Transcript BVMT_ferity - hofyland.cz v2.0

Nereciproční
mikrovlnné feritové
obvody
1
Z makroskopického hlediska jsou elektrické a magnetické
vlastnosti prostředí popsány tzv. rovnicemi prostředí.


B  μH
D  εE
Zde  = 0 · r
 = 0 · r





i  σE
je permitivita prostředí,
je permeabilita prostředí a
je specifická vodivost prostředí.
Vektor elektrické polarizace P udává, o kolik je elektrická
indukce v daném prostředí větší než ve vakuu při téže intenzitě
elektrického pole







P  D  ε0  E  ε  E  ε0  E  ε0   εr  1  E  ε0  κ e  E
kde elektrická susceptibilita daného materiálu je
κ e  εr  1
2
Podobný význam má vektor magnetické polarizace J







J  B  μ0  H  μ  H  μ0  H  μ0   μr  1  H  μ0  κ m  H
kde magnetická susceptibilita prostředí je
κ m  μr 1
Často užívanou veličinou je vektor magnetizace M, který
udává, oč větší intenzitu magnetického pole musíme vytvořit
ve vakuu než v daném prostředí, abychom dosáhli stejné
magnetické indukce


J

B
M 
 HM  M  κ m  H
μ0
μ0



3
Podle toho, jaký charakter mají parametry , , příp.  daného
prostředí, můžeme všechna hmotná prostředí rozdělit na:
 homogenní
   (x, y, z) , příp.    (x, y, z)
nehomogenní    (x, y, z) , příp.    (x, y, z)
 lineární
   (E) , příp.    (H) nebo    (E)
nelineární    (E) , příp.    (H) nebo    (E)
 nedisperzní    ( f ) , příp.    ( f ) nebo    ( f )
disperzní
   ( f ) , příp.    ( f ) nebo    ( f )
 izotropní
 ,  ,  jsou skalární veličiny
anizotropní  ,  ,  jsou tenzorové veličiny
4
Anizotropní
prostředí
má v různých
vlastIzotropní prostředí
má vlastnosti
stejnésměrech
ve všechrůzné
směrech,
tj.
nosti
na směru
stejnézávisející
pro všechny
směryšíření
šířeníelmag.
elmag.vlny.
vlny.
i II E
D II E
B II H
Parametry , , příp.  daného prostředí mají tenzorový charakter a lze je zapsat ve tvaru matic

ε 
ε11
ε12
ε13
ε21 ε22
ε23
ε31 ε32
ε33
tenzor permitivity 

μ 
μ11
μ12
μ13
μ21
μ22
μ23
μ31
μ32
μ33
tenzor permeability 
tenzor vodivosti 
tenzor elektrické susceptibility e
tenzor magnetické susceptibility m
5
Obecné anizotropní prostředí, kde všechny veličiny , , a  by
byly tenzory, neexistuje. V praxi se využívají prostředí, jejichž
alespoň jeden parametr má skalární charakter. Protože anizotropnost těchto prostředí je vyvolána precesním pohybem jeho
elementárních částic, označují se jako prostředí gyrotropní.
Je-li v daném prostředí  tenzorem, avšak  je skalár, jde o tzv.
gyromagnetické anizotropní prostředí, v němž B II H, avšak
D II E. Příkladem je ss. předmagnetovaný ferit.
Je-li naopak , příp. též  tenzor a  skalár, mluvíme o gyroelektrickém anizotropním prostředí, kde B II H, ale D II E.
Příkladem takového prostředí je plazma nebo ionosféra v
magnetickém poli Země.
6
Ferity a jejich vlastnosti ve vnějším
magnetickém poli
Ferity jsou sloučeniny kysličníku železa s kysličníky některých
jiných kovů. Jejich obecný vzorec je MO· Fe2O3 , kde M je
dvojmocný iont kovu (Mn, Ni, Co, Mg, Cu, Zn). Ve vf. a
mikrovlnné technice se nejčastěji používají magneticky měkké
ferity krystalující v kubické mřížce typu minerálu spinelu
MgO· Al2O3 a nazývají se proto kubické ferity nebo ferospinely. V mikrovlnné technice jsou velmi časté ferity
vzácných zemin, krystalující v mřížce typu granátu. Z těchto
tzv. ferogranátů se nejčastěji používá YIG (ytrium iron garnet)
s chemickým vzorcem 3Y2O3· 5Fe2O3 . Ferity se používají ve
formě monokrystalů nebo polykrystalů.
7
Mechanickými vlastnostmi se polykrystalické ferity podobají
keramice. Ferity mají vysokou permitivitu (r = 10 ÷ 20) a
magnetickými vlastnostmi se v zásadě neliší od feromagnetických kovů. Jejich počáteční permeabilita je asi 100 ÷ 2000.
Ferity však mají vysoký specifický odpor 104 ÷ 106 Ωm, což
je hodnota 1011 až 1013-krát vyšší než specifický odpor např.
oceli.
Na
nízkých kmitočtech
ferit izotropním
materiálem.
Gyromagnetické
vlastnostije feritu
se plně projeví
až po Jeho
jeho
ztráty
závisejí nado ploše
hysterezníkdykřivky
a vzniknout
rostou s
předmagnetování
stavu nasycení,
nemůže
kmitočtem.
Signály osmyčka.
vysokých
jsou proto
feritu
ani malá hysterezní
V kmitočtech
oblasti nasycení
je feritvepro
vf.
bez
vnějšího
magnetického
poleanizotropním
silně tlumeny vlivem
hystesignály
prakticky
bezeztrátovým
prostředím:
reze
(na tomto
se konstruují
bezodrazové
hysterezní
ztrátyprincipu
zde nejsou
možné a vferitové
důsledku
vysokého
zátěže).
specifického odporu nevznikají ani vířivé proudy.
8
Hmotnými nositeli elektrických a
magnetických vlastností prostředí jsou pohybující se nabité elementární částice.
Magnetický moment m mate- I
riálu (např. feritu) a jeho moment
hybnosti K jsou dány součty
těchto veličin všech elementárních částic v daném objemu. 
Konstanta
γ 
m
–
v


