Резонансний феритовий вентиль

 

Феритами називають хімічні сполуки оксиду заліза з оксидами інших, так званих характеризуючих металів.

Хімічний склад фериту визначається за формулою:

 

, (6.1)

 

де Me – характеризуючий метал;

k, n, km/2 – цілі числа.

 

Залежно від складу розрізняють ферошпінелі (Me = Ni, Co, Μη, Ζn та ін., k = 2, m = 1, n = 1), ферогранати ( Me = Іt, Ga та ін., де k = 3, m = 6, n = 5) i гексаферити (Me = Рb, Βa, де k = 2, m =1, n = 6). Щоб одержати необхідні властивості, до складу фериту вводять декілька характеризуючих металів у певних пропорціях.

Ферити являють собою тверді кристалічні речовини. Ферогранати і ферошпінелі мають кубічну елементарну комірку, а гексаферити – гексагональну.

Основну масу феритових виробів виготовляють методом опікання. Для цього тонко помолоті порошки оксидів відповідних металів змішують зі зв’язувальною речовиною і з одержаної маси пресують заготівки потрібної форми. Потім заготівки випалюють при високій температурі. При цьому зв’язувальна речовина вигоряє, а оксиди вступають в хімічні сполуки. Після випалювання заготівки за необхідності піддають механічній обробці – різанню та шліфуванню. Одержаний за такою технологією керамічний матеріал має полікристалічну структуру. Розмір її зернин (кристалітів) і число пор між зернинами (щільність) визначаються режимом пресування, температурою, тривалістю випалювання і деякими іншими факторами. Зерна в полі кристалічному фериті мають розмір 10^-3...10^{-1 мм і являють собою монокристали, орієнтовані хаотично}.

При спіканні фериту в постійному магнітному полі утворюються текстуровані ферити, зерна яких орієнтовані таким чином, що напрямок однієї з кристалографічних осей кристалітів збігається з напрямком магнітного поля. Тому текстуровані ферити мають анізотропнї властивості і після зняття зовнішнього поля.

Монокристалічні ферити виготовляють відомими методами вирощування монокристалів (витягуванням із розплаву, зонною плавкою та ін.). Для надання потрібної форми монокристали ріжуть, шліфують і полірують.

На якість фериту суттєво впливав його електропровідність яка визначається в основному вмістом заліза Fe, що виникає при відновленні оксиду Fe₂O₃ у процесі випалювання. Тому ви лювання ведуть в окислювальній атмосфері.

У ненамагніченому стані кожен кристаліт або монокристал фериту містить одну або декілька областей (доменів), в яких і магнітні моменти всіх атомів орієнтовані таким чином, що за наявності декількох доменів у зразку результуючий момент дорівнюе нулю. Такий стан відповідає мінімуму енергії внутрішньої магнітного поля.

Характерна властивість феритів – поєднання магнітних властивостей феромагнетика та електричних властивостей діелектрика (НВЧ ферити мають ε₂ = 5...20, tgδ = 10^-4). У постійна магнітному полі ферит є анізотропним середовищем. Ця особливість дозволяє використовувати їх у техніці НВЧ для створення невзаємних пристроїв.

Властивості феритів на НВЧ виявляються при взаємодії власного магнітного моменту електрона із зовнішнім полем постійного та змінного магнітних полів. Під дією постійного магнітного ля Н_о (рис. 6.1) спіни електронів намагаються орієнтуватись у напрямку прикладеного поля, прецесуючи, подібно до гіроскопа навколо осі, що збігається за напрямком з вектором Н_о і, утворюючи з ним правогвинтову систему. Частота вільної прецесії ω_o = γН_о, де γ = 2,21·10⁵ м/А·с – гіромагнітне відношення.

Наявність магнітних втрат приводить до того, що кут Ψ (рис. 6.1) швидко зменшується, вектори магнітних моментів ус атомів орієнтуються у напрямку прикладеного постійного магнітного поля Н_о і ферит намагнічується до насичення.

Розглянемо випадок дії на намагнічений ферит високочастотного магнітного поля з круговою поляризацією (орієнтованого перпендикулярно до постійного поля Н₀), кругова частота якого близька до частоти прецесії ω₀ (див. рис. 6.1).

Якщо напрямок обертання вектора Н збігається з прецесією магнітного моменту Μ, то кут Ψ збільшується.

 

 

Рис. 6.1. Прецесія магнітного моменту електрона в постійному магнітному полі

 

Зростання кута обмежується магнітними втратами. У результаті цього настає режим ψ = const, при якому енергія високочастотного магнітного поля розсіюється у вигляді тепла в кристалічних ґратках фериту. Якщо частоти ω і ω₀ не збігаються, то ефект взаємодії зменшується і втрати у фериті знижуються. У випадку протилежних напрямків обертання вектора Н_~ і магнітного моменту Μ поглинання енергії у фериті практично не відбувається. Величина магнітної проникності – комплексна:

 

, (6.2)

 

На рис. 6.2 показано зміну відносної магнітної проникності Фериту для хвиль кругової поляризації правого (позитивного) μ₊ і лівого (негативного) μ_-напрямків обертання залежно від напруженості постійного магнітного поля Н_о при незмінній частоті ω. Легко бачити, що значення уявної частини магнітної. проникності μ₊ для хвиль з позитивним напрямком обертання в точці Н_о = Н_рез різко зростає, що свідчить про збільшення втрат енергії у фериті. Залежність втрат від Н_о носить резонансний характер, у зв'язку з чим розглядуване явище називають феромагнітним резонансом. Значення дійсної частини магнітної проникності для хвиль позитивного обертання також сильно змінюється.

