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

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

§ 6.2]

ВОЛНОВОД С ПО ПЕРЕЧНО НАМАГНИЧЕННОЙ СРЕДОЙ

293

уравнение

 

 

р ctg xh (tg x0g — ctg x0l) +

1/2 tg x0g ctg x 0l + До +

 

 

 

+ Я(tg x 0g + ctg щі) = 0 .

(6.2.36)

Оно отличается от уравнения (6.2.18) для одной пластины лишь заменой tg х 01 —ctg х 01. Так же как уравнение (6.2.18), оно содержит «невзаимный» член, изменяющий знак при изме­ нении направления распространения или направления намагни­ чения обеих пластин (т. е. при замене их местами). Во втором слу­ чае (п четное) равенство нулю определителя системы для незави­ симых коэффициентов приводит к уравнению, полностью совпа­ дающему с (6.2.18). В этом нет ничего удивительного, так как структура поля в половине волновода с двумя пластинами для полей с четными п совпадает со структурой поля в волноводе с одной пластиной.

Рассмотренная задача о волноводе с двумя симметрично рас­ положенными и противоположно намагниченными пластинами представляет интерес как модель так называемых «дискретных» фазовращателей, используемых в технике сверхвысоких частот

всистемах управления диаграммами направленности антенн

[493].В таких фазовращателях используются образцы с замкнутой магнитной цепью в состояниях остаточного намагничения [481]. Перемагничивание их производится импульсами тока; при этом вследствие невзаимности постоянной распространения фазовый сдвиг изменяется на некоторую (дискретную) величину.

В случае одинаково намагниченных пластин (рис. 6.2.10, б, нижний знак в (6.2.35)) все коэффициенты в выражениях (6.2.33) остаются независимыми и равенство нулю определителя системы для этих коэффициентов приводит к довольно громоздкому урав­ нению. Мы запишем его в частном случае пластин, прилегающих

к узким стенкам волновода (g = 0):

tg 2x0Z[(До + q2) tg2 xh — рг] — 2р0р tg vh = 0.

(6.2.37)

В это уравнение

(как и в уравнение при g =j=0) величины Jcv и

ца входят только

в квадратах. Следовательно, постоянная рас­

пространения в волноводе с двумя симметрично расположенными и одинаково намагниченными пластинами будет взаимна в соот­ ветствии с заключениями, которые были сделаны выше, исходя из анализа в первом приближении, а также из соображений сим­ метрии.

Найдя решения уравнений (6.2.18), (6.2.36) или (6.2.37) сов­ местно с выражениями (6.2.7) и (6.2.13), т. е. зная величины к ѵ, X и х0, можно затем определить из соответствующих систем урав­ нений коэффициенты А, В, С, ... (конечно, с точностью до посто­ янного множителя), т. е. найти структуру поля в волноводе. Не

294 ВОЛНОВОДЫ И РЕЗОНАТОРЫ С ГИРОТРОПНЫМИ СРЕДАМИ [ГЛ. 6

останавливаясь на этих вычислениях, приведем лишь в качестве примера структуры электрического поля в волноводах с одной и с двумя противоположно и одинаково намагниченными пласти­ нами (рис. 6.2.11). Заметим, что структура поля является не­ взаимной даже в тех случаях (пластина в середине волновода, две симметрично расположенные и одинаково намагниченные

Т о

Рис. 6.2.11. Электрическое поле в волноводах с поперечно намагниченными ферритовы­ ми пластинами. Сплошные линии и пунктир — разные направления распространения.

пластины), когда постоянная распространения взаимна. Невза­ имность структуры поля используется для создания ферритовых вентилей «со смещением поля» [477, 11]. В одном из таких вен­ тилей поглощающая пленка помещается в том месте волновода (см. рис. 6 .2 .11), где для одного из направлений распространения электрическое поле мало, а для другого — имеет значительную величину.

§ 6.3, Резонаторы, содержащие гиротропную среду

Перейдем теперь ко второй фундаментальной задаче электро­ динамики полых систем с гиротропными средами — задаче о ко­ лебаниях полого электромагнитного резонатора, заполненного целиком или частично гиротропной средой. Теория таких резо­ наторов является обобщением теории полых резонаторов, за­ полненных однородной изотропной средой (см., например, [29]), которая была развита Кисунько [33] с использованием введенных Френкелем [43] собственных функций полого электромагнитного резонатора.

