Материал: t5IRtEfj9y
4.1. Основные положения
Ферриты – это группа содержащих ионы железа материалов, которые обладают одновременно магнитными свойствами ферромагнетиков и элек-
трическими свойствами диэлектриков (εr = 5…20, s =10−5 Ом−1 × м−1). Свой-
ства ферритов в значительной степени определяются их структурой. Наиболее широкое применение находят ферриты со структурой шпинели (напри-
мер, железоникелевый феррит NiFe2O3, марганцевый феррит MnO×Fe2O3) и
со структурой граната (например, железоиттриевый гранат Y3Fe5O12 –
ЖИГ). Благодаря наличию ионов железа ферриты обладают большой магнитной проницаемостью и спонтанной намагниченностью. На рис. 4.1 показана кривая намагничивания ферромагнитного материала.
B
Bнас
z
M0 H0
0 Hс H
у h
x
Рис. 4.1 |
Рис. 4.2 |
В ненамагниченном состоянии феррит представляет собой конгломерат областей, магнитные моменты которых ориентированы в различных направлениях. Под воздействием переменного магнитного поля магнитные моменты указанных областей отклоняются в направлении вектора H, в результате появляется вектор магнитной поляризации (вектор намагниченности, определяемый как магнитный момент единицы объема), совпадающий с вектором напряженности внешнего поля, и магнитная проницаемость является скалярной величиной. Поэтому свойства ненамагниченного феррита для переменных полей любого направления одинаковы и распространение электромагнитных волн в нем происходит так же, как в любой другой изотропной среде.
Постоянное магнитное поле Н0 ориентирует магнитные моменты атомов железа вдоль внешнего поля, в результате чего феррит приобретает анизотропные свойства, а его магнитная проницаемость для переменных электромагнитных полей становится тензорной величиной. Слабое переменное маг-
21
нитное поле h, перпендикулярное намагничивающему полю Н0, заставляет магнитные моменты прецессировать вокруг вектора Н0 (рис. 4.2). Если по-
стоянное поле направлено вдоль оси z (Н0 = еzН0), а переменное поле h ему перпендикулярно (h = exhx+eyhy), тензор магнитной проницаемости насы-
щенного феррита имеет вид
|
|
|
|
|
|
µ′ |
−ik |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
µ |
|
|
|
=µ0 |
ik |
µ′ |
0 |
|
|
, |
|
|
|
|||||||||
|
0 |
0 |
1 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где µ′=1 − |
ω0ωм |
; k = |
ωωм |
; ω |
|
= |
eµ0 |
H |
|
; ω |
|
= |
eµ0 |
M |
|
; ω – собственная |
ω2 − ω02 |
ω2 − ω02 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
0 |
|
me |
0 |
|
м |
|
me |
0 |
0 |
||||
частота прецессии магнитного момента электрона в постоянном поле Н0; М0
– спиновый магнитный момент электрона.
Вектор магнитной индукции электромагнитной волны b связан с вектором напряженности магнитного поля h соотношением b = ||μ|| h или bx =
= μ0( µ′ hx – ik hy), by = μ0(ik hx + µ′ hy), bz = μ0 hz = 0.
Итак, компоненты тензора ||μ|| зависят от напряженности постоянного поля, и поэтому векторы b и h имеют различные соотношения между компонентами. Отсюда следует важное свойство намагниченного феррита – вращение плоскости поляризации электромагнитной волны, которое называется эффектом Фарадея.
Вращение плоскости поляризации в волноводе, содержащем намаг-
ниченный феррит. Рассмотрим круглый цилиндрический волновод, содержащий продольно намагниченный ферритовый стержень (рис. 4.3). Пусть в волноводе возбуждается волна типа Н11. Будем считать, что присутствие ферритового стержня не искажает распределения поля в поперечном сечении волновода и что частота много больше собственной частоты прецессии (в этом случае активными потерями в феррите можно пренебречь).
Пусть на вход устройства подается плоскополяризованная волна (плоскость поляризации – это плоскость, составленная вектором Е и направлением распространения волны). Плоскополяризованную волну можно представить в виде суммы двух распространяющихся в противоположных направлениях волн круговой поляризации с противоположным направлением вращения векторов напряженности поля.
