Материал: Гуревич, А. Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

§ 0.2І В О Л Н О В О Д С П О П Е Р Е Ч Н О Н А М А Г Н И Ч Е Н Н О Й С Р Е Д О Й 283

метры остального волновода ( x < ^ g w g - \ - h < ^ x < ^ a ) будем счи­ тать скалярными. Составляющие поля и другие величины, отно­ сящиеся к изотропной среде, будем писать с индексами 0, а ве­ личины для гиротропной среды (будем называть ее для простоты ферритом) — без дополнительных индексов.

Ограничимся рассмотрением полей с dldz = 0, комплексные амплитуды их будем записывать в виде (6.2.2), опуская, как и

раньше, индексы ѵ у

составляю­

 

 

 

 

щих

этих

амплитуд.

Электриче­

 

 

 

 

ское поле в феррите удовлетворяет

 

 

 

 

уравнению

(6.2.6),

а

величина

 

 

 

 

х, входящая в это уравнение, оп­

 

 

 

 

ределяется

выражением

(6.2.7).

 

 

 

 

В дальнейшем индексы х

у

вели-

 

 

 

 

чин

хх и х0к мы будем опускать.

 

 

 

 

Электрическое поле

в изотропной

 

 

 

 

среде удовлетворяет уравнению

 

 

 

 

 

йЧ

к 0е0г =

0,

(6.2.12)

 

Рис. 6.2.3. Прямоугольный волновод с

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

поперечно

намагниченной

ферритовой

Хо =

/собоРо — k l.

(6.2.13)

 

 

пластиной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

связаны c ez COOTHO-

 

 

 

 

 

 

 

 

соотношениями

 

 

и

 

У

 

ІІОу —

 

deOZ

(6.2.14)

 

 

п°х -

 

17 е°2’

к ро

dx

 

 

 

 

 

 

 

eoz =

О

 

 

 

при

X = 0 и

X = a,

(6.2:15)

 

= е, и

h

 

hu

при

 

t

 

 

 

 

x = g + h.

(6.2.16)

 

SQZ — &

-оу

 

 

Электрические поля, удовлетворяющие уравнениям (6.2.6) и (6.2.12) и граничным условиям (6.2.15), можно записать следую­ щим образом:

при

0 <

X <

g

eoz = А sin х„х,

 

при

g O

< g + Ä

еъ= Сsin X (а; — g) +

Z>cosx(a; — g),

при

g -+fr <

ж <

а

eoz = В sin x„(a — x).

(6.2.17)

Четыре условия непрерывности касательных составляющих поля (6.2.16) с учетом (6.2.5) дадут систему линейных однородных урав­ нений для коэффициентов А, В, С и D. Приравнивая нулю опре­ делитель этой системы, получим уравнение

Р Ctg xfr (tgX o g + tg X0Z) - ~ ~ tg Xog tg ЩІ + Po+

+;?;(tg x0g — tg x0Z) = 0, (6,2.18)

284 В О Л Н О В О Д Ы

II Р Е З О Н А Т О Р Ы С Г И Р О Т Р О Й Н Ы М И с р е д а м и [Г Л . G

где

Ма

 

 

(6.2.19)

 

 

a I = а — g — h

(рис. 6.2.3).

 

Из уравнения (6.2.18) совместно с (6.2.7) и (6.2.13) могут быть определены постоянная распространения ку и величины и и и0, характеризующие распределение поля в поперечном сечении. Уравнение (6.2.18) имеет бесконечное множество корней, соот­ ветствующих различным типам полей в рассматриваемом волно­ воде. Эти типы полей можно обозначать ТЕ„0, где п — номер корня уравнения (6.2.18). При толщине пластины h-*- 0 они переходят в обычные поля ТЕ„0 в волноводе с однородной изо­ тропной средой. Те из полей, для которых (при вещественных

параметрах среды) окажется /сц )> 0, будут иметь характер рас­ пространяющихся волн, а остальные — ближних полей с экспо­ ненциально убывающей амплитудой. Предельные длины волн, размеры или значения параметров, при которых происходит переход распространяющейся волны в ближнее поле, могут быть определены с помощью уравнения, которое получится из (6.2.18), если положить в нем ки = 0. Интересно отметить, что в этом случае величина p,Qвойдет в уравнение только в квадрате, т. е. предельные величины не зависят от направления постоянного намагничения.

