Лабораторная работа №15 y-циркулятор

Лабораторная работа № 15

Y-ЦИРКУЛЯТОР

Цель работы – изучение принципа работы Y- циркулятора и измерение его параметров.

Подготовка к работе– занести в рабочую тетрадь название и цель работы, основные положения, формулы и рисунки, необходимые при ответе на контрольные вопросы.

1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Циркулятором называется многополюсник, в котором движение потока энергии между соседними плечами происходит в строго определённом направлении, зависящем от ориентации внешнего магнитного поля намагничивающего феррит. Циркулятор относится к невзаимным ферритовым устройствам.

Невзаимные ферритовые циркуляторы широко используются в современной СВЧ-аппаратуре как универсальная развязка. Они являются важнейшими узлами регенеративных СВЧ-устройств, как квантовые парамагнитные усилители, параметрические усилители, усилители на лавинно-пролётных диодах и т. д. Циркуляторы часто применяются при высоком уровне мощности в качестве развязывающих устройств между генератором и нагрузкой. Эти приборы выполняются на основе восьмиполюсных и шестиполюсных высокочастотных узлов.

Y-циркулятор образуется с помощью трёх соединённых между собой идентичных прямоугольных волноводных, коаксиальных или микрополосковых линий, которые повёрнуты друг относительно друга на 120⁰. В центре сочленения линии передачи расположен ферритовый цилиндр, намагниченный в направлении, перпендикулярном широким стенкам волновода. Циркулятор называют циркулятором Н-типа, если используется волноводное разветвление в Н-плоскости.

Y-циркуляторы весьма широкополосны. Рабочая полоса частот волноводных Y-циркуляторов достигает 30%, а полосковых – октавы (67%).

Циркуляторы легко преобразуются в быстро действующие переключатели каналов, если использовать для подмагничивания феррита электромагнит. Изменение направления подмагничивающего поля изменит на обратную и циркуляцию.

2 ФЕРРОМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

Магнетизм атомов обусловлен двумя причинами: 1) движением электронов по орбитам, что приводит к появлению орбитального магнитного момента и орбитального механического момента импульса; 2) спином, т. е. собственным механическим моментом импульса электрона, и соответственно, спиновым магнитным моментом. Ядерный магнитный момент на три порядка меньше магнитного момента электрона и при рассмотрении магнитных свойств вещества может не учитываться.

Магнетизм ферромагнетиков создан, в основном, спиновыми магнитными моментами. В простейшей модели атом ферромагнитного вещества может быть представлен в виде волчка, обладающего собственным механическим моментом импульса и магнитным моментом . Эти моменты направлены в противоположные стороны и связаны соотношением

, (1)

где - гиромагнитное отношение;

e и m – заряд и масса электрона,

g – численный множитель, принимающий значения:

1 – для орбитального движения свободного электрона,

2 – для спина электрона и близкое к двум для различных веществ, где электроны не свободны.

Если такой волчок поместить в магнитное поле напряжённостью не параллельной , на него будет действовать вращающийся момент (рисунок 1)

, (2)

где .

На рисунке 1 вектор лежит в плоскости XY, вектор (а, следовательно, и ) расположены в направлении оси Z, т. е. перпендикулярно вектору . В силу известного соотношения

(3)

момент импульса получит приращение

, (4) а так как

перпендикулярно

, то возникает прецессия вектора

(соответственно,

), вокруг оси Y, т.е. вокруг вектора

. Угловую скорость процессии

можно вычислить следующим образом: за время

вектор

повернётся на угол

. (5)

По определению угловая скорость и, следовательно,

. (6)
В

ферромагнетике действующее на волчок магнитное поле

определяется не только внешним полем, но и внутренними полями анизотропии и размагничивающими полями (которые зависят от формы ферромагнитного образца) и другими факторами.

Из соотношения (6) видно, что угловая скорость прецессии не зависит от угла , одинакова для всех атомов и определяется только величиной магнитного поля . Конец вектора вращается по часовой стрелке, если смотреть в направлении вектора . Частота при реально достижимых полях лежит в диапазоне сверхвысоких частот. В следствие потерь, в отсутствии других, кроме поля , воздействий угол будет уменьшаться и через некоторое время вектор установится параллельно .

