Главная  Применение сверхвысоких частот 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 [ 36 ] 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81

При рассмотрении принципа действия системы предполагается, что поглощающие пластины достаточно эффективны и полностью поглощают составлякрщую электрического поля, параллельную им. Волна, распространяющаяся слева направо (фиг. 4.8.2), ослабляется сначала в подвижной секции пропорционально cos Э, а затем в третьей секции круглого волновода тоже пропорционально


Электрический Т вектор ваяны I

Расположение пош-щашщих пластин

Фиг. 4.8.2. Прецизионный аттенюатор.

COS Э (общее ослабление пропорционально cos Э). Первая секция круглого волновода работает при распространении волны в обратном направлении.

Частотные характеристики поглощающих секций не имеют значения; важно лищь, чтобы затухание было как можно большим. Максимально возможное ослабление системы определяется ослаблением в подвижной секции. Это ослабление нельзя сделать бесконечным. Следовательно, наибольшая погрешность в определении величины ослабления имеет -место при больших ослаблениях. Для малых значений ослабления ошибка пренебрежимо мала, даже если ослабление каждой секции только на несколько децибелов больше, чем суммарное требуемое ослабление.

§ 4.9. НЕВЗАИМНЫЕ ФЕРРИТОВЫЕ УСТРОЙСТВА

Многие распространенные ферритовые устройства легко могут трактоваться с позиций СВЧ-цепей, если предположить справедливость следующих двух постулатов:

1. Для ферритового устройства с подмагниЧиванием в некотором направлении поляризованные по кругу высокочастотные магнитные поля, перпендикулярные к направлению постоянного магнитного поля, имеют различную фазовую постоянную в зависимости от направления круговой поляризации, т. е.

(4.9.1)

в широком диапазоне частот или значений подмагничивающего поля.

iSt.

2. Для ферритового устройства с подмагничиванием в некотором направлении (в сравнительно небольшом диапазоне частот или значений подмагничивающего поля) магнитные поля с круговой поляризацией, перпендикулярные к направлению постоянного магнитного поля, имеют различное значение коэффициента затухания в зависимости от направления круговой поляризации, т. е.

а'фаг. (4.9.2Ь

Качественный и количественный анализ этих предположений, а также многих других менее важных явлений в ферритах, которые не рассматриваются в настоящей главе, можно найти в учебниках по ферритам [23, 41].

Ионизованный газ, помещенный в постоянное магнитное поле, проявляет гироскопические свойства, подобные свойствам ферритов, но только по отношению к высокочастотным электрическим, а не магнитным полям.

С точки зрения матричного анализа свойство невзаимности предполагает, что

5иф5п. (4.9.3)

Однако если система без потерь, то равенство

[S][S] = [/] (2.2.15)

справедливо независимо от того, взаимна система или нет.

а. Фарадеевский вращатель поляризации. Рассмотрим круглый волновод с помещенным по его оси ферритовым стержнем длиной d. Намагничивающее поле направлено вдоль стержня, так что условие (4.9.1) выполнено. Пусть по волноводу распространяется низшая волна типа ТЕ.

Введем угол Э, определяемый из соотношения

p-d = p+d + 2e. (4.9.4)

Величина 9 может быть положительной или отрицательной в зависимости от того, какая фазовая постоянная больше (Р > р+ или Р+>р-).

Подадим на вход устройства линейно поляризованную волну с направлением поляризации вдоль оси х. Запишем ее в виде-

а.£ое +о).

Эту волну можно рассматривать в виде суммы двух поляризованных по кругу волн (см. приложение VII)

+ Гa e< +o) a 4- +<] (4.9.5)



Члены, стоящие в первой квадратной скобке, относятся к лево-поляризованной волне, вращающейся против часовой стрелки или в отрицательном направлении, если наблюдатель смотрит в направлении распространения волны. Члены, стоящие во второй квадрат-


Ферритовий стержень

Фиг. 4.9.1. Фарадеевскнй вращатель поляризации. Магнит не показан.

НОЙ скобке, относятся к правополяризованной волне, вращающейся по часовой стрелке или в положительном направлении.

На выходе волна, распространяющаяся в отрицательном направлении, запишется в виде

а, ei(-+<Po-P-<) + а„/ е'( +о-Р-), (4.9.6)

а волна, распространяющаяся в положительном направлении, в виде

(4.9.7)

Эти две волны в сумме дают линейно поляризованную волну 1см. уравнение (VI 1.3)], но теперь фаза ее равна

а пространственный угол расположения плоскости поляризации

Если та же бегущая волна ах£ое о^ распространяется в обратном направлении, т. е. от 2 = 0 к z = d, то форма записи выражений (4.9.6) и (4.9.7) не изменится, так как каждая компонента на выходе будет иметь вид

Следовательно, независимо от направления распространения фаза волны уменьшится на величину (Р -)- p+)/2(i, а угол плоскости поляризации увеличится на величину (Р~ -p+)/2d.

Такое вращение плоскости поляризации получило название эффекта Фарадея. Заметим, что прямоугольный волновод без

феррита, скрученный на угол 0, обеспечивает поворот плоскости поляризации волны в одном направлении на угол +0, а в противоположном на угол -0.

б. Невзаимные фазовращатели. 1. Прямоугольный волновод. Необратимый фазовращатель можно получить, если поместить в прямоугольный волновод ферритовую пластину в плоскости, где магнитное поле поляризовано по кругу (приложение XII). Пластина располагается в поперечном постоянном магнитном поле, поэтому для различных направлений круговой поляризации система

Посляоятый магнит


Ферритавая пластина

Фиг. 4.9.2. Невзаимный фазовращатель.