В общем же случае уравнение (6.2.18) содержит последний член, в который р,д, а также кѵ входят в первой степени. Следова­ тельно, корни этого уравнения, т. е. постоянные распространения волн или коэффициенты ослабления ближних полей, будут раз­ личными для разных направлений намагничения и разных на­ правлений распространения. При одновременном изменении обо­ их направлений корни уравнения (6.2.18) останутся прежними. Как видно из уравнения (6.2.18), замена g l, т. е. перенос пластины к другой стенке волновода приводит к такому же изме­

нению корней уравнения, как и изменение знака

или ку.

Последний член уравнения (6.2.18) обращается в нуль и, сле­

довательно, величина постоянной распространения

не зависит

от знака ра или ку при g = I, т. е. при симметричном располо­ жении пластины в волноводе.

Зависимость | ку | от направления распространения, направ­ ления намагничения или положения пластины в волноводе пред­ ставляет собой принципиально новый невзаимный эффект, ко­ торый связан с граничными условиями и не имеет аналога в не­ ограниченной поперечно намагниченной среде. Этот эффект находит очень широкое применение в технике сверхвысоких частот. Зависимость вещественной части постоянной распростра­

нения ку вдали от ферромагнитного резонанса от направления

§ 6.2]

В О Л Н О В О Д С П О П Е Р Е Ч Н О Н А М А Г Н И Ч Е Н Н О Й С Р Е Д О Й

285

 

 

распространения используется для создания невзаимных фазо­

вращателей, а невзаимность мнимой части ку в области резонанса— для создания резонансных вентилей [11].

Случай тонкой пластины. Большой принципиальный и прак­ тический интерес, который представляет рассматриваемая задача, делает целесообразным более подробный анализ решений урав­ нения (6.2.18). Остановимся сначала на предельном случае малой толщины пластины.

Уравнение (6.2.18) можно привести к виду

 

 

sin х0 (а -

h) +

h-x±ii0

 

= 0,

(6.2.20)

где

 

 

 

 

 

 

F (К) = у

(PS + Р2+ ?2)cos

(а — ft) +

 

 

 

+ Т (/'о "" Р2 ~

cos К°( S ~ l) + РоЧsiu к0 (g — I).

(6.2.21)

В нулевом

приближении (ft

0)

 

 

 

 

К ) о = у

(в = 1,

2 , 3 , . . . ) .

(6.2.22)

При этом

первый член

(6.2.20) стремится к

0, а множитель

Р (ку)/к0 остается конечным. Поэтому,

решая

уравнение

(6.2.20)

в первом приближении, можно для этого множителя принять

нулевое приближение F {ку0)І(к0)0, где, согласно

(6.2.13),

куо = V /сд&оЦо — (^о)о •

(6.2.23)

Первый член (6.2.20) может быть в первом приближении записан в виде

sin к0 (а — ft) — ?ія — (к0)г (а — h).

Здесь (н0)1 — значение к0 в первом приближении, которое, со­ гласно (6.2.13), имеет вид

(ко)і —(^о)о 1

*'ио

(6.2.24)

(«О)

 

 

где Дку — ку — ку0. Итак, уравнение (6.2.20) в первом прибли жении сводится к следующему:

шх - («„К ( а - h) +

F[(kvQ)= 0.

(6.2.25)

Интересуясь основной волной ТЕ10) примем п *= 1. Тогда с уче­ том (6.2.22), (6.2.23) и (6.2.24) получим из (6.2.25) формулу для приращения постоянной распространения при введении в

286 В О Л Н О В О Д Ы

И Р Е З О Н А Т О Р Ы

С Г И Р О Т Р О П Н Ы М И

С Р Е Д А М И [ Г Л . :

волновод тонкой

ферритовой

пластины

 

 

V±VoF (куо) + —

(6.2.26)

Вычисляя величину F (кѵ0) согласно (6.2.21), придем к оконча­ тельному выражению

Аку

—

Гл2 / Pj_

I j c o s ^ g ' + Zco'ioeo -e.i- -

1

.