Иначе обстоит дело, когда на ферромагнетик, кроме поля , наложено высокочастотное магнитное поле с частотой близкой к . Пусть высокочастотное магнитное поле перпендикулярно к постоянному полю , поляризовано по кругу и направление вращения вектора совпадает с направлением прецессии вектора (назовём такую поляризацию правой или положительной и, соответственно, обозначим вектор высокочастотного поля ). При совпадении частот = вектор неподвижен относительно и, следовательно, ВЧ поле постоянно стремится изменить угол . Энергия ВЧ поля, непрерывно подводимая к магнетику, рассеивается в виде тепла в кристаллической решетке ферромагнетика. Если вращение ВЧ происходит против часовой стрелки (левая позиция ), вектор вращается с удвоенной частотой относительно вектора , поглощение энергии в ферромагнетике в среднем не происходит.

Явление резонансного поглощения энергии высокочастотного поля в ферромагнитных веществах называется ферромагнитным резонансом.

С
реду с потерями описывают комплексной магнитной проницаемостью . Действительная компонента определяет скорость распространения электромагнитной волны в ферромагнетике, мнимая – магнитные потери. Для волны поляризованной по правому кругу , по левому – . На рисунке 2 приведены графики зависимости компонент , , , от величины постоянного поля при неизменной частоте ВЧ поля.

Для и , наблюдаются резонансные явления – возрастание до максимума при совпадении частоты прецессии и ВЧ поля, резкое изменение вблизи резонансной частоты. Компоненты для левополяризованной волны таких свойств не обнаруживают.

В ферромагнитных металлах на высоких частотах имеют место большие потери на вихревые токи. Поэтому в устройствах, использующих явление ферромагнитного резонанса, применяются ферромагнитные материалы с большим омическим сопротивлением и малыми диэлектрическими потерями – ферриты.

3 ФЕРРИТЫ

Ферриты – химические соединения окиси железа Fe₂O₃ с окисями других металлов. Состав феррита может быть выражен формулой

()_m_/2()_n , (7)

где Me – обозначает любой выбранный металл;

k – валентность металла;

m, n – целые числа.

Укажем некоторые характерные ферриты:

феррошпинели (имеют кристаллическую структуру шпинели ) – k = 2, m = 1, n = 1, Me= Ni, Co, Mn, Mg, Fe, Cu, Zn, Cd;
феррогранаты (кристаллизируются изоморфно с гранатом) – k = 3, m = 6, n = 5, Me = It, Cd, Ln и другие.

Синтез полукристаллических ферритов осуществляется по обычной керамической технологии. Из смеси исходных окислов прессуют изделия нужной конфигурации, которые подвергают затем спеканию при температуре от 900 до 1500⁰С. Температура Кюри для различных ферритов колеблется от десятков до сотен градусов (самая высокая Т_с

700⁰С у никелевых ферритов). От температуры, среды обжига, скорости обжига зависят распределения компонентов по подрешеткам, электрические, магнитные и другие свойства.

Удельное сопротивление ферритов доходит до 10⁷ – 10⁸Ом при довольно высокой диэлектрической проницаемости () и малой величины диэлектрических потерь (). Большинство ферритов являются магнитомягкими материалами.

Магнитные потери в слабых полях, когда феррит не насыщен, связаны главным образом с существованием доменов, в насыщенном феррите магнитные потери определяются шириной резонансной кривой феррита.

Анизотропные свойства ферритов проявляются при наложении постоянного магнитного поля. Передающая линия, содержащая намагниченный феррит обладает несколькими замечательными особенностями, в том числе:

необратимыми или невзаимными (не подчиняющимися принципу взаимности) резонансными потерями;
необратимым фазовым сдвигом;
невзаимным вращением плоскости поляризации волны.

4 ЦИРКУЛЯТОРЫ

иркулятор – согласованный надиссипативный невзаимный многополюсник, в котором передача мощности происходит в одном направлении с входа I на вход II, с входа II на вход III и т. д. Чаще других применяются шестиполюсные и восьмиполюсные (рисунок 3) циркуляторы для одновременного использования общей антенны на приём и на передачу, в параметрических делителях, в схемах сложения мощностей нескольких генераторов и т. д.

