Основные свойства ферритов на свч

§ 6.7. ФЕРРИТОВЫЕ УСТРОЙСТВА СВЧ

Феррит - магнитодиэлектрический материал ( =5-16, =10^-2-10-³) с кристаллической структурой, обладающий гиромагнитными свойствами, обусловленными особым поведением электронов в атомах кристаллической решетки. Различают три разновидности кристаллических структур ферритов: структуру шпинели с формулой  где  - ион двухвалентного металла (Ni, Mn, Си, Со, Mg и др.), структуру граната ( - железоиттриевый гранат) и гексагональную структуру. Ферриты могут быть поликристаллическими и монокристаллическими. Производство поликристаллических ферритов осуществляют по технологии, характерной для керамики: смесь оксидов с пластификатором формуют в полуфабрикаты, которые затем обжигают при температуре 1000-1400°С. Ферритовые монокристаллы выращивают по технологии, сходной с технологией изготовления полупроводниковых материалов. Наиболее часто применяются образцы ферритов в форме стержней круглой или прямоугольной формы, пластинок и дисков, а также отполированных сфер небольшого диаметра (около 1 мм) Из монокристаллов.

В ферритовых устройствах СВЧ используются гиромагнитные свойства, проявляющиеся при одновременном воздействии на ферритовый образец постоянного и высокочастотного магнитных полей. При таком воздействии связь высокочастотных векторов напряженности магнитного поля  и магнитной индукции  приобретает сложный характер, описываемый тензором магнитной проницаемости.

//9л Саз ПрСВЧУ

Использование ферритов на СВЧ обусловлено спецификой распространения в них радиоволн. Рассмотрим кратко эффекты, происходящие в подмагниченных ферритах при распространении в них электромагнитных волн СВЧ-диапазона.

Феррит представляет собой разновидность магнитной керамики с =8-16 и =10^-2-10^-3. Магнитная проницаемость феррита в диапазоне СВЧ определяется гиромагнитными свойствами электронов. При вращении вокруг своей оси электрон, имеющий массу и заряд, создает механический  и магнитный  моменты, направленные в противоположные стороны (рис. 8.1). Области феррита, в которых магнитные моменты большей части электронов ориентированы одинаково, называются доменами. Объем одного домена составляет около 10^-12 cм³. Из-за их произвольной ориентации в феррите результирующий магнитный момент равен нулю.

В постоянном магнитном поле  ось вращения электрона ориентируется по направлению этого поля. Поэтому магнитные моменты отдельных доменов ориентируются одинаково и образуют результирующий магнитный момент подмагниченного феррита, хактеризуемого вектором намагниченности  определяемым как предел отношения результирующего магнитного момента феррита к его объему при стремлении последнего к нулю; тензором магнитной проницаемости  и вектором магнитной индукции . С ростом напряженности постоянного магнитного поля  происходит переориентация доменов, растут результирующий магнитный момент и магнитная индукция феррита. Это продолжается до тех пор, пока векторы  и  не станут параллельными. При дальнейшем росте величины  происходит ориентация по полю несориентированных электронов в доменах. После чего наступает насыщение феррита. С уменьшением  происходит уменьшение магнитной индукции. При этом закон убывания магнитной индукции не совпадает с законом ее нарастания. Это называется явлением гистерезиса (рис. 8.2). Петля гистерезиса характеризуется индукцией насыщения  остаточной намагниченностью  и коэрцитивной силой  Остаточная намагниченность находит применение в фазовращателях с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) для обеспечения внутренней магнитной памяти.

При отклонении оси вращения электрона, находящегося в постоянном магнитном поле, какой-либо внешней силой она начинает прецессировать (вращаться) вокруг направления устойчивого равновесия. Прецессия всегда происходит по часовой стрелке, если смотреть в направлении . При наличии потерь прецессия происходит по спирали, сходящейся к направлению  (см. рис. 8.1). Роль внешней силы, отклоняющей ось вращения электрона при распространении в феррите радиоволны, играет переменное магнитное поле этой волны. Таким образом, все многообразие свойств феррита при распространении в нем радиоволн определяется величиной и взаимной ориентацией постоянного подмагничивающего  и высокочастотного  полей. Из электродинамики известно, что в феррите, намагниченном полем , которое ориентировано вдоль оси z, магнитная индукция  и магнитное поле  связаны соотношением

В развернутом виде это соотношение имеет вид

где  - комплексные элементы тензора магнитной проницаемости, зависящие от  и частоты ; = Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость.

Отсюда следует, что если вектор  высокочастотного поля параллелен оси z, т.е. , то вектор магнитной индукции имеет единственную компоненту  и гиромагнитные свойства в феррите не проявляются. Если же вектор магнитного поля  имеет круговую поляризацию и плоскость вращения перпендикулярна подмагничивающему полю, то вектор магнитной индукции также имеет круговую поляризацию, по направлению совпадающую с вектором  Действительно, положим  , где  - единичные орты прямоугольной системы координат; верхний знак соответствует круговой поляризации правого вращения (по часовой стрелке, если смотреть в направлении ), а нижний - левого вращения (против часовой стрелки, если смотреть в направлении ). Найдем и : для правого вращения

для левого вращения

Здесь и - комплексные магнитные проницаемости феррита для волн круговой поляризации правого и левого вращения соответственно.