О♦'I'

I

ак,1/0

81ПТ

г +

 

 

+ *So(l -

ill

Pa

2 ^ g

. (6.2.27)

 

 

SLir ^ g - ^ k y ^ s m

Выражение (6.2.27), полученное в первом приближении из стро­

гого уравнения (6.2.18), в

точности совпадает с

 

выражением,

ІН0

 

которое может быть найдено

 

[452] методом возмущений с

'

 

использованием

 

формулы

р

 

(5.3.38) при квазистатической

 

 

аппроксимации

 

внутреннего

Ѵ /.' /Л

 

поля. Однако метод возмуще­

 

 

ний

может

быть применен и

|іТ|

 

для

пластины,

высота кото­

 

 

рой меньше высоты волново­

 

 

да, и для других конфигура­

 

 

ций гиротропных образцов в

 

 

волноводе

(рис.

6.2.4), для

 

 

которых строгое

решение не

Рнс. 6.2.4. Поперечно намагниченные

пласти­

может быть проведено.

ны в прямоугольном волноводе, используемые

Воспользуемся теперь фор­

в ферритовых устройствах диапазона СВЧ.

 

 

мулой (6.2.27)

для вычисле­

 

 

ния так называемой невзаиль-

ной разности постоянных распространения

 

 

 

8ку —•ку;.

ку.

 

 

 

(6.2.28)

где ки+ и ку_ соответствуют разным направлениям распростра­ нения или разным направлениям постоянного намагничения или положениям пластины у противоположных стенок волновода. Как следует из (6.2.27),

 

2я

„

(6.2.29)

8ку — 2л- а2[і

2я

5т~ Г ^

 

Зависимости Ьку от g, вычисленные по формуле (6.2.29), показаны (пунктиром) на рис. 6.2.5. Как и следовало ожидать, бку — 0 при g = a/2, что при h 0 соответствует симметричному распо­ ложению пластины в волноводе.

В качестве второго примера использования формулы (6.2.27) определим зависимость Ак у = кѵ — кѵ0 от \ха при g = a/4. Тогда

Рио. 6.2.5. Зависимость невзаимной разности фазовых постоянных от толщины и положе­ ния поперечно намагниченной пластины в пря­ моугольном волноводе (см. рис. 6.2.3). Пупктир— расчет по формуле (6.2.29). Сплошные линии— точный расчет [460]. Цнфры-у нривых— значения/і/а; е = 9; р = 0,9; р = 0,5
Ä.0= 1,39 а.
Skyd

§ 6.2] В О Л Н О В О Д С П О П Е Р Е Ч Н О Н А М А Г Н И Ч Е Н Н О Й С Р Е Д О Й 287

из (6.2.27), как нетрудно убедиться, следует

Д/с,; ------- ~ ( ^ 0

"I" ^ іИ 'а А - ъ Ѵ ^ а ) ,

(6.2.30)

где А 0, А г и А г зависят

от

д,

д0, е, е0 и а. Зависимость

Д/е^ от

д„ показана (пунктиром

иа

рис. 6.2.6. Эта зависимость представ­

ляет интерес для области малых постоянных полей, где (при до­ статочно высоких частотах) д мало зависит от поля (см. рис. 3.1.4). При этом дп в первом приб­ лижении пропорционально намагниченности М 0 и, сле­ довательно, зависимость Дк ѵ от М 0 носит такой же харак­ тер, как и зависимость, пока­ занная на рис. 6.2.6.

В качестве критерия спра­ ведливости формулы (6.2.27) можно принять выражение (5.3.53),из которого для обыч­ ных ферритов вдали от фер­ ромагнитного резонанса сле­ дует условие

— ^ 0,04.

Это условие обычно не выпол­ няется в применяемых на практике ферритовых устрой­ ствах. Поэтому рассмотрен­ ное первое приближение, пра­ вильно отражая некоторые тенденции (например, отме­ ченные в приведенных выше примерах), не может быть ис­ пользовано для расчетов.

Пластина произвольной толщины. При произвольных значе­ ниях толщины пластины уравнение (6.2.18) может быть решено лишь численными методами. Рассмотрим в качестве примера неко­ торые результаты таких расчетов [454, 460], проведенных с по­ мощью электронной вычислительной машины.

Вдали от области ферромагнитного резонанса, когда мнимые

части д" и д(І, так же как и е", малы по сравнению с веществен­ ными (не превышают —0,1), расчет вещественной части постоян­ ной распространения /с,', можно вести, пренебрегая этими мнимыми частями. На рис. 6.2.5, 6.2.6 и 6.2.7 приведены результаты таких расчетов. Как видно из рис. 6.2.5, при малой толщине пластины

Источник: https://tut-files.ru/previewfile/155615