 

 

Рис. 6.2. Характер залежності активної та реактивної складових μ магнітної проникності фериту для хвиль з лівої μ_- і правою μ₊ круговими поляризаціями від напруженості магнітного поля

 

Якщо змінне магнітне поле має лінійну поляризацію, то його можна подати як суму двох полів лівої та правої кругових поляризацій. За відсутності фериту в хвилеводі хвилі лівої та правої кругових поляризацій поширюються з однаковими фазовими швидкостями і в сумі дають хвилю з незмінним положенням площини полі ризації. Якщо ж у хвилеводі розмістити феритовий стержень, намагнічений у поздовжньому напрямку постійним магнітним полем Н_о, то при Н_о = H_рез хвилі кругової поляризації правого напрямку обертання поширюватимуться з більшою фазовою швидкістю ніх лівого:

 

, (6.3)

 

При цьому відбувається поворот площини поляризації хвилі Ефект обертання площини поляризації електромагнітної хвилі, що проходить через діелектрик (в нашому випадку – ферит) за наявності постійного поля, називається ефектом Фарадея.

Завдяки цим властивостям ферита використовуються для створення широкого класу невзаємних пристроїв, які вносять фазовий зсув обертання площини поляризації, невзаємні втрати і т.ін. Залежність параметрів феритів від напруженості зовнішнього магнітного поля дозволяє створювати на їх основі керовані НВЧ-пристрої і перемикачі, модулятори, перестроювані фільтри, регульовані фазообертачі, атенюатори тощо.

Хвилеводний пристрій, вносимо загасання якого залежить від напрямку руху хвилі через нього, називають феритовим вентилем. Основними його характеристиками є загасання хвиль у прямому і зворотному напрямках, смуга робочих частот, припустимий рівень потужності, коефіцієнт стоячої хвилі (КСХ), тип і розміри хвилеводного тракту.

У прямокутному хвилеводі, що працює на хвилі Н₁₀, існують дві поздовжні площини, паралельні вузькій стінці хвилеводу, де магнітне поле має кругову поляризацію. Ці площини знаходяться на відстані:

 

 

(рис. 6.3) від вузьких стінок хвилеводу. Напрямок обертання вектора Η у кожній зі вказаних поздовжніх площин взаємно протилежний і залежить від напрямку руху хвилі по хвилеводу. Розташуємо в одній із цих плошин хвилеводу феритову пластинку, намагнічену перпендикулярно до широкої стінки хвилеводу (рис. 6.4) при Н_о = H_peз. У цьому випадку Ферит поглинатиме потужність хвилі, яка створює правополяризоване високочастотне магнітне поле.

 

 

Рис. 6.3. Характер поляризації хвилі Н₁₀ у прямокутному хвилеводі

 

 

Рис. 6.4. Спрощена конструкція резонансного феритового вентиля: 1 – прямокутний хвилевід; 2 – постійний магніт; 3 – феритова пластина; 4 – діелектрична пластина

 

Хвиля, що поширюється вздовж хвилеводу в протилежному напрямку, майже не загасає. Серійно випускаються феритові вентилі, які в смузі частот 15...20% f₀ забезпечують у прямому напрямку загасання не більш ніж 1,5 дБ, у зворотному – 30 дБ і КСХ = 1,1...1,3.

 

6.3. Опис вимірювальної установки. Методика вимірювання параметрів феритового резонансного вентиля

 

Функціональну схему вимірювальної установки для дослідження власти-

востей феритового резонансного вентиля зображено на рис. 6.5.

Вимірювальна установка містить генератор НВЧ трисантиметрового діапазону хвиль (хвилевід 23 х 10) з регульованою вихід ною потужністю і частотою, калібрований (в децибелах) вимірювальний атенюатор, вимірювальну лінію з детекторною секцією, підключену до вимірювального підсилювача, та навантаження у вигляді реактивного штиря із змінною глибиною занурення у хвилевід, узгоджене навантаження поглинаючого типу – ввімкнення 1.

Ввімкнення 2 складається із вентиля, неоднорідності, узгодженого навантаження, а при ввімкненні 3 замість узгодженого навантаження під'єднується детекторна секція, ввімкнена у вимірювальний підсилювач.

Зміною глибини занурення реактивного штиря в хвилеводі виситься неузгодженість між генератором і навантаженням. За допомогою вимірювальної лінії та підсилювача можна кількісно оцінити ступінь неузгодженості генератора і навантаження, вимірюючи значення КСХ.

