ещё раз смещение на в результате чего в плече 4 будут симфазны. Благодаря этому вся мощность передатчика поступает в плечо 4, ведущее к антенне.

Небольшие части мощностей прошедших через разрядники поступают на мост М₂ и в силу фазовых соотношений, аналогичных рассмотренных выше, складываются в плече 3 где включена согласованная нагрузка, и вычитаются в плече 2, благодаря чему, в идеальном случае, энергия на входе приемника, подключенного к плечу 2, равна нулю.

В режиме приема, когда разрядники погашены, сигнал из антенны, поступающий со стороны плеча 4 моста М_1, делится на две равные части, смещенные по фазе на , которые складываются во втором мосте М₂ так, что сигнал проходит только в плечо2 моста М₂, то есть на вход приемника.

В отличии от шлейфного переключателя, балансный антенный переключатель не содержит резонансных отрезков передающих линий и его рабочая полоса частот определяется, в основном широкополостностью щелевых мостов.

Кроме щелевых мостов в балансных переключателях могут применяться также кольцевые мосты, направленные ответвители и др.

Вместо газовых разрядников в антенных переключателях можно использовать управляемые элементы в виде nолупроводниковых приборов или ферритовые устройства.

 

 

Глава 7. Ферритовые устройства СВЧ

 

Большой интерес с физической и практической точек зрения представляют СВЧ устройства, в которых используются ферриты – материалы, обладающие магнитной анизотропией (явление, заключающееся в том, что физические свойства по различным направлениям внутри тела различны).

Феррит представляет собой химическое соединение окиси железа F₂O₃ с окисью металла, таких как никель, марганец, магний и др. По внешним признакам ферриты имеют сходство с керамикой и обладают большой твердостью. Удельное сопротивление ферритов очень велико (удельное сопротивление чистого железа составляет 10^-7 ) и доходит до 10⁷–10⁸ при довольно высокой относительной диэлектрической проницаемости – порядка 10-15. Большинство ферритов являются магнитомягкими материалами. Относительная магнитная проницаемость СВЧ ферритов в слабых низкочастотных полях составляет приблизительно от 10 до 100. На сверх высоких частотах при отсутствии постоянного магнитного поля относительная магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы.

Ценным свойством феррита является весьма малая величина диэлектрических СВЧ потерь (). Таким образом, ферриты являются хорошими диэлектриками, но как будет показано дальше обладают ферромагнитными свойствами.

Анизотропные свойства ферритов проявляются при наложении постоянного магнитного поля. Волновод или другая передающая линия, содержащая феррит, обладает несколькими замечательными свойствами:

- необратимыми или невзаимными резонансными потерями;

- невзаимным вращением плоскости поляризации волны;

- невзаимным фазовым сдвигом;

- невзаимным изменением структуры поля.

Долгое время считалось, что все пассивные электрические цепи следуют принципу взаимности. С появлением ферритов в конце 40-х годов был создан целый класс устройств, не удовлетворяющих этому принципу (циркуляторы, аттенюаторы, фазовращатели, вентили).

Рассмотрим некоторые физические и технические вопросы, связанные с применением ферритов в СВЧ диапазоне.

 

7.1Ферромагнитный резонанс.

 

В простейшей модели ферромагнитных материалов электроны представляются в виде волчков, которые, вращаясь вокруг своей оси, создают механический момент (действие массы электрона) и магнитный момент (действие заряда) – так называемый спин. После приложения постоянного магнитного поля ось вращения электрона ориентируется по направлению этого поля. Наличие механического момента делает электрон в механическом отношении подобным вращающемуся волчку (гироскопу), поэтому если ось вращения отклонить, она не сразу вернется в исходное положение, а будет совершать так называемую прецессию вокруг исходного положения с частотой , называемой частотой ферромагнитного резонанса. Таким образом, под воздействием переменного магнитного поля с частотой будут происходить вынужденные колебания спинов электронов, а амплитуда этих колебаний будет тем большей, чем ближе к частоте ферромагнитного резонанса.

Резонансная частота в мегагерцах определяется выражением:

, (1)

где Н₀ – напряжённость постоянного магнитного поля.

Прецессия электронного спина происходит всегда по часовой стрелке относительно направления поля. Это приводит к тому, что право- и левополяризованные волны будут по разному взаимодействовать с ферромагнитной средой, представляющей собой совокупность одинаково вращающихся магнитных моментов. Под правополяризованной волной (+) подразумевается волна, вектор поля Е, которой вращается по часовой стрелке, если смотреть на волну, уходящую вдоль положительного направления постоянного магнитного поля. То соответственно для левополяризованной волны (-) вращение вектора происходит против часовой стрелки. Таким образом, в подмагниченном феррите электромагнитные волны круговой поляризации распространяются так, как будто бы среда обладает различными значениями магнитной проницаемости для волн разного направления вращения. Для линейно поляризованной волны магнитная проницаемость не может быть определена скалярной величиной. Она является тензором. На рисунке 7.1а показано изменение магнитной проницаемости феррита для правополяризованной волны μ₊ в зависимости от постоянного магнитного поля Н₀ при неименной частоте ω. Явление ферромагнитного резонанса сопровождается резким возрастанием потерь в феррите, приэтом магнитная проницаемость будет являться комплексной величиной.