Волноводный Y-циркулятор выполняют на основе H-плоскостного Y-тройника, в центре которого помещают поперечно намагниченный ферритовый цилиндр, окруженный диэлектрической втулкой (рисунок 4, а). Диэлектрические штыри обеспечивают широкополосное согласование входов.

Наряду с волноводными широко применяются Y-циркуляторы на полосковых линиях передачи (рисунок 4, б). Принципы действия полосковых и волноводных Y-циркуляторов аналогичны.

Поле подмагничивания создаётся внешними дисковыми магнитами. Принцип действия Y-циркулятора состоит в следующем. Волна, поступающая на вход I циркулятора, разветвляется на две волны, огибающие феррит с разных сторон. Области существования вращающегося вектора для этих волн попадают в ферритовый образец, причём направления вращения вектора относительно направления поля подмагничивания оказываются противоположными. Из-за различия магнитных проницаемостей феррита и волны, огибающей ферритовый образец, имеют различные фазовые скорости и справа и слева от центра феррита. Это определяется встречными вращениями магнитного вектора волны H_I₀ справа и слева от оси передачи. Различные участки фронта волны начинают двигаться с разными фазовыми скоростями (рисунок 5) > .

За счёт этого фронт волны при соответствующем выборе параметров устройства поворачивается на 60⁰. Размеры и параметры ферритовой вставки выбирают таким образом, чтобы эти волны проходили на вход II с одинаковыми фазами, а ко входу III – в противофазе. Таким образом, передача колебаний с входа I происходит только на вход II. Так как Y-циркулятор обладает поворотной симметрией, можно утверждать, что передача со входа II будет происходить на вход III и со входа III – на вход I. Введение в конструкцию Y-циркулятора диэлектрической втулки, окружающей ферритовый образец, способствует повышению температурной стабильности и устойчивости характеристик Y-циркулятора к изменению величины подмагничивающего поля.

Подбирая диаметр ферритового цилиндра и величину намагничивающего поля Н₀, можно обеспечить при суперпозиции поверхностных волн расположение пучности напряжённости электрического поля в центре плеча 2, а узел напряжённости – в центре плеча 3. При этом волна из плеча 1 передаётся в плечо 2 и не поступает в плечо 3. Изменение направления силовых линий постоянного намагничивающего поля приведёт к взаимному перемещению максимума и узла поля, вследствие чего волна из плеча 1 пойдёт в плечо 3.

Теория работы Y-циркулятора строится по методу “сшивания” собственных типов колебаний намагниченного феррита с полями высших типов волн в данной системе.

Обычно в мостовых циркуляторах не вся энергия, поступающая в плечо 1,

направляется в заданное плечо, так как часть энергии ответвляется в другие плечи и теряется в феррите.

По принципу действия циркуляторы делятся на циркуляторы, использующие мостовые устройства и невзаимные фазовращатели, и на циркуляторы, действие которых основано на использовании поворота фронта волны в подмагниченном феррите. В обоих случаях используется величина подмагничивающего поля, обеспечивающая соотношение 0<<.

5 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦИРКУЛЯТОРОВ

Для количественной оценки свойств циркулятора вводятся два параметра: величина развязки между плечами А и величина прямых потерь L.

;

; (8)

;

Из выражения (8) следует, что развязка между плечами 1 и 2 есть А₂₁, а прямые потери L₁₂, развязка между плечами 2 и 3 есть А₃₂, а прямые потери L₂₃, развязка между плечами 3 и 1 есть А₁₃, а прямые потери L₃₁.

Численные значения развязки между плечами и прямых потерь для данной конструкции циркулятора определяются величиной напряжённости магнитного поля и значением частоты ВЧ-генератора. Для Y-циркулятора удаётся получить развязку между плечами на фиксированной частоте до 35дБ и при прямых потерях 0,2дБ. При этом КСВН со стороны входного плеча не превышает 1,05. Эти цифры быстро ухудшаются с изменением частоты питающего генератора, так как нарушается оптимальные соотношения по амплитуде и фазе между электромагнитными полями в плечах циркулятора. Так, при изменении частоты всего на 1% развязка между плечами ухудшается в два раза, а прямые потери возрастают. Одновременно увеличивается и отражения от плеч циркулятора.

