Невзаимные и управляющие устройства с ферритами.

Устройства на основе эффекта Фарадея.Эффектом Фарадея на­зывают явление поворота плоскости поляризации линейно поляри­зованной волны при ее распространении в гиротропной среде. Эф­фект Фарадея наблюдается при совпадении направления распрост­ранения волны с направлением поля подмагничивания. Известно, что линейно поляризованная электромагнитная волна может быть представлена суммой двух волн круговой поляризации с противо­положными направлениями вращения. Для каждой из этих волн феррит представляет изотропную среду с магнитными проницаемостями μ₊ и μ_-. В подмагниченном феррите волны с круговой поля­ризацией имеют различные коэффициенты фазы и , причем μ₊< μ_- и < . При прохождении участка феррита длиной l фазовые набеги волн с кру­говой поляризацией l и l различны, вследствие чего линейно поляризованный вектор напряженности, суммарного поля Е на вы­ходе участка феррита окажется повернутым на угол θ=( - )l/2 по часовой стрелке, если смотреть по направлению силовых линий поля подмагничивания Н₀.Важно заметить, что угол поворота плос­кости поляризации 0 не зависит от направления распространения волны (по вектору Н₀или против него) и именно этим объясняется невзаимность эффекта Фарадея. Эффект Фарадея успешно используют в вентилях и циркуляторах на основе круглого или квадратного волноводов, пропускающих волны с любой поляризацией.

Вентиль на эффекте Фарадея (рис.а) состоит из отрезка круглого волновода с ферритовым стержнем 1, расположенным по оси, и внешнего соленоида 4, создающего продольное поле подмагничивания. С обеих сторон круглый волновод оканчивается плав­ными переходами 2 к прямоугольным волноводам. Внутри перехо­дов параллельно широким стенкам входного и выходного волноводов установле­ны поглощающие пластины 3.

Выходной волновод по­вернут по отношению к входному на угол 45°. Пада­ющая волна и_п, поданная на вход 1, не испытывая ослаб­ления в поглощающей плас­тине, преобразуется в волну Н₁₁ круглого волновода. Ди­аметр и длина ферритового стержня и напряженность подмагничивающего поля выбраны так, что плоскость поляризации волны после прохождения образца ферри­та поворачивается на 45° по часовой стрелке и прошедшая волна без потерь попадает в выход­ной волновод, узкие стенки которого оказываются параллельными вектору Е (рис.б). Для уменьшения отражений концы фер­ритового стержня и поглощающих пластин имеют скосы.

Отраженная волна и₀, поступающая на вход II (рис.в), без ослабления преобразуется в волну Н₁₁ круглого волновода. После прохождения ферритового образца плоскость поляризации поворачивается по часовой стрелке на 45° (направление поворота плоскости поляризации при эффекте Фарадея не зависит от направ­ления распространения волны и определяется только направлением поля подмагничивания). На выходе участка с ферритом вектор Е оказывается параллельным широким стенкам волновода на входе / и поглощающей пластине 3. На вход I отраженная волна и₀ не проходит, и вся переносимая ею мощность рассеивается в поглощающей пластине. Таким образом, устройство в идеале обладает свойствами вентиля с матрицей рассеяния S.

Переключение направления тока в соленоиде превращает вентиль и циркулятор в управляемые выключатель и коммутатор.

Вентиль может быть преобразован в 8-полюсный циркулятор. Для этого следует вместо поглощающих пластин предусмотреть дополнительные выходы мощности в виде боковых Т-ответвлений прямоугольных волноводов.

Важным преимуществом ферритовых устройств с эффектом Фа­радея является сравнительно сла­бое намагничивающее поле (нес­колько тысяч ампер на метр в 3-сантиметровом диапазоне волн). К числу недостатков фарадеевских устройств относятся затруд­ненный теплоотвод от ферритово­го образца и некоторая громозд­кость.

Устройства с поперечно-подмагниченными ферритами.В пря­моугольном волноводе с волной Н₁₀ имеются две плоскости, параллельные узким стенкам волново­да, в которых магнитное поле распространяющейся бегущей волны имеет круговую поляризацию. Действительно, составляющие маг­нитного поля волны Н₁₀ записываются в виде

.

где β=2π/λ_в - коэффициент фазы. Равенство амплитуд составляю­щих H_хи H_z и круговое вращение вектора Н суммарного магнитно­го поля, вокруг направлений, параллельных оси у, получаются в продольных плоскостях при x=x₀и x=а—х₀, где x₀=(a/π)arctg[λ_B/(2a)]. На рис.а плоскости круговой поляри­зации вектора Н отмечены пунктирными линиями. Направления вращения вектора Н зависят от направления распр-я вол­ны в волноводе и противоположны на участках, лежащих по раз­ные стороны от средней линии волновода.

Если в прямоугольном волноводе на участке с вращающимся нолем Н поместить продольную ферритовую пластину и создать поперечное поле подмагничивания Н₀(рис.б), то феррит будет оказывать на волны в волноводе такое же влияние, какое ока­зывает образец изотропного магнитодиэлектрика, магнитная про­ницаемость которого различна для волн, распространяющихся в противоположных направлениях.