Волноводные нагрузки.

В качестве оконечных устройств волноводной системы применяют согласованные нагрузки, служащие для полного поглощения (без отражения и излучения) всей передаваемой по волноводу мощности. Они применяются в качестве эквивалента антенны при наладке аппаратуры для исключения излучения энергии в пространство с целью обеспечения скрытности. Кроме того, нагрузки используются в составе устройств СВЧ, когда необходимо поглотить нежелатель­ную энергию, например, в направленных ответвителях или в качестве эталона волнового сопротивления. В зависимости от назначения волноводные нагрузки бывают малой и большой мощности. Нагрузка малой мощности (менее одного ватта) представляет собой закороченный на конце отрезок волновода, в который вставлены диэлектрические пластины, покрытые слоем графита. Они должны располагаться в плоскости силовых линий электрического поля. Принцип поглощения электромагнитной энергии в таких устройствах аналогичен рассмотренному при изучении аттенюаторов. Для уменьшения отражений пластины выполняются клиновидными.

В поглощающих нагрузках большой мощности вместопластин устанавливается сплошной поглощающий клин из специального компаунда, например, из бетона, выполненнго на основе цемента и графита. Длина клина подбирается экспериментально таким образом, чтобы обеспечить минимальные отражения. Энергия электромагнитной волны возбуждает в теле поглотителя токи СВЧ, в результате чего он нагревается. Прибольших поглощаемых мощностях для рассеяния тепла на грузки снабжаются радиаторами. В ряде случаев волноводные нагрузки большой мощности выполняются жидкостными. При этом в закороченный на конце волновод вводится стеклянная трубка, пересекающая его под малым углом. Циркулирующая в ней вода по поглощает энергию и отводит тепло. Реальные волноводные нагрузки малой мощности имеют КСВ не более 1.02-1.05. а нагрузки большой мощности -1.1 - 1.2

13 Устройства с полупроводниковыми приборами СВЧ. Детекторная секция, измерительная линия. Одним из наиболее распространенных видов измерений на сверхвысоких частотах является измерение мощности. Для этих целей применяются детекторные и термисторные секции(головки).

Детекторная секция представляет собой отрезок волновода, заканчивающийся волноводно-коаксильным переходом,в котором к возбуджающему штырю подключен кристаллический детектор. С помощью измерительного прибора определяется величина выпрямительного тока СВЧ.

Для исследования распределения электрического поля вдоль волновода, а также для измерения КСВ(КБВ) применяются измерительные линии. Они строятся на основе как прямоугольного, так и коаксильного волноводов. Обычно измерительная линия выполняется в виде отдельного отрезка волновода с двумя фланцами, позволяющая включить ее в волноводвую систему между генератором и нагрузкой.

14 Свойства СВЧ ферритов.

Под ферритами понимают широкий класс ферромагнитных полупроводящих материалов с кристаллической структурой, получаемых спеканием окиси железа с окислами двухвалентных металлов (никель, цинк, магний, марганец, медь и т.д.)

Феррит в постоянном магнитном поле обладает магнитной анизотропией, которая заключается в том, что его магнитная проницаемость изменяется для волн с различной ориентацией векторов напряженности высокочастотного магнитного поля по отношению к напряженности постоянного магнитного поля. В связи с последним свойством волноводные узлы, в которых применятся намагниченные ферриты, не подчиняются принципам обратимости и взаимности.

15 Ферромагнитный резонанс. Эффект Фарадея. Эффект смещения по­ля.

Для удобства в дальнейшем будем обозначать волну с правым вращением вектора Н_е — Н⁺, а волну с левым вра­щением – Н-.Если частота электромагнитных колебаний волны w совпадает с частотой прецессии,вектор Н волны Н⁺ совместно с вектором Н₀ создают результирующее поле, вектор которого в процессе вращения остается неподвижным относительно момента М_сп. Следовательно, высокочастотное поле приведет к прецессии с постоянно увеличивающейся амплитудой. Однако за счет трения в кристаллической решетке нарастание амплитуды прекращается и энергия, подводимая к электрону от высокочастотного поля, расходуется на поддержание прецессии и рассеивается в виде тепла.Если w отличается от w₀, магнитное поле волны препятствует прецессии с частотой w₀. Амплитуда прецессии уменьшается, и энергия на ее поддержание требуется меньшая.