 

 

Рис.7.1 Зависимость магнитной проницаемости феррита от поля Н_о:

а – для правополяризационной волны; б – для левополяризационной

волны.

Действительная часть μ^/₊ изображена сплошной линией ; мнимая μ^//₊ - пунктиром. Вблизи Н_0рез соответствующего ω₀= ω происходит резкое изменение μ^/₊ и мнимая составляющая μ^//₊ достигает своего максимального значения, что свидетельствует о максимуме потерь при ферромагнитном резонансе.

На рис. 7.1б показано изменение магнитной проницаемости феррита для левополяризованной волны μ_- в зависимости от Н₀. эта кривая идёт весьма плавно, и потери в феррите получаются значительно меньшими и не имеют выраженного резонансного характера.

Только для волны правого вращения имеет место ферромагнитный резонанс. Из соотношения (1) вытекает, что характер кривых на рис. сохранится, если считать, что меняется не поле, а частота колебаний ω.

Эффект Фарадея

 

Разные значения μ/+ μ/- для одного и того же значения μ0 свидетельствуют о том, что фазовые скорости распространения волн круговой поляризации разного направления вращения будут различными, т.к. в одном случае ,.

Линейнополяризованную волну можно представить в виде суммы двух волн круговой поляризации с противоположными направлениями вращения.

 

 

Рис.7.2 Эффект Фарадея:

а – линейнополяризованная волна как сумма двух волн с круговой

поляризацией; б – поворот плоскости поляризации.

 

Т.к. , то при распространении линейнополяризованной волны в направлении вдоль силовых линий постоянного магнитного поля происходит поворот плоскости поляризации поля – эффект Фарадея.

Для определения величины этого поворота рассмотрим положение векторов поля в точке, удалённой от исходной в сторону движения волны на расстоянии рис.2. Вследствие большей скорости V_Ф+ вектор Е₊ отстаёт от соответствующего вектора, изображенного на рис. 1а на угол φ₁ меньший угла φ₂ поворота вектора Е_-. Поэтому суммарный вектор Е и соответственно плоскость поляризации волны поворачивается в пространстве по часовой стрелке на угол:

 

.

 

Качественная картинка, рассмотренных явлений, сохраняется и в том случае, когда распространение волны происходит в среде, частично заполненной ферритом, как, например, в круглом волноводе, вдоль оси которого расположен цилиндрический продольно намагниченный ферритовый стержень.

 

 

7.3 Поперечно-намагниченные ферриты.

 

Рассмотренные выше явления в продольно-намагниченных ферритах используются в технике СВЧ. Кроме того существуют устройства СВЧ, использующие поперечно-намагниченные ферриты.

 

Рис.7.3 Прямоугольный волновод с ферритовой пластинкой.

 

На рис.7.3 показан прямоугольный волновод с ферритовой пластинкой, установленной параллельно узкой стенке. Постоянное магнитное поле Н₀ приложено поперечно направлению распространения волны в волноводе.

Если в прямоугольном волноводе с ферритовой пластиной распространяется волна Н₁₀, то силовые линии магнитного поля образуют замкнутые контуры, лежащие в плоскостях, параллельных широким стенкам волновода. Продольные и поперечные составляющие магнитного поля, как известно из теории волноводов, сдвинуты между собой по фазе 90˚. Это значит, что в любой точке (за исключением точек на оси волновода и на его боковых стенках) магнитное поле представляет собой поле вращающейся поляризации. На некотором расстоянии от боковых стенок, где амплитуды составляющих магнитного поля равны, получается магнитное поле с круговой поляризацией. Направление вращения зависит от направления движения волны и от того, с какой стороны от средней линии волновода находится рассматриваемая точка.

При намагничивающем поле , ориентированном, как показано на рис. оси вращения электронов в феррите ориентируются вдоль Н₀, т.е. перпендикулярно к плоскости, в которой лежат силовые линии переменного магнитного поля. При этом (как и в продольно-намагниченных ферритах) значение магнитной проницаемости феррита будет зависеть от направления вращения переменного магнитного поля, а следовательно от направления движения волны в волноводе. Поэтому фазовый сдвиг волны распространяющейся слева направо вдоль ферритовой пластины длинной l, будет отличен, чем соответствующий фазовый сдвиг , распространяющейся в противоположном направлении, где и - усреднённые значения относительных диэлектрических и магнитных проницаемостей феррита, учитывающие частичное заполнение их поперечного сечения волновода.

