Элементы радиотехнических устройств на основе ферритов

Свойства ферритов

Ферритовые приборы применяются на СВЧ как развязывающие устройства (вентили и циркуляторы), а так же в качестве перестраивающихся фильтров. Их характеристики и параметры всецело определяются свойствами ферритов, представляющих собой смеси окислов Fe и других металлов, например Mn, Co, Ni, Zn, Cd, Mg. Ферриты имеют вид керамики, с трудом поддаются механической обработке, обладают большими удельным сопротивлением (свыше 10⁶ Ом×см) и относительной диэлектрической проницаемостью (e_r=5…20). Потери ферритов малы (tgd=10^-3…10^-4), поэтому в отсутствии подмагничивания они практически «радиопрозрачны» для колебаний СВЧ.

Ферриты могут иметь монокристаллическую или поликристаллическую структуру. Монокристаллы ферритов представляют собой правильные многогранники с упорядоченным строением кристаллической решетки во всем объеме, поликристаллический феррит состоит из большого числа сросшихся, хаотически расположенных мелких кристаллов.

Образец феррита имеет малые области, называемые доменами, каждый из которых намагничен до насыщения. Векторы напряженности доменов в обычных условиях ориентированы беспорядочно, поэтому образец в целом может быть не намагниченным. Тепловое движение нарушает ориентацию магнитных моментов электронов. Поэтому с ростом температуры намагниченность доменов уменьшается и при температуре Кюри t_c=100…600° С она исчезает в следствии полной дезориентации магнитных моментов.

Если феррит поместить в постоянное внешнее подмагничивающее поле напряжённостью Н₀, то магнитные моменты электронов будут стремиться ориентироваться по внешнему полю. При этом ось вращения электронов будет описывать поверхность конуса, то есть совершать прецессию рис. 2.1. При смещении направления поля изменяется и направление прецессии.

рис. 2.1. Прецессия магнитного момента в постоянном магнитном поле

Если в этих условиях на электроны воздействует ещё и переменное магнитное поле, вектор Н, которого вращается по часовой стрелке (если смотреть вдоль Н₀), и частота внешнего поля совпадает с частотой прецессии

ω₀=γ₀∙Η₀,

где γ₀≈0,22 МГц∙рад∙м∙А^-1-гиромагнитная постоянная, Η₀ – в А/м, наступает ферромагнитный резонанс, проявляющийся в резком увеличении потерь в поликристаллической структуре феррита. В монокристаллах потери при резонансе невелики. Это явление позволяет рассматривать отдельные электроны, их совокупность в домене, а также ферритовый образец в целом как колебательные системы с малой или большой собственной добротностью. При увеличении напряжённости поля Η₀ до 10000А/м и более частота f₀=0,35Η₀ соответствует диапазону СВЧ. Если поле Η вращается против часовой стрелки, то ферромагнитный резонанс отсутствует и волна, соответствующая такому полю, проходит через феррит практически без потерь. Свойства намагниченной ферритовой среды, различные для СВЧ полей с противоположным направлением вращения вектора Н_~, учитывают, вводя два значения магнитной проницаемости: μ₊ для волн с правым (по часовой стрелке) вращением вектора Н_~ и μ_- для волн с левым вращением Н_~. Различное значение μ₊и μ_- приводит к различию коэффициентов фазы β₊=ω√εμ₊ и β_-=ω√εμ_- и, следовательно, фазовых скоростей волн с Н_~ правого и левого вращения.

При учёте потерь в феррите его магнитная проницаемость оказывается комплексной μ_±=μ_±´+jμ_±´´, где мнимая часть μ_±´´характеризует потери электромагнитной энергии поля СВЧ. Обычно рассматривают зависимости μ´и μ´´не от частоты, а от величины и направления намагничивающего поля Н₀, изменение которых позволяет регулировать параметры ферриты.

Зависимость μ´и μ´´от величины подмагничивающего поля (при постоянной частоте СВЧ поля) показаны на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Зависимость составляющих μ´и μ´´от величины подмагничивающего поля

Как видно из рис.2.2, при магнитном поле соответствующем ферромагнитному резонансу, имеется максимум мнимой составляющей магнитной проницаемости феррита для волн с круговой поляризацией правого вращения, что соответствует максимуму активных потерь. При отходе от резонанса потери резко уменьшаются. Для волны с левым вращением потери не имеют максимума и оказываются на несколько порядков меньше, чем для волны с правым вращением.

Это явление можно объяснить следующим образом. В случае правой поляризации при ω=ω₀ частота вращения вектора переменного поля относительно вектора намагниченности М (рис.2.1) равна

ω ₊=ω₀-ω=0.

Физически это означает, что частота вынужденных колебаний совпадает с собственной частотой системы – прецессирующих электронов. Внешнее воздействие в данном случае осуществляется все время в такт с собственными колебаниями, за счёт чего в системе возникает резонанс. Энергия высокочастотного поля расходуется на увеличение угла прецессии ψ (рис 2.1). Так как нарастание вынужденной прецессии ограничено магнитным трением, то энергия, непрерывно подводимая от высокочастотного магнитного поля, рассеивается в кристаллической решётке феррита.

Для левополяризованных колебаний при ω=ω₀ частота вращения вектора переменного поля относительно вектора намагниченности равна ω=2ω₀, следовательно никаких резонансных явлений не будет. Поглощения энергии в феррите не происходит, так как механический момент, действующий на электроны, не остаётся постоянным, а изменяется с удвоенной частотой сигнала.

Таким образом, при ω=ω₀ волна с правым вращением вектора магнитного поля значительно ослабляется по мере движения вдоль намагниченного феррита, в то время как волна с левым вращением проходит почти без ослабления. Явление поглощения волны правой круговой поляризации в намагниченном феррите при ω=ω₀ называется ферромагнитным резонансом и используется наряду с другими необратимыми явлениями в волноводных устройствах.

Ферритовые вентили