Невзаимные и управляющие устройства с ферритами: резонансный вентиль на полосковой линии передачи, вентиль со смещением поля, ферритовые фазовращатели, тороидальные фазовращатели.

В полосковой конструкции резонансного вентилявращающееся магнитное поле в области ферритового образца со­здается с помощью двух поперечных шлейфов длиной λ_в/8 и 3λ_в/8. В проводниках этих шлейфов проходит ток, равный току в основ­ном тракте и сдвинутый по фазе по отношению к нему на 90°. В ре­зультате прохождения токов через плечи крестообразного разветв­ления образуется вращающееся магнитное поле с левым вращени­ем относительно поля подмагничивания для падающей волны и с правым вращением для отраженной волны, которая поглощается в ферритовых дисках при гиромагнитном резонансе. Суммарный ток, ответвляющийся в шлейфы, равен нулю, и шлейфы не нарушают согласования вентиля.

Общим недостатком вентилей с резонансным поглощением яв­ляется большая масса постоянного магнита, который должен соз­давать магнитное поле напряженностью в сотни тысяч ампер на метр для 3-см диапазона волн.

Рис. левее – резонансный вен­тиль на прямо­угольном волноводе

Рис. правее – вентиль со сме­щением поля на полосковой линии передачи с короткозамкнутыми шлейфами

В вентиле со смещением поляна прямоугольном волноводе ферритовую пластину 1 размещают в области волновода с вращающимся магнитным полем и напряженность поперечного поля подмагничивания выбирают такой, чтобы магнитная прони­цаемость для падающей правовращающейся волны была отрица­тельной. В этом случае коэффициент распространения в феррите оказывается мнимым и поле вытесня­ется из феррита. При распространении отраженной волны с левой круговой поляризацией μ_>0 и вследствие повышенных значений Диэлектрической проницаемости феррита поле отраженной СВЧ волны концентрируется у его поверхности. Распределения поля Е для падающей и отраженной волн в поперечном сечении волновода с ферритом показаны на рис. левее. На поверхность ферритовой пла­стины 1 наносят поглощающую металлическую пленку 2, поэтому отраженная волна, концентрирующаяся у поверхности феррита, ис­пытывает значительное поглощение. На падающую волну поглощающая пленка практически не влияет. Вентили со смещением по­ля по сравнению с резонансными имеют существенно облегченную магнитную систему, более широкополосны, однако могут работать при сравнительно небольших уровнях мощностей.

Ферритовые фазовращатели.Ферритовые фазовращатели СВЧ успешно конкурируют с фа­зовращателями на p-i-n-диодах и на сантиметровых волнах позво­ляют управлять более высокими мощностями, хотя и обладают не­сколько меньшим быстродействием.

Простейший фазовращатель на прямоугольном волноводе с про­дольно-намагниченным ферритом (так называемый фазовращатель Реджиа- Спенсера) представляет собой ферритовый стержень 1, расположенный на оси прямоугольного волновода и намагничивае­мый в продольном направлении обмоткой 2, расположенной сна­ружи. Волновод с ферритом является запредельным для волны с вектором Е, параллельным широким стенкам, и вследствие этого эффект Фарадея не проявляется. Управляющее магнитное поле изменяет магнитную проницаемость феррита и коэффициент фазы основной волны в волноводе с ферритом. Фазовращатель Реджиа-Спенсера взаимный и может быть создан на любую ра­бочую частоту в диапазоне 8—70 ГГц. Его достоинством являются простота и возможность регулировки фазы в пределах 0-360° при сравнительно слабых управляющих магнитных полях и вносимом ослаблении мощности СВЧ 0,5—1,0 дБ. Однако фазовращатель пригоден для использования в сравнительно узкой полосе частот при условиях средней мощности не более 0,5 кВт.

Более распространены ферритовые фазовращатели с поперечным полем подмагничивания. В них используются существование в волноводах областей с вращающимся вектором H и зависимости магнитных проницаемостей ферритов μ+ и μ- от напряженности подмагничивающего поля. Поэтому вместо постоянных магнитов в фазовращателях применяются электромагниты. Фазовращатели с поперечным полем подмагничивания невзаимные, так как направ­ление вращения вектора Н в области ферритовых вставок оказы­вается различным для волн, распространяющихся в противополож­ных направлениях.

В фазовращателе на прямоугольном волноводе для увеличения фазового сдвига и уменьшения общей длины обычно используют две ферритовые пластины /, расположенные по обе стороны от средней плоскости волновода, намагничиваемые в противополож­ных направлениях (рис.а). Возможен коаксиальный вариант фазовращателя, где вращающееся поле Н в ферритовых образцах обеспечивается частичным заполнением диэлектриком 2 попереч­ного сечения линии передачи (рис.б).

Общим недостатком фазовращателей с плавным изменением фазы (аналоговых фазовращателей) является необходимость непре­рывной подачи тока в управляющие обмотки. Этот недостаток уст­ранен в дискретных фазовращателях на ферритах с прямоугольной петлей гистерезиса. Такие ферриты, будучи намагниченными, со­храняют это состояние неограниченно долго и требуют затрат энер­гии на управление лишь при перемагничивании. При реализации Управляемых устройств на ферритах с прямоугольной петлей гисте­резиса необходимо обеспечивать замыкание управляющего магнит­ного потока внутри феррита.

Наиболее распространенный волноводный фазовращатель на ферритах с прямоугольной петлей гистерезиса, называемый торо­идальным фазовращателем, показан на рис. Он состоит из нескольких двухпозиционных секций, обеспечивающих бинарный набор фазовых состояний и управляемых переключением направ­лений максимальной намагниченности феррита.

Три секции, обладающие переключаемыми фазовыми сдвигами 180, 90 и 45°, позво­ляют перекрыть интервал изменения фазы 0-360° с дискретом 45°. Ферритовые вставки 1 имеют форму прямоугольных тороидов, пе-ремагничиваемых пропусканием импульсов тока в противополож­ных направлениях через проводники 3, пропущенные внутри торои­дов. Тороидальный фазовращатель невзаимный, принцип его дей­ствия аналогичен принципу действия фазовращателя с поперечно-намагниченными пластинками феррита. На концах тороидального фазовращателя устанавливают согласующие диэлектрические вставки 2. Тороидальные фазовращатели имеют время переключе­ния 0,5—2,0 мкс. В полосе частот ±5% тороидальные фазовраща­тели с полным перекрытием фазы 0—360° имеют уровень вносимого ослабления 0,8—1,2 дБ и характеризуются входным КСВ не более 1,2 во всех фазовых состояниях. Допустимый уровень средней мощ­ности колебаний СВЧ может достигать 0,2—0,4 кВт, а энергия, требуемая для перевода фазовращателя из одного состояния в дру­гое, составляет 3·10^-4—3·10^-3 Дж.