имеет различную величину эффективной магнитной проницаемости, т. е. р * -ф р (см. постулат 1). Направление поляризации высокочастотного магнитного поля в свою очередь зависит от направления распространения волны (приложение XII).

Анализ устройства аналогичен анализу диэлектрического фазовращателя (§ 4.6), за исключением того, что теперь рассматриваются не электрическое поле и диэлектрическая проницаемость, а магнитное поле и магнитная проницаемость.

Так как величина магнитной проницаемости зависит от направления распространения волны, то фазовый сдвиг для волны, распространяющейся в прямом направлении, будет отличаться от фазового сдвига для волны, распространяющейся в противоположном направлении. В § 3.3 анализируется матрица рассеяния подобной системы без потерь.

2. Круглый волновод. Фарадеевскнй вращатель плоскости поляризации. Гиратор (т. е. фазовращатель, который в одном направлении дает сдвиг фазы волны на 180° больше, чем в другом) можно получить на основе 90°-вращателя плоскости поляризации.

Гиратор состоит из прямоугольного волновода (плечо 1, фиг. 4.9.3, а), соединенного с помощью скрученной секции и перехода, не показанного на фигуре, с 90°-ным фарадеевским вращате-



лем поляризации. Последний в свою очередь соединен со вторым переходом (на фигуре не показан) и прямоугольным волноводом (плечо 2).

Прохождение волны из плеча 1 в плечо 2 показано на фиг. 4.3.9, б. Волна на выходе оказывается в протиюфазе с входной волной, если не считать постоянного фазового сдвига, зависящего от положения плоскостей отсчета.

Распространение волны в обратном направлении от плеча 2 к плечу 1 представлено на фиг. 4.9.3, в. В этом случае волна на выходе оказывается в фазе с волной на входе (вновь не учитывается

®


Вращатель птсяаст поляризации

®

* Распространение волны слева направо

т

* Распространение еолни справа налево

Фиг. 4.9.3. Дифференциальный 180°-фазовращатель.

постоянный фазовый сдвиг, вызванный определенным расположением плоскостей отсчета). Таким образом, дифференциальный фазовый сдвиг составляет 180°.

в. Вентили. Вентили - это устройства, в которых сигнал может распространяться только в одном направлении. В идеальном случае вентиль не ослабляет волну в прямом направлении и полностью поглощает ее в обратном, т. е. матрица рассеяния идеального вентиля имеет вид

О О

1 О

(4.9.7)

Существует несколько практических исполнений вентилей.

1. Резонансный вентиль. Резонансный вентиль на базе прямоугольного волновода по конструкции похож на невзаимный фазовращатель (фиг. 4.9.2). Как и в последнем, в резонансном вентиле имеется ферритовая пластина и поперечное подмагничивающее

поле. Пластина помещается в плоскости, где магнитное поле имеет круговую поляризацию. Однако имеется существенное отличие^. Напряженность постоянного магнитного поля выбирается такой величины, чтобы обеспечить условие резонанса (см. постулат 2), которое заключается в том, что на определенной частоте различные .направления круговой поляризации соответствуют различным коэффициентам затухания. Следовательно, для одного направления распространения волна испытывает незначительное ослабление, I а для противоположного - значительное, при этом мощность

I поглощается в феррите.

i 2. Вентиль на жщении поля . По внешнему виду вентиль

; ла смещении поля также напоминает невзаимный фазовращатель,

I; за исключением того, что на поверхности ферритовой пластины

1 расположена поглощающая пленка. Обычно величина подмагничи-

I вающего поля лежит в диапазоне, соответствующем постулату I

ц {уравнение (4.9.1)].

! Работа вентиля в принципе противоречит предположениям

i теории возмущения по крайней мере с точки зрения распределения

jl поля в непосредственной близости к возмущающему телу. Когда

величина эффективной проницаемости Рэфф мала, поле В вблизи феррита мало и, следовательно, в силу третьего уравнения Максвелла поле Е тоже мало. Поэтому поглощающая пленка оказывает малое влияние на проходящую волну. Но если величина Рэфф велика (для противоположного направления распространения), то поле В велико, поэтому и поле Е велико; следовательно, имеется значительное затухание волны из-за наличия поглощающей пленки.

Основным преимуществом такого вентиля по сравнению с резонансным является то, что область справедливости постулата I (диапазон частот и напряженностей подмагничивающего поля) очень широка, тогда как резонансный вентиль сравнительно более критичен.

3. Вентиль, использующий эффект Фарадея. Описываемое устройство по внешнему виду напоминает фарадеевский 180-гира-тор, за исключением того, что используется скрученный на 45° волновод, а сам вращатель плоскости поляризации поворачивает последнюю не на 90°, а на 45° (фиг. 4.9.4, а).

На фиг. 4.9.4, б схематически показано распространение волны из плеча 1 в плечо 2. Электрический вектор волны в скрученном волноводе поворачивается сначала по часовой стрелке на 45°, затем в фарадеевском вращателе поворачивается на 45° против часовой стрелки, и волна выходит неослабленной из плеча 2.

На фиг. 4.9.4, в показано, как электрический вектор волны, входящей в плечо 2, поворачивается в ферритовом вращателе против часовой стрелки на 45°, затем на 45° в том же направлении в скрученном волноводе. Поэтому волна выходит из плеча 1 с изме-



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 [ 36 ] 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81