Таким образом, на частоте w = w₀ происходит резке увеличение поглощения энергии волны с правым вращением вектора Н. Это явление получило название ферромагнитного резонанса.

Если вектор поля намагничивания Н.₀ совпадает с направлением распространения волны, Н поворачивает влево, в противном случае - вправо. Явление поворота плоскости поляризации при прохождении намагниченного феррита получило название эффекта Фарадея

Если ферритовая среда ограничена в поперечном сечении (цилиндр, параллелепипед т.д.), то волна с правой поляризацией Н⁺ из феррита вытесняется и распространяется вне его. В то же время волна Н- при этих условиях свободно распространяется, так как µ- ˃0. Это явление получило название эффекта смещения поля. Оно наблюдается как в продольно-, так и в поперечно- намагниченных ферритах.

16 Распространение волны Нп в круглом волноводе с продольно на­магниченным ферритом.

П.На левом рисунке показано волна с горизонтальной поляризацией магнитного поля. На правом рисунке – волна с вертикальной поляризацией магнитного поля.Если в волновод круглого сечения поместить цилиндрический феррит (как на рисунке), то продольное поле намагничивания можно создать с помощью соленоида расположенного на волноводе. Величина поля Н0 берем из условия Н0<<Н0 рез.. Тогда при распространении волны Н11 будет наблюдаться эффект Фарадея.(т.е поворот плоскости поляризации на угор ᴪ) Направление поворота – левое для случая когда постоянное магнитное поле совпадает с направлением распространения волны.
При изменении величины тока в соленоиде будет изменяться Н0, что в свою очередь приведет к изменению угла поворота плоскости поляризации приходящей волны (ᴪ).
Такое устройство наз. Гиратором. Оно применяется в Радиолокационной аппаратуре для электрического управления положением плоскости поляризации излучаемых и применяемых электромагнитных волн.

17 Распространение волны Ню в прямоугольном волноводе с попереч­но намагниченным ферритом. В прямоугольном волноводе обычно используется волна основного типа Н10. Имеющая линейную поляризацию. Существует 2 продольные плоскости параллельные узким стенкам (Х-Х и У-У) где магнитное поле имеет круговую поляризацию. Эти плоскости отстоят от узких стенок на расстоянии а/4.

При распространении волны слева на право в плоскости Х-Х вектор Н совершает вращательные движения против часовой стрелки а в плоскости У-У по часовой стрелке. Этот вывод можно сделать если протягивать силовые линии магнитного поля слева направо через некоторое фиксированное поперечное сечение в волноводе.
Поместим феррит в сечение Х-Х где вектор Н вращается против часовой стрелки (Н-) а на волновод наденем постоянный магнит чем создадим поперечное намагничивание. Будем считать что величина поля намагничивания Н0 выбрано много меньше резонансной. В этом случаи волна в феррите как в диэлектрике с большей чем у воздуха величиной (эпсилент ф и мю) будет претерпевать набег фазы отличной от случая отсутствия феррита в волноводе
Где -фазовая постоянная при отсутствии феррита в волноводе.
благодаря этому свойству прямоугольный волновод с поперечно-намагниченным ферритом может использоваться в качестве фазовращателя. Если вместо постоянного магнита применит электромагнит то изменяя величину тока в его обмотке становится возможной регулировка сдвига фазы электрическим способом (с помощью электрического сигнала)

Если волна будет распространятся в волноводе справа налево в районе феррита будет наблюдаться правое вращение вектора Н (Н+) в результате чего для волны так же обеспечится доп. Сдвиг фаз.

Поскольку волна < волна идущая справо налево будет иметь меньший фазовый сдвиг. чем волна. идущая слева на право. Подбирая величину поля намагничивания и длину феррита можно добиться того что волна идущая слева на право будет иметь сдвиг фазы +45 градусов (360+45=405) а идущая влево -45 градусов (360-45=315)Если напряженность поля намагничивания Н0 выбрать равной Н0 рез. То при распространении волны слева направо наличие феррита в сечении Х-Х незначительно скажется на ее амплитуде. При обратном распространении наблюдается ферритомагнитный резонанс в результате чего происходит сильное поглощение энергии распространяющейся волны. Такое устройство получило название – резонансный вентиль. Оно пропускает СВЧ-энергию в одном направлении и не пропускает в другом. Его удобно использовать в качестве согласующего устройства поглащающего отраженную от нагрузки волну.