Устройства СВЧ, которые создают разные сдвиги фаз для волн, распространяющихся в разных направлениях, называют устройствами с невзаимным фазовым сдвигом, или дифференциальными.

7.3 Эффект смещения поля.

При сравнительно толстых ферритовых пластинах, намагниченных сильным поперечным полем Н₀, наблюдается эффект смещения поля (рис.7.4). Суть явления заключается в том, что при одном направлении распространении волны феррит имеет большую магнитную проницаемость и концентрирует вблизи магнитное поле, а при обратном направлении распространения магнитная проницаемость близка к единице, и феррит мало влияет на структуру поля в волноводе. При увеличении напряжённости подмагничивающего поля Н₀ до значений, близких к резонансным, затухание волн правого направления вращения существенно возрастает. Это приводит к большому различию в затухании волн, распространяющихся в противоположных направлениях в волноводе с поперечно-намагниченной пластиной. Указанное свойство используется в ферритовых вентилях.

Рис.7.4 Эффект смещения поля:

а – распределение электрического поля для волны, распространяющеся

в сторону +z, б – то же для волны, распространяющейся в сторону – z.

 

7.4 Циркуляторы.

 

Циркулятор – это многоканальное устройство, в котором электромагнитные волны распространяются из одного канала в другой только в определённой последовательности.

Принципиальная схема четырёхплечного циркулятора изображена на рис.7.5, на котором показаны направления передачи энергии.

 

Рис.7.5 Схема четырехплечного циркулятора.

В рассматриваемом примере циркуляция происходит в последовательности . Могут быть и другие последовательности.

 

Поляризационный циркулятор.

 

Основан на использовании эффекта Фарадея в продольно намагниченном феррите.

На рис. 7.6 показана конструкция четырёхплечного волнового циркулятора. В круглом волноводе помещается ферритовый стержень намагниченный продольным полем Н₀. Соленоид, создающий это поле на рис.7.6 , не показан. Размеры круглого волновода выбираются так, чтобы нём распространялась только волна типа Н₁₁, а в четырех прямоугольных волноводах, соединённых с круглым, - только, волна типа Н₁₀.

Плечи 1 и 2 – это прямоугольные волноводы, плавно переходящие в круглый, причём плоскости широких стенок волноводов 1 и 2 повёрнуты вокруг оси круглого волновода на 45˚относительно друг друга. Волноводы 3 и 4 также повёрнуты на угол 45˚.

Параметры ферритового стержня и величина подмагничиваючего поля выбираются так, что на длине стержня плоскость поляризации волны типа Н₁₁ поворачивается на угол 45˚. Плечо 3 прямоугольного волновода расположено под углом 90˚ к прямоугольному волноводу в плече 1 и связано с круглым волноводом через отверстие связи. Т.к. при возбуждении плеча 1 вектор электрического поля в круглом волноводе оказывается ориентированным параллельно оси волновода в плече 3, то энергия из плеча 1 в плечо 3 не ответвляется и поступает на вход отрезка волновода с продольно намагниченным ферритовым стержнем.

 

Рис.7.6 Поляризационный циркулятор:

а - конструкция; б,в,г –структура поля в круглом волноводе при

различных поляризациях.

 

Если вектор Н₀ ориентирован в направлении от плеча 1 к плечу 2,то плоскость поляризации повернётся на угол 45˚ по часовой стрелке, если смотреть вдоль вектора Н₀. плечи 2 и 4 на входе циркулятора выполнены аналогично плеча 1 и 3. Однако секция с плечами 2 и 4 повёрнута вокруг оси круглого волновода на 45˚ относительно аналогичной секции с плечами 1 и 3. Поэтому вектор электрического поля волны на выходе круглого волновода с ферритом называется ориентированным вдоль оси волновода в плече 2. При этом плечо 4 не возбуждается, поскольку при такой ориентации вектора Е в плече 4 невозможно возбуждение волны Н₁₀ и вся энергия поступает на вход плеча 2. Аналогичным путём можно показать, что из плеча 3 энергия передаётся только в плечо 4, а из плеча 4 – в плечо 1.

Сложность конструкции циркулятора, значительные габариты и относительная узкополосность, обусловила редкое применение в аппаратуре циркулятора, основанного на эффекте Фарадея.

 

 

7.6 Y - циркулятор

 

Представляет собой соединение под углом 120° трех линий передачи (волноводных, коаксиальных и полосковых) (рис.7.7). В центре сочленения линий размещается намагниченный вдоль оси ферритовый стержень или диск.

 

Рис.7.7 Y – циркулятор:

1,2,3 – плечи тройника;4- феррит;

5 – диэллектрик.

