§ 4.5, Ферритовые устройства СВЧ

Рис! 4.38. Схематическое изображение работы циркулятора

В технике СВЧ применяют многочисленные ферритовые устройства, которые можно классифицировать по различным признакам: назначению, принципу действия, допустимому уровню мощности, рабочему диапазону частот и др.

Основными типами ферритовых устройств СВЧ при классификации по назначению являются:

вентиль - устройство, пропускающее электромагнитную волну только в одном направлении. Задачей вентиля является защита источника СВЧ-сигнала от волн, отраженных от нагрузки. Отраженная волна поглощается самим ферритом, пленочным поглотителем, нанесенным на феррит, или специаль-яой поглощающей пластиной;

циркулятор - устройство, обеспечивающее передачу энергии в определенный жаиал. На рис. 4.38 показана схема работы циркулятора, применяемого в радиолокационной аппаратуре в качестве антенного коммутатора. Энергия от передатчика, под-жлюченного к плечу 1, распространяется к антенне, включенной в плечо 2. При этом в плечо 3 просачивается лишь незначительная часть энергии. Сигнал, принятый антенной,

направляется в плечо 3, к которому подключен приемник. В плечо 4 включается поглощающая нагрузка;

ф а зо в р а щ а т е л ь -устройство, управляющее фазой высокочастотных колебаний. Существуют взаимные и невзаимные фазовращатели. Фазовращатель называют взаимным, если его параметры не меняются при изменении направления энергии СВЧ, и невзаим-ньтм, если параметры меняются. Фазовращатели используют в схе-мах фазовой и частотной модуляции СВЧ-сигналов, в качестве элементов антенных решеток с электрическим управлением луча ж т. п.

Помимо указанных ферритовых устройств СВЧ применяют ферритовые переключатели, модуляторы, фильтры, циркуляторы с магнитной памятью, ограничители мощности, линии задержки, генераторы, аттенюаторы (ослабители) и др.

В ферритовых приборах СВЧ используют различные физические эффекты. В первых ферритовых устройствах СВЧ использовали эффект Фарадея, на основе которого были созданы вентили, циркуляторы, фазовращатели, аттенюаторы, модуляторы и переключатели.

Однако в настоящее время приборы этого типа в значительной степени вытеснены другими. В основном их сейчас применяют в качестве вентилей в миллиметровом диапазоне волн и в качестве модуляторов в сантиметровом диапазоне.

Широко распространены резонансные вентили, построенные на основе явления поглощения энергии при гиромагнитном резонансе.

Фазовращатели могут быть созданы на основе различных явлений. Во взаимных фазовращателях используют сдвиг фазы, связанный с изменением действительной части магнитной проницаемости р+ от подмагничивающего поля в области полей, еще далеких от резонанса. Принцип работы невзаимных фазовращателей основан на явлении неравенства р+ и р. При одном и том же абсолютном значении подмагничивающего поля, но при разном его направлении относительно распространяющейся волны сдвиг фазы, вносимый ферритом, различен. Разность фаз дает невзаимный сдвиг, который положен в основу работы классических циркуляторов.

В радиолокационной технике (например, при создании антенн) широко применяют фазовращатели, у которых изменение компонентов тензора магнитной проницаемости достигается путем воздействия на феррит слабого, не насыщающего феррит магнитного поля. В таких фазовращателях изменение фазы возможно при высоких скоростях переключения.

Проблемы миниатюризации ферритовых устройств СВЧ успешно решают путем создания так называемых X (четырхплечных) - и; Y (трехплечных)-циркуляторов, работающих в широком диапазоне частот (от миллиметрового до метрового диапазона волн) *.Х- и Y-циркуляторы могут работать как в дорезонансных, так и в заре-зонансных полях, где значения мнимых составляющих тензора магнитной проницаемости малы, а действительные части принимают определенные значения, обеспечивающие/боответствующую циркуляцию энергии между каналами циркулятора.

В особую группу ферритовых устройств СВЧ следует выделить нелинейные устройства.

При повышении мощности СВЧ только в некоторой области малых значений амплитуды переменного поля свойства феррита не зависят от уровня мощности. При значительных амплитудах этого-поля (выше так называемого порогового поля) свойства феррита являются нелинейными функциями поля.

Нелинейные явления в ферритах используют в таких устройствах, как генераторы, ограничители мощности СВЧ и ферритовые усилители, направленные ответвители, настраиваемые резонаторы.

С точки зрения взаимной ориентации внешнего намагничивающего поля и направления распространения электромагнитной энергии ферритовые устройства подразделяют на устройства с продольным и с поперечным полями.

Познакомимся с технической реализацией изложенных общих принципов создания ферритовых устройств СВЧ.

Рассмотрим круглый волновод с аксиально намагниченным и расположенным по его оси цилиндрическим ферритовым стержнем.. Предполагается, что ферритовый стержень незначительно искажа-

* Название Х- и Y-циркуляторы принято по формальной аналогии фррмьЕ волноводного узла циркулятора с этими буквами.

Рис. 4.39. Схематическое устройство вентиля, основанного на использовании эффекта Фарадея

ет структуру поля в волноводе, поэтому исходная линейная волна может быть разложена на две волны круговой поляризации, имеющие противоположное направление вращения. Таким образом, феррит намагничивается постоянным полем перпендикулярно плоскости круговой поляризации переменного поля. Следовательно, обе волны будут распространяться с различными скоростями, вследствие чего результирующая линейная волна на выходе из феррита будет поляризована под некоторым углом к первоначальному направлению (эффект Фарадея). Угол поворота зависит от длины феррита и эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей среды, а направление этого поворота определяется только направлением приложенного поля Я и не зависит от того, распространяется электромагнитная волна в направлении магнитного поля или в противоположном направлении. *

На рис. 4.39 дана схема вентиля, основанного на использовании эффекта Фарадея. Вертикально линейно поляризованная волна на входе волновода 1, пройдя участок "с ферритом 3, окажется повернутой на некоторый угол (например, равный 45°), и если выход волновода 5 соответствует такой поляризации, то волна беспрепятственно выйдет из устройства. Волна же, распространяющаяся в обратном направлении, повернется на тот же угол 45° в том же направлении и, пройдя участок с ферритом, окажется повернутой на 90° относительно своего первоначального положения к ориентации входного волновода. В таком случае поляризации волны и волновода не соответствуют друг другу, и энергия не может распространяться в волноводе. Электромагнитная волна поглощается поглотительной пластиной 2, и вход 1 оказывается изолированным для этого направления распространения энергии. Катущка 4 электромагнита служит для создания постоянного поля, подмагничивающего феррит.

Рассмотренное устройство относится к ферритовым устройствам с продольным полем.

Широкое применение имеют ферритовые устройства с поперечным полем, выполняемые, как правило, на прямоугольных волноводах. Простейшими из них являются резонансный вентиль и невзаимный фазовращатель.

Резонансный вентиль представляет собой прямоугольный волновод с соответственно установленной ферритовой пластиной. Магнитное поле с целью получения гиромагнитного резонанса регулируется. В этом случае для одного (обратного) направления поля СВЧ,