§ 6.3]

Р Е З О Н А Т О Р Ы , С О Д Е Р Ж А Щ И Е Г И Р О Т Р О П Н У ІО С Р Е Д У

295

Собственные колебания. Рассмотрим замкнутый объем V (рис. 6.3.1), ограниченный металлическими стенками и содержа-

Ч->

щийсреду, тензорные параметры которой р, и е являются функ­ циями координат. Пренебрежем диссипацией энергии в резона-

торе, т. е. будем считать тензоры р и е эр­ митовыми (см. § 5.3), а проводимость стенок резонатора бесконечной, и рассмотрим сво­ бодные колебания, которые будут в этом слу­ чае незатухающими,— собственные колеба­ ния резонатора.

Комплексные амплитуды поля в резона­ торе удовлетворяют уравнениям Максвелла

(5.1.18) и

(5.1.20) при jCT =

0 и граничным

условиям

 

 

е X п0 =

0 и ph • п0 = 0

на S, (6.3.1)

Рис. 6.3.1. Полый резо­

натор, содержащий среду с тензорными парамет­

рами.

где п0 — единичный вектор нормали к поверхности стенок резо­ натора S (см. рис. 6.3.1). Представим векоры е и h в виде

e(r) = gem(r),

h(r) = ^ h m(r),

(6.3.2)

где $ жЖ — комплексные амплитуды, связанные между собой соотношением

Ж = іШ.

(6.3.3)

Подставляя (6.3.2) в уравнения Максвелла и учитывая (6.3.3), получим, что векторы ет (г) и hm (г) удовлетворяют уравнениям

rot hm J

eem, rot em -

(6.3.4)

Граничные условия для них

em X п0 = 0 и |ihm • п0 - 0 на 5

(6.3.5)

непосредственно следуют из (6.3.1). Векторы ет (г) и hm (г) пред­ ставляют собой собственные функции резонатора. В (6.3.4) со заменено на <öm, чтобы подчеркнуть, что речь идет о частотах колебаний, соответствующих собственным функциям ет и hm.

Решения системы (6.3.4) при граничных, условиях (6.3.5) существуют лишь при определенных значениях сот , образующих бесконечное дискретное множество собственных частот резона­ тора. Как правило, каждой паре функций ет и hm соответствует своя собственная частота ют , и индекс т имеет смысл номера типа колебаний. В частных случаях, конечно, может иметь место вырождение — несколько разных типов колебаний могут иметь одинаковые частоты.

296 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 . 6

Исключая ет или hm из (6.3.4), получим, что эти векторы удов­ летворяют (в отличие от случая однородной изотропной среды [29]) различным уравнениям

2

 

rot (p,-1rot em) = - ^ e e m,

(6.3.6)

2

 

rot (e-1 rot hpu) =

(6.3.7)

не совпадающим с уравнением для собственных функций пустого резонатора.

Если е и р, являются симметричными тензорами (в частности, скалярами), компоненты которых при отсутствии диссипации вещественны, то ет и hm удовлетворяют уравнениям с вещест­ венными коэффициентами и могут быть приняты вещественными. Им соответствуют собственные колебания, имеющие характер стоячих волн. Если же — в случае гиротропной среды — тензоры

р, илще имеют'антисимметричные компоненты, мнимые при от­ сутствии диссипации, то собственные функции будут комплекс­ ными. Это означает, что поле собственных колебаний в резонаторе с гиротропной средой не является полем стоячих волн.

Рассмотрим теперь некоторые важные следствия уравнений (6.3.6) и (6.3.7). Умножая скалярно (6.3.6) и (6.3.7), соответствен­

но, на вт и hm, интегрируя по объему резонатора и принимая во внимание граничные условия (6.3.5), получим

 

^

r o t e j x “ 1 r o l e ^ d V

5 roth^e-iroth^K

2

о V

= с2

(6.3.8)

ш,п = с2—

S e

Формулы (6.3.8), выражающие собственные частоты резонатора через интегралы от его собственных функций, могут быть исполь­ зованы при вычислении собственных частот. Приближенные, но, как оказывается, достаточно точные их величины могут быть получены по этим формулам при аппроксимации неизвестных соб­ ственных функций некоторыми разумно выбранными простыми функциями. Хотя собственные функции ет и 1іто комплексны, подынтегральные выражения в (6.3.8) оказываются веществен-

ными в случае эрмитовых тензоров е и (х. Таким образом, собст­ венные частоты резонатора с гиротропной средой в пренебреже­ нии диссипацией в среде (и стенках), как и следовало ожидать, вещественны.