Итак, зная направление и величину подмагничивающего постоянного поля , вычислив действительную и мнимую части  и и представив высокочастотное поле  в виде линейной комбинации полей с круговой поляризацией правого и левого вращения, можно найти значения  и  и установить происходящие в феррите гиромагнитные эффекты. На рис. 8.3 представлены зависимости  и  от величины подмагничивающего поля.

Эффект Фарадея происходит при распространении в феррите электромагнитной линейно поляризованной волны в направлении подмагничивающего поля (см. рис. 9.17). Он проявляется в повороте плоскости поляризации этой волны на некоторый угол  при прохождении через продольно подмагниченный феррит. При этом величина подмагничивающего поля  должна соответствовать точке 1на рис. 8.3. В этой точке значения действительных частей магнитных проницаемостей феррита различны для волн круговой поляризации правого  и левого  вращений, причем . Линейно поляризованная волна может быть представлена в виде комбинации равно-амплитудных волн правого и левого вращений. Из-за различия магнитных проницаемостей феррита для этих волн они имеют в феррите различные фазовые скорости  и приобретают различные фазовые набеги при распространении на одинаковое расстояние. Поэтому линейно поляризованный вектор, образованный суммированием полей волн правого и левого вращений, повернется на некоторый угол , пропорциональный разности коэффициентов фазы этих волн.

Поворот плоскости поляризации всегда происходит по часовой стрелке, если смотреть в направлении вектора подмагничивающего поля , и не зависит от направления распространения волны, т.е. эффект Фарадея является невзаимным.

Эффект смещения поля происходит при распространении волны поперек подмагничивающего поля , причем вектор  распространяющейся волны имеет круговую поляризацию правого вращения в плоскости, перпендикулярной  (рис. 8.4). При этом величина подмагничивающего поля  должна соответствовать точке 2 на рис. 8.3. В этой точке значение действительной части магнитной проницаемости феррита для волны правого вращения отрицательно. Это соответствует мнимому значению коэффициента фазы волны. Поэтому такая волна в феррите не распространяется, и поле вытесняется из феррита. При этом волна левого вращения распространяется в таком феррите как в обычном диэлектрике с повышенными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей. При изменении направления распространения волны на противоположное, изменяется и направление вращения вектора  поэтому эффект смещения поля является невзаимным.

Эффект ферромагнитного резонанса происходит при тех же условиях, что и эффект смещения поля. Отличие состоит лишь в величине подмагничивающего поля, которая должна соответствовать точке 3 на рис. 8.3. В этой точке мнимая часть магнитной проницаемости феррита для волны правого вращения имеет резонансное значение, определяющее большие тепловые потери. Эти потери обусловлены тем, что энергия высокочастотного поля волны расходуется на поддержание прецессии электронов в феррите, так как направление вращения вектора  этой волны совпадает с направлением прецессии, а частота электромагнитных колебаний совпадает с частотой прецессии электронов. Как и эффект смещения поля, поперечный ферромагнитный резонанс является невзаимным эффектом.

//6л ПрСВЧУ ВГ

Основные свойства ферритов на СВЧ.Феррит представляет собой разновидность магнитной керамики с  и  Магнитная проницаемость феррита в СВЧ-диапазоне определяется гиромагнитными свойствами электронов. При вращении вокруг своей оси электрон, имеющий массу и заряд, создает механический  и магнитный  моменты, направленные в противоположные стороны (рис. 3.36). Области феррита, в которых магнитные моменты большей части электронов ориентированы одинаково, называются доменами. Объем одного домена составляет примерно 10^-12 см³. Из-за их произвольной ориентации в феррите результирующий магнитный момент равен нулю.

В постоянном магнитном поле  ось вращения электрона ориентируется по направлению этого поля. Поэтому магнитные моменты отдельных доменов ориентируются одинаково и образуют результирующий магнитный момент подмагниченного феррита. Подмагниченный феррит характеризуется: вектором намагниченности , определяемым как предел отношения результирующего магнитного момента феррита к его объему при стремлении последнего к нулю; тензором магнитной проницаемости  и вектором магнитной индукции . С ростом напряженности постоянного магнитного поля  происходит переориентация доменов, растут результирующий магнитный момент и магнитная индукция феррита. Это продолжается до тех пор, пока векторы  не станут параллельными.

При дальнейшем росте величины  происходит ориентация по полю не сориентированных в доменах электронов, после чего наступает насыщение феррита. С уменьшением  происходит уменьшение магнитной индукции. При этом закон убывания магнитной индукции не совпадает с законом ее нарастания. Это называется явлением гистерезиса (рис. 3.37). Петля гистерезиса характеризуется индукцией насыщения  остаточной намагниченностью  и коэрцитивной силой  Остаточная намагниченность находит применение в фазовращателях на ППГ для обеспечения внутренней магнитной памяти.