Магнитная система циркуляторов выполняется на постоянных магнитах и является компактной и малогабаритной. Иногда используются электромагниты, позволяющие в некоторых пределах регулировать величину и направление постоянного магнитного поля, что даёт возможность несколько расширить технические возможности прибор (полосу пропускания, направление сигнала и т. д.).

6 ИЗУЧАЕМЫЙ Y-ЦИРКУЛЯТОР
В работе изучается Y-циркулятор на коаксиальных линиях (рисунок 6).

Измерение амплитудно-частотных характеристик циркулятора проводится в диапазоне частот прибора Р2-52.

7 УКАЗАНИЕ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ
ВНИМАНИЕ!

При подготовке рабочего места необходимо выполнить правила, изложенные в “Инструкции по технике безопасности для студентов в учебной лаборатории”, предварительно изучив её. Изучить раздел “Указание мер безопасности” в “Техническом описании и инструкции по эксплуатации” (ТО и ИЭ) к каждому прибору, входящему в установку, и руководствоваться ими при работе.

8 ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ
Для подготовки к измерениям необходимо проделать следующее:

ознакомиться с краткими теоритическими сведениями;
ознакомиться с каждым прибором по “Техническому описанию и инструкции по эксплуатации”;
собрать рабочее место согласно рисунку 7;
включить приборы тумблером СЕТЬ и подготовить их к работе в соответствии с их эксплуатационной документацией;
провести калибровку прибора;
выключить генерацию мощности тумблером СВЧ.

9 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Соберите схему для измерения КСВН в соответствии с рисунком 8.
Включите генерацию мощности тумблером СВЧ.
Проведите измерение КСВН со входа 1. Зарисуйте в тетрадь наблюдаемый визуальный отклик сигнала на экране ЭЛТ, отметив особые точки по частоте.
Выключите мощность тумблером СВЧ.

10 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Для экспериментального изучения физического принципа действия Y-циркулятора используется установка, структурная схема калибровки которой приведена на рисунке 7.

На этом рисунке обозначены:

Р1 – индикаторный блок Я2Р-52 панорамного измерителя КСВН и ослаблений;

G1 – генератор качающейся частоты (ГКЧ) панорамного измерителя КСВН и ослаблений Р2-52;

W1, W2 – рефлектометры падающей и отражённой волн из комплекта Р2-52;

XW1 – коаксиальный переход “гнездо-гнездо”;

XW2 – коаксиальная согласованная нагрузка из комплекта Р2-52;

А, Б, В,Г – кабели соединительные из комплекта Р2-52;

Д – кабель высокочастотный из комплекта Р2-52.
На рисунке 8 приведена схема электрическая структурная измерения КСВН Y-циркулятора.

Рисунок 8 – Схема электрическая структурная измерения КСВН Y-циркулятора

На этом рисунке обозначены:

А1 – коаксиальный Y-циркулятор;

Р1 – индикаторный блок Я2Р-52 панорамного измерителя КСВН и ослаблений Р2-52;

G1 – генератор качающейся частоты (ГКЧ) панорамного измерителя КСВН и ослаблений Р2-52;

W1, W2 – рефлектометры падающей и отражённой волн из комплекта Р2-52;

XW1 – коаксиальный переход “гнездо-гнездо”;

XW2, XW3 –коаксиальные согласованные нагрузки из комплекта Р2-52;

А, Б, В, Г – кабели соединительные из комплекта Р2-52;

Д – кабель высокочастотный из комплекта Р2-52.

На рисунке 9 приведена схема электрическая структурная измерения прямых потерь Y-циркулятора.