§ 6 .3 ]

Р Е З О Н А Т О Р Ы , С О Д Е Р Ж А Щ И Е Г И Р О Т Р О П Н У Ю С Р Е Д У

297

 

Получим теперь условия ортогональности и нормировки

собственных функций. Запишем уравнение, комплексно-сопря­ женное с (6.3.6), для другого собственного колебания:

rot (р 1 rot вп) =

8 Ѳ-я

(6.3.9)

При этом, не принимая во внимание частотной зависимости ком-

понент е и р, считаем их в обоих случаях одинаковыми. Такое допущение является оправданным, если учесть, что непосредст­ венный интерес представляют вынужденные колебания, проис­ ходящие с частотой CD возбуждающих токов или полей. Рассмот­ рение свободных колебаний имеет смысл построения системы функций, по которым будет проводиться разложение поля вынуж­ денных колебаний. Эти функции можно строить для резонатора,

Ч-*

заполненного гипотетической средой, для которой компоненты е

.++

и (Xпри всех собственных частотах сот , со„, ... имеют одинаковые значения — те же, что и реальная среда при частоте со.

Умножим скалярно уравнение (6.3.6) на е*, а уравнение (6.3.9) — на ето, вычтем полученные выражения и проинтегри-

руем по объему резонатора. Учитывая эрмитовость тензоров р

(тензор р-1 при этом тоже будет эрмитовым) и е и принимая во внимание граничные условия, придем к соотношению

(со2

Шп) ^ е^гетдѴ‘

= 0 .

(6.3.10)

В отсутствие вырождения (com =f=со,,) из (6.3.10) непосредствен­ но следует условие ортогональности электрических собственных функций

jj e^EemdV

(m=f=n).

(6.3.11)

V

 

 

При наличии вырождения из

(6.3.10) еще не следует

(6.3.11).

Но если вырожденные собственные функции окажутся не орто­ гональными, всегда можно (см., например.Ч38])_перейти к их ортогональным линейным комбинациям.

£ Таким же образом, исходя из уравнения (6.3.7), можно пока­ зать, что магнитные собственные функции удовлетворяют усло­ вию ортогональности

jj linphmdF j= 0 (m=f='n). (6.3.12)

V

298 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 . 6

Если т = п, то интегралы в (6.3.11) и (6.3.12), конечно, не обращаются в нуль и их можно приравнять константам норми­ ровки соответствующих функций. Из формул (6.3.8) с учетом

(6.3.4) и эрмитовости тензоров ц и е легко получить, что констан­ ты нормировки электрических и магнитных собственных функций одинаковы. Принимая их равными 1, запишем окончательно условия ортогональности и нормировки в виде

^ e ^ e mdV = ^ h ^ h md7 = А,

(6.3.13)

Здесь дельта-символ Кронекера

Атп

1

при

т = п,

О

при

(6.3.14)

 

m=f=n.

Остановимся теперь кратко на учете диссипации в среде, на­ ходящейся в резонаторе. Для собственных частот в этом случае будут по-прежнему справедливы формулы (6.3.8), при выводе

которых не делалось предположения об эрмитовости тензоров р,

и е. Но собственные функции, если определить их так, как было сделано выше для среды без диссипации, не только изменятся, но и перестанут удовлетворять условию ортогональности (при

выводе которого был учтен эрмитов характер р и е). Однако если диссипация в среде мала, то в первом приближении можно под­

ставить в (6.3.8) собственные функции резонатора со средой, ко-

+-> <->

торая имеет те же эрмитовы компоненты р, и в, но равные нулю антиэрмитовы компоненты. Собственные частоты при этом ока­

жутся комплексными (ют

= Шт + ш т), и в соответствии с об­

щим определением (1.4.33)

может быть введена добротность резо­

натора для 771-го типа колебаний, обусловленная потерями в среде

Вынужденные колебания. Предположим, что возбуждение колебаний в резонаторе производится сторонними, токами, заря­ дами и магнитными моментами в резонаторе и полями на отвер­ стиях в его стенках. Будем считать их заданными величинами. В действительности они, конечно, в свою очередь, зависят от поля в резонаторе. Но задача о возбуждении резонатора задан­ ными источниками может служить первым приближением при рассмотрении вынужденных колебаний.

Пусть возбуждающие токи, заряды, моменты и поля зависят от времени по гармоническому закону с частотой со. Если ампли­

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