При отклонении оси вращения электрона, находящегося в постоянном магнитном поле, какой-либо внешней силой, она начинает прецессировать (вращаться) вокруг направления устойчивого равновесия. Прецессия всегда происходит по часовой стрелке, если смотреть в направлении . При наличии потерь прецессия происходит по спирали, сходящейся к направлению  (см. рис. 3.36). Роль внешней силы, отклоняющей ось вращения электрона при распространении в феррите радиоволны, играет переменное магнитное поле этой волны. Таким образом, все многообразие свойств феррита при распространении в нем радиоволн определяется величиной и взаимной ориентацией постоянного подмагничивающего поля  и высокочастотного поля . Из электродинамики известно, что в феррите, намагниченном полем , которое ориентировано вдоль оси .z, магнитная индукция  и магнитное поле  связаны соотношением:

В развернутом виде это соотношение имеет вид:

где - комплексные элементы тензора магнитной проницаемости, зависящие от и частоты Г/м - абсолютная магнитная проницаемость. Отсюда следует, что если вектор  высокочастотного поля параллелен оси z, т.е.  то вектор магнитной индукции имеет единственную компоненту , и гиромагнитные свойства в феррите не проявляются. Если же вектор магнитного поля  имеет круговую поляризацию, и плоскость вращения перпендикулярна подмагничивающему полю, то вектор магнитной индукции также имеет круговую поляризацию, по направлению совпадающую с вектором . Действительно, положим , где  - единичные орты прямоугольной системы координат; верхний знак соответствует круговой поляризации правого вращения (по часовой стрелке, если смотреть в направлении ), а нижний - левого вращения (против часовой стрелки, если смотреть в направлении ). Найдем :

 - для правого вращения;

 - для левого вращения.

В этих выражениях - комплексные магнитные проницаемости феррита для волн круговой поляризации правого и левого вращений

соответственно. Итак, зная направление и величину подмагничивающего постоянного поля , вычислив действительную и мнимую части  и  представив высокочастотное поле  в виде линейной комбинации полей с круговой поляризацией правого и левого вращений, можно найти значения  и  и установить происходящие в феррите гиромагнитные эффекты. На рис. 3.38 представлены зависимости  от величины подмагничивающего поля при совпадении частоты  с частотой прецессии электронов.

Эффект Фарадея происходит при распространении в феррите электромагнитной линейно поляризованной волны в направлении подмагничивающего поля (см. рис. 3.35). Он проявляется в повороте плоскости поляризации этой волны на некоторый угол  при прохождении через продольно подмагниченный феррит. При этом величина подмагничивающего поля  должна соответствовать точке 1 на рис. 3.38. В этой точке значения действительных частей магнитных проницаемостей феррита различны для волн круговой поляризации правого  и левого  вращений, причем . Линейно поляризованная волна может быть представлена в виде комбинации равно амплитудных волн правого и левого вращений. Из-за различия магнитных проницаемостей этих волн они имеют в феррите различные фазовые скорости  и приобретают различные фазовые набеги при распространении на одинаковое расстояние. Поэтому линейно поляризованный вектор, образованный суммированием полей волн правого и левого вращений, повернется на некоторый угол  пропорциональный разности коэффициентов фазы этих волн. Поворот плоскости поляризации всегда происходит по часовой стрелке, если смотреть в направлении вектора подмагничивающего поля  и не зависит от направления распространения волны, т. е. эффект Фарадея является невзаимным эффектом.

Эффект смещения поля происходит при распространении волны поперек подмагничивающего поля , причем вектор  распространяющейся волны имеет круговую поляризацию правого вращения в плоскости, перпендикулярной  (рис. 3.39). При этом величина подмагничивающего поля должна соответствовать точке 2 на рис. 3.38. В этой точке значение действительной части магнитной проницаемости феррита для волны правого вращения отрицательно, что соответствует мнимому значению коэффициента фазы волны. Поэтому такая волна в феррите не распространяется, и поле вытесняется из феррита. При этом волна левого вращения распространяется в таком феррите как в обычном диэлектрике с повышенными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей. При изменении направления распространения волны на противоположное изменяется и направление вращения вектора . Поэтому эффект смещения поля является невзаимным эффектом.

Эффект ферромагнитного резонанса происходит при тех же условиях, что и эффект смещения поля. Отличие состоит лишь в величине подмагничивающего поля, которая должна соответствовать точке 3 на рис. 3.38. В этой точке мнимая часть магнитной проницаемости феррита для волны правого вращения имеет резонансное значение, определяющее большие тепловые потери. Эти потери обусловлены тем, что энергия высокочастотного поля волны расходуется на поддержание прецессии электронов в феррите, так как направление вращения вектора  этой волны совпадает с направлением прецессии, а частота электромагнитных колебаний совпадает с частотой прецессии электронов. Как и эффект смещения поля, поперечный ферромагнитный резонанс является невзаимным эффектом.

//л3 УСВЧ Макс

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Тактические действия в защите

История Олимпийских игр

История развития права интеллектуальной собственности