 

 

Рис.7.8 Фазовый циркулятор.

 

 

 

 

Если бы в тройнике не было феррита, то волна, поступающая в плечо 1, делилась бы поровну между плечом 2 и 3. Пусть в плече 1 циркулятора возбуждена электромагнитная волна Н₁₀, распространяющаяся в направлении к ферритовому стержню. На участке волновода с ферритом распространяющаяся волна распадается на две, одна из которой (левая) обегает ферритовый цилиндр по часовой стрелке, а другая (правая) – против часовой стрелки. Направление вращения вектора магнитного поля волны в правой относительно центра половине волновода и левой половине противоположно. Поэтому магнитная проницаемость ферритового цилиндра для волн, обегающих его справа и слева различна. Эффект Фарадея. Это обусловливает различие в коэффициентах распространения каждой из волн, т.е. проходя один и тот же путь вдоль поверхности феррита, волны получают различный фазовый сдвиг j^- и j⁺.

ℓ – путь, проходимый каждой из волн вдоль поверхности феррита.

 

В плече 3 энергия не возбудится, если правая и левая волны приходят на вход этого плеча в противофазе. Вся энергия из плеча 1 переходит в плечо 2, если правая и левая волны синфазны. Это достигается размерами, параметрами феррита (регулируемые подмагничивающим полем).

Т.к. система симметрична, то колебания из плеча 2 будут передаваться только в плечо 3, а из плеча 3 – в 1, т.е. будет реализована последовательность передачи 1®2®3®1.

 

7.7 Фазовый циркулятор

 

Основным элементом фазовых циркуляторов является невзаимный фазовращатель, представляющий собой отрезок прямоугольного волновода с тонкой ферритовой пластиной, помещенной в сечении прямоугольного волновода с круговой поляризацией магнитного поля Н₁₀. Напряженность магнитного поля Н₀ выбирается так, чтобы избежать значительного поглощения энергии волн Н⁺ в феррите. По отношению к волнам Н⁺ и Н^- намагниченный феррит ведет себя как среда с различной магнитной проницаемостью - Эффект Фарадея. В результате коэффициент распространения прямой и обратной волн в таком волноводе оказываются различными.

Разность фаз: называется невзаимным фазовым сдвигом.

где

, - фазовый сдвиг для волны с поляризацией Н⁺ ;

, - фазовый сдвиг для волны с поляризацией Н^-;

ℓ - длина ферритовой пластинки.

Во взаимных устройствах Dj = 0.

Невзаимный фазовращатель в сочетании с волноводными мостами дают возможность реализовать различные типы циркуляторов. Рассмотрим одну из возможных схем, получившую широкое применение в фазовых циркуляторах на двух щелевых мостах (рис.7.8). При возбуждении плеча 1 энергия электромагнитной волны первым щелевым мостом делится пополам. Волны с равной амплитудой поступают на вход волновода с намагниченной ферритовой пластинкой и на вход волновода с диэлектрической пластинкой. Сдвиг фаз между этими полями равен .

Параметры ферритового элемента подбираются таким образом, чтобы величина невзаимного фазового сдвига была равна p, т.е.

Размеры диэлектрических пластин, ее параметры и расположение в волноводе выбираются из условия, чтобы фазовый сдвиг, получаемый волной в отрезке волновода с диэлектриком, был равен

При этом на входе второго щелевого моста поступает две волны со сдвигом в 90° и равной амплитуды. В результате вся энергия поступает в плечо 2, т.к. сдвиг фаз между полями в плече 4 равен p.

Если возбуждать волну Н₁₀ на входе плеча 2, то вся энергия поступает в плечо 3.

Таким образом, сигнал проходит через циркулятор в последовательности 1®2®3®4®1.

Важным достоинством фазовых циркуляторов является их широкополостность и пригодность работы на высоком уровне мощности. Основной недостаток – сравнительно большие габариты и вес.

7.8 Использование циркуляторов

 

Циркулятор – это многоканальное устройство, в котором электромагнитные волны распространяются в определенной последовательности.

    Рис.7.9 Примеры применения циркуляторов.

Измерители параметров СВЧ-трактов

В зависимости от природы явления, положенного в основу работы измерителя, т.е. от принципа его действия, измерители можно разделить на следующие… 1.Измерители, использующие информацию электромагнитного поля в линии, т.е.… 2.Измерители, измеряющие отношение амплитуд падающей и отраженной волн. К ним относятся рефлектометры на направленных…

Метод четырех зондов

Рис.1 Схема четырехзондовой линии.   В линии с четырьмя зондами исследуется поле в четырех точках, разнесенных вдоль волноводной (или коаксиальной линии)…

Метод вращающегося кристалла

Основным элементом такого измерителя является трехщелевой волноводный ответвитель(рис.4). Этот ответвитель состоит из круглого волновода,…