22
Θ
z
y
x
H0
Плоскость
Ферритовый стержень поляризации
Рис. 4.3
Напряженность магнитного поля плоскополяризованной волны можно записать как
Hm cos(ωt - βz) = 1 Hme−i(ωt +β+ z) + 1 Hmei(ωt +β− z) . |
Hm |
||
2 |
2 |
|
|
На рис. 4.4 показано графически разложение |
H |
||
плоскополяризованной волны на две волны круго- |
|
||
вой поляризации с амплитудой 1/2Нm. |
0.5H |
||
Благодаря анизотропии феррита условия рас- |
|||
|
|||
пространения волн с разными направлениями вра- |
|
||
щения различны, соответственно, различны и фа- |
-Hm |
||
зовые скорости каждой из волн (b+ ¹ b– ) и различ- |
|
||
Рис. 4.4
ны набеги фазы на длине z. В результате плоскость
поляризации реальной волны Н11 постепенно поворачивается по мере дви-
жения волны вдоль волновода, причем угол поворота Q плоскости поляризации пропорционален расстоянию z от входной плоскости и зависит от намаг-
ничивающего поля Н0, частоты СВЧ-сигнала w, а также от размеров и от ма-
териала ферритового стержня: Q = hkz, где h - коэффициент пропорциональности, учитывающий геометрические размеры и диэлектрические характери-
|
|
|
|
|
|
|
|
ωωм |
|
|
|
|
|
|
ωm |
|
|
ω0 |
|
2 |
|
|
стики феррита: |
k = |
|
|
|
. |
|
Для w>>w |
k |
1+ |
|
, так что |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ω2 - ω2 |
|
|
0 |
|
ω |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω |
|
|
|
1 |
|
H |
0 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Θ(ω,H0 ) η |
м |
1+ |
|
|
|
z . |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
µ0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
ω |
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
23 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Направление вращения плоскости поляризации не зависит от направления движения электромагнитной энергии по волноводу, т. е. ферритовый вращатель плоскости поляризации является невзаимным устройством.
4.2. Описание экспериментальной установки
Блок-схема лабораторной установки для изучения эффекта вращения плоскости поляризации электромагнитной волны, проходящей через линию, содержащую феррит, приведена на рис. 4.5. Источником СВЧ-колебаний служит генератор Г4-83, работающий в режиме внутренней амплитудной модуляции меандром. Сигнал с выхода генератора 1 через коаксиальный кабель 2 подается на выход отрезка цилиндрического волновода 3, содержащего ферритовый стержень. Постоянное магнитное поле Н0, намагничивающее феррит в продольном направлении, создается катушкой, через которую пропускается управляющий ток I от источника постоянного тока 4. СВЧ-Сигнал, излучаемый из открытого конца цилиндрического волновода 3, принимается рупорной антенной 5 и после детектирования детектором 7 регистрируется на экране осциллографа 6.
|
|
5 |
|
2 |
3 |
7 |
2 |
1 |
|
|
|
|
|
|
6 |
|
I |
|
|
4 |
|
|
|
Рис. 4.5
Намагничивание феррита постоянным магнитным полем Н0, создавае-
мым током I в катушке, приводит к повороту на угол Θ плоскости поляриза-
ции электромагнитной волны, излучаемой в окружающую среду из открытого конца цилиндрического волновода. Угол поворота плоскости поляризации
Θ зависит от силы тока I, протекающего через катушку, и от частоты сигнала. Угол поворота плоскости поляризации волны фиксируется измерением угла поворота рупора приемной антенны вокруг горизонтальной оси, при котором наблюдается максимум регистрируемого сигнала.
24
4.3.Порядок выполнения работы
1.Собрать схему в соответствии с рис. 4.5.
2.Установить ручки приборов в следующие положения:
–генератор СВЧ-сигналов Г4-83:
кнопки управления амплитудой сигнала отжаты; ручку «Уровень» в крайнее левое положение; частота 9.4 ГГц;
|
– блок питания постоянного тока: |
|
|
|
|
|
|
|
напряжение 4 В; |
|
|
|
|
|
|
|
ток 0 А; |
|
|
|
|
|
|
|
ручку «Усиление» в положение, соответствующее минимальной чувстви- |
||||||
|
тельности. |
|
|
|
|
|
|
3. |
Включить приборы и дать им прогреться в течение 5…10 мин. |
||||||
4. |
Нажать на панели генератора Г4-83 кнопку « |
|
|
|
|
|
». |
|
|
|
|
||||
|
|
||||||
5.Установить на экране осциллографа развертку огибающей СВЧ-сигнала (меандр) в пределах половины экрана, увеличивая выходную мощность генератора ручкой «Уровень» и чувствительность осциллографа.
6.Найти положения минимума и максимума принимаемого сигнала, перемещая рупор приемной антенны вдоль направляющей.
7.Установить рупор приемной антенны на расстоянии, соответствующем максимуму принимаемого сигнала.
8.Измерить зависимость регистрируемого сигнала от угла поворота рупора
(0…180 °).
9.Измерить зависимость принимаемого сигнала от угла поворота рупора при трех значениях тока управления (10; 30; 60 мА).
10.Выключить ток. Установить угол поворота рупора, соответствующий минимальному принимаемому сигналу.
11.Измерить зависимость угла поворота Θ рупора, который соответствует минимальному сигналу, от тока управления(0; 10; 20; 40; 60 мА).
12.Изменить направление тока. Повторить измерения по пп. 9–11.
13.Вернуть ручки приборов в исходное положение.
14.Выключить приборы.
4.4.Содержание отчета
1.Схема экспериментальной установки.
25