Рисунок 9 – Схема электрическая структурная измерения прямых потерь Y-циркулятора
На этом рисунке обозначены:

А1 – коаксиальный Y-циркулятор;

Р1 – индикаторный блок Я2Р-52 панорамного измерителя КСВН и ослаблений Р2-52;

G1 – генератор качающейся частоты (ГКЧ) панорамного измерителя КСВН и ослаблений Р2-52;

W1, W2 – рефлектометры падающей и отражённой волн из комплекта Р2-52;

XW1, XW2 –коаксиальные согласованные нагрузки из комплекта Р2-52;

А, Б, В, Г – кабели соединительные из комплекта Р2-52;

Д – кабель высокочастотный из комплекта Р2-52.

На рисунке 10 приведена схема электрическая структурная измерения развязки Y-циркулятора.

Индикатор

ГКЧ

А

АРМ

Выход

АРМ

XW1

W1

W2

XW2

A1

2

1

3

Рисунок 10 – Схема электрическая структурная измерения развязки Y-циркулятора

На этом рисунке обозначены:

А1 – коаксиальный Y-циркулятор;

Р1 – индикаторный блок Я2Р-52 панорамного измерителя КСВН и ослаблений Р2-52;

G1 – генератор качающейся частоты (ГКЧ) панорамного измерителя КСВН и ослаблений Р2-52;

W1, W2 – рефлектометры падающей и отражённой волн из комплекта Р2-52;

XW1, XW2 –коаксиальные согласованные нагрузки из комплекта Р2-52;

А, Б, В, Г – кабели соединительные из комплекта Р2-52;

Д – кабель высокочастотный из комплекта Р2-52.

Проделайте аналогичные измерения КСВН со стороны выходов 2 и 3 циркулятора.
Соберите схему измерения прямых потерь в соответствии с рисуноком 9.
Включите генерацию мощности тумблером СВЧ.
Проведите измерения прямых потерь. Зарисуйте в тетрадь наблюдаемый визуально отклик сигнала на экране ЭЛТ, отметив особые точки по частоте.
Проделайте аналогичные измерения прямых потер со входов 2 и 3.
Выключите мощность тумблером СВЧ.
Соберите схему измерения развязки в соответствии с рисуноком 10.
Включите генерацию мощности тумблером СВЧ.
Проведите измерения развязки. Зарисуйте в тетрадь наблюдаемый визуально отклик сигнала на экране ЭЛТ, отметив особые точки по частоте.
Проделайте аналогичные измерения развязки со входов 2 и 3.
Выключите мощность тумблером СВЧ.
Выключите приборы тумблером СЕТЬ.
Соберите рабочую схему в соответствии с рисунком 7.

11 УКАЗАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ

При оформлении результатов необходимо занести в рабочую тетрадь:

все пункты задания;
функциональную схему лабораторной установки;
результаты работы в виде графиков;
выводы по работе и оценку полученных результатов (письменно).

12 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Что такое ферромагнитный резонанс?
Какое устройство называется Y-циркулятором?
Какими основными свойствами обладают ферритовые циркуляторы?
Объясните зависимость развязок ослаблений между плечами циркулятора от напряжённости магнитного поля Н₀ и частоты СВЧ-колебаний.
Перечислите основные параметры циркулятора.
Поясните принцип действия Y-циркулятора.
Какие ещё существуют типы циркуляторов?
Объясните принцип действия приборов, входящих в установку.

ЛИТЕРАТУРА

Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. /Под редакцией Н.Д. Девяткова. Учеб. Для студентов вузов по спец. «Электронные приборы». – М.: Высшая школа, 1970. – 273с.
Сазонов Д.И., Гриндин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ М.: Высшая школа, 1981. – 285 с.
Микаэлян А.Л. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах. М.: Энергиздат, 1963. – 662с.
Карбовский С.Б., Шахгеданов В.Н. Ферритовые циркуляторы и вентили. Сов. радио, 1970. – 72с.
Общий практикум по физике сверхвысоких частот / Под ред. В.М. Седых. – Харьков.: ХГУ, 1970. – 209с.
Вальднер О.А., Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот. Учебная лаборатория. – М.: Атомиздат,1974. – 232с.
Емелин Б.Ф., Машковцев Б.М. Основы техники СВЧ. – Л.: ВАС, 1975. – 230с.