Важливим параметром феритового вентиля є КСХ, що вноситься ним самим, і який прийнято вимірювати з боку входу або виходу вентиля. Для вимірювання КСХ феритового вентиля необхідно зібрати установку за схемою рис. 6.5 (ввімкнення 2).

Для вимірювання КСХ феритового вентиля з боку входу вентиль вмикають у прямому напрямку, а з боку виходу – в зворотному.

Ввімкнення 3 приладів дозволяє оцінити втрати вентиля в прямому (прямі втрати) і зворотному (зворотні втрати) напрямках.

При ввімкненні 5 прямі та зворотні втрати феритового вентиля можна виміряти двома способами.Перший спосіб полягає у вимі рянні прямих α_пр і зворотних α_зв втрат з наступним розрахунком за формулами:

 

, (6.4)

 

де α₂ – показання індикатора вимірювального підсилювача за відсутності досліджуваного вентиля у вимірювальній схемі;

α₁′, і α₁" – відповідно показання індикатора вимірювального підсилив ча при ввімкненні вентиля у вимірювальну схему в прямому і зворотному напрямках.

 

Другий спосіб (заміщення) полягає у використанні вимірювального атенюатора, градуйованого в децибелах, при цьому прямі та зворотні втрати дорівнюють:

 

, , (6.5)

де β₂ – показання шкали атенюатора за відсутності вентиля у вимірювальній схемі, дБ;

β₁', і β₁" – відповідно показання шкали вимірювального атенюатора при ввімкненні вентиля в прямому і зворотному напрямках.

 

Величину β₂ визначають при максимальній вихідній потужності вимірювального генератора. При цьому загасання атенюатора збільшується до максимально можливого придушення потужності. ремикач вимірювального підсилювача "ВХ.УРОВЕНЬ. mV" встановлюється в положення 1,5...5, а стрілка приладу – на поділку 4 або 6. При визначенні прямих і зворотних втрат вентиля цим способом спочатку знаходять β₂, а потім β'₁ (прямі втрати). Зворотні втрати (β₁") визначаються в останню чергу.

 

6.4. Завдання на експериментальну і розрахункову частини

 

1. Проведіть вимірювання залежності КСХ від глибина занурення у хвилевід реактивного штиря і положення поршня реактивного шлейфа (ввімкнення і ).

2. Виконайте п.1 для вентиля, ввімкненого в прямому напрямку (ввімкнення 2 ).

3. Виконайте вимірювання КСХ феритового вентиля, ввімкненого в прямому і зворотному напрямках (ввімкнення 2 ).

4. Визначіть втрати феритового вентиля, ввімкненого у прямому і зворотному напрямках (ввімкнення 3 ), у діапазоні частот 9,0...12,5 ГГц.

 

6.5. Порядок виконання роботи

 

1. Вимірювання КСХ залежно від положення реактивного штиря 1 поршня шлейфа виконати методом заміщення.

Каретку вимірювальної лінії встановити в мінімум поля, а стрілку індикатора – б полохання, зручне для спостереження. Вимірювальний атенюатор (на вході лінії) має бути в положенні "0" послаблення. Після запису показань індикатора пересунути каретку вимірювальної лінії в максимум поля, змінюючи загасання за допомогою вимірювального атенюатора до встановлення стрілки індикатора в початкове положення. Визначивши послаблення за шкалою атенюатора, обчислити КСХ за формулою:

 

, (6.6)

 

де N – послаблення атенюатора, дБ.

 

 

 

2. Вимірювання прямих і зворотних втрат вентиля також провести методом заміщення.

До вимірювальної лінії підключити детекторну секцію, вихід якої з'єднати зі входом підсилювача. При максимальних вихідній потужності та коефіцієнті підсилення вимірювального підсилювача ввести загасання в тракт за допомогою атенюатора, встановивши стрілку індикатора на одну з перших поділок. Записавши показання атенюатора та індикатора, ввімкнути вентиль у прямому напрямку 1, змінюючи загасання в тракті за допомогою атенюатора, встановити стрілку в попереднє положення. Втрати в прямому напрямку визначити як різницю показань за шкалою атенюатора до ввімкне вентиля 1 після. Ті ж самі операції виконати і при визначенні зворотних втрат.

 

6.6. Контрольні запитання

 

1. Які призначення феритового вентиля та області його за стосування?

2. Пояснити явище феромагнітного резонансу.

3. Які умови поглинання відбитої хвилі у хвилеводі?

4. Пояснити принцип дії феритового резонансного вентиля.

5. Яка методика вимірювання основних параметрів феритового вентиля?

6. Порівняти характеристики вентилів, що працюють на ефектах Фарадея і вміщення поля.

7. Якими основними параметрами характеризується феритовий вентиль?

 

6.7. Список використаної та рекомендованої літератури

 

Лебедев И.В. Техника и прибори СВЧ: В 2 т. М., 1970. Т.1.

Виноградов В.Е. Конструкции и техника СВЧ. Харьков, 1977.

Заикин И.П., Зеленоний А.А., Тоцкий А.В., Удачин В.Г. Конструкции и техника СВЧ. Харьков, 1988.

Конструирование СВЧ-устройств и экранов / Под ред. А.М. Чернушенко. Μ., 1990.