Динамические магнитные параметры и характеристики ферритов.

У ферритов, намагниченных постоянным магнитным полем, для СВЧ полей в общем случае магнитная проницаемость является тензорной величиной и вектор может иметь отличные от вектора направления.

Рассмотрим физические явления в ферритах в диапазоне СВЧ. Пусть феррит намагничен до насыщения полем . При этом все магнитные моменты некомпенсированных спинов электронов (а, следовательно, и вектора ) оказались ориентированными в направлении подмагничивающего поля, например, вдоль оси (рис. 3).

Если вдоль оси прикладывается магнитное поле , то оно выводит электронные спины из состояния равновесия. В результате чего возникает дополнительная переменная составляющая намагниченности феррита, и его суммарная намагниченность будет не совпадать с направлением поля . В случае, когда по оси приложено переменное магнитное поле , вектор намагниченности совершает движение, которое аналогично движению гироскопа (волчка).

Если воздействие магнитного поля кратковременно, то вектор возвратится в своё исходное состояние , совершая затухающее прецессионное движение вокруг оси (рис. 3). Это движение происходит с ларморовой частотой:

(6)

где = 35,17 МГц/кАм^-1=2,8 МГц/Э.

Если магнитное поле действует длительное время, то в феррите устанавливается состояние, при котором вектор совершает прецессионное движение вокруг оси с частотой приложенного магнитного поля . Интенсивность прецессии зависит от соотношения частоты и собственной частоты прецессии , а также от амплитуды переменного поля. Если = , то энергия магнитного поля эффективно передаётся системе спинов. При этом амплитуда прецессии и потерь волны резко возрастают. Это явление, которое в ферритовых устройствах может носить невзаимный характер, называется ферромагнитным резонансом.

Поэтому частота магнитного поля = = называется частотой ферромагнитного резонанса. При этом амплитуда прецессии определяется потерями в феррите.

Движение вектора описывается уравнением:

(7)

где , ; - СВЧ комплексные амплитуды магнитного поля и вектора намагниченности; - член, определяемый диссипативными потерями в феррите.

Наиболее часто член записывается в форме Ландау-Лившица:

(8)

где коэффициент потерь определяется экспериментально:

(9)

где - ширина кривой поглощения ферромагнитного резонанса на половинном уровне. Обычно значения лежат в пределах 2…80 кА/м (см. табл. 5).

Если переменные составляющие поля и намагниченности много меньше их постоянных составляющих ( « , « ), то решение уравнения (7) имеет вид:

(10)

где , а

(11)

Величины являются комплексными:

, , (12)

Действительные составляющие компонент определяют фазовую скорость распространения электромагнитной волны, а мнимые – магнитные потери в феррите.

Выражения для компонент тензора имеют следующий вид:

, (13)

,

где ,

На рис. 4 приведены частотные зависимости компонент тензора . Если потери в феррите отсутствуют , то

, (14)

При воздействии на намагниченный феррит СВЧ поля круговой поляризации относительно направления магнитные проницаемости и для право- и левополяризованных волн неодинаковы :

Рис.4. Зависимость компонент тензора от частоты

С учётом соотношений (11, 12), вследствие потерь в феррите и являются комплексными: . На рис. 5 приведены зависимости , от напряженности магнитного поля .

Магнитная проницаемость для правополяризованных полей имеет резонансный характер. Мнимая составляющая , учитывающая потери, максимальна при резонансе. Обусловлено это совпадением частоты и направления вращения поля СВЧ с частотой и направлением вращения прецессии . Для левополяризованного поля СВЧ направления вращения поля и прецессии противоположены, резонанс не возможен и магнитная проницаемость изменяется плавно.

Ферритовая среда считается продольно намагниченной, если направление намагничивающего поля совпадает с направлением распространения волны. В продольно намагниченной среде наблюдается явление поворота плоскости поляризации (эффект Фарадея), используемое для создания вентилей, циркуляторов и других устройств.

В поперечно намагниченной ферритовой среде, когда намагничивающее поле перпендикулярно направлению распространения волны, наблюдается явление поглощения волны при полях , меньших значения при продольном намагничивании.

Это явление носит название поперечного резонанса. Поперечный резонанс наступает при .

И в продольно и в поперечно намагниченных ферритовых средах наблюдается эффект смещения поля, обусловленный тем, что при < 0 постоянная распространения становится мнимой величиной. Это значит, что правополяризованные волны в такой ферритовой среде распространяться не могут: они вытесняются из ферритовой среды, т. е. смещаются. Эффект смещения поля, как и поперечный резонанс, используется при построении вентилей.