m = γK
e
 1,76  1011 C/kg
me
je tzv. gyromagnetický poměr feritového materiálu.
9
Působí-li na proudovou smyčku s magnetickým momentem m
konstantní nebo pomalu proměnné magnetické pole B, vzniká
moment sil



 
 
d
K
L 
 m  B  μ0  m  H
dt

Uvážíme-li, že vektor magnetizace prostředí M je vlastně magnetický moment m připadající na jednotku objemu materiálu,
lze psát




dM  μ γ  M
H
0
dt

To je základní pohybová rovnice magnetizace prostředí.
10
Vlastní kmity magnetizace
Řešení pohybové rovnice magnetizace za předpokladu, že na
ferit působí vnější konstantní magnetické pole H = H0 = H0·z
tak velké, že ferit je tímto polem magnetován do stavu nasycení. Hledaný vektor magnetizace má obecně složky do všech tří
směrů




M  M x  x  M y  y  Mz  z
Řešením pohybové rovnice vyjde
Mx  C  cos ω0t
My  C  sin ω0t
kde tzv. Larmorův kmitočet
Mz  konst.
ω0  μ0  γ  H 0
11
Koncový bod celého vektoru magnetizace M vykonává tzv. precesní
pohyb kolem osy z, tj. kolem směru
vnějšího magnetického pole H0 .
Kruhový kmitočet tohoto pohybu 0
se nazývá Larmorův kmitočet a
pohyb vektoru M se nazývá Larmorova precese. Rychlost precese,
tedy velikost kmitočtu 0 je přitom
přímo úměrná vnějšímu ss. poli H0 .
H
0
M┴
MZ
M
Při běžných hodnotách intenzity magnetického pole H0 = 104 ÷ 106 A/m je velikost Larmorova kmitočtu 0 přibližně 109 ÷ 1011 rad/s.
Proto se feritovými obvody zabývá právě
mikrovlnná technika.
12
Ve skutečných feritech na nabité
elementární částice působí brzdné
síly (např. Coulombovy síly sousedních částic), takže precesní pohyb
je tlumený. Brzdicí síly se z makroskopického hlediska jeví jako magnetické ztráty. Pro t   je tedy
M = Mz = konst. Za dostatečně
dlouhou dobu vymizí precese magnetizace a zůstává jen podélná složka magnetizace Mz rovnoběžná s
vnějším polem H0 .
H
0
MZ
M
13
Vynucené kmity magnetizace
feromagnetická rezonance
Řešení pohybové rovnice magnetizace za předpokladu, že na
ferit působí kromě časově stálé složky H0 = H0·z magnetického pole rovněž střídavá vf. složka intenzity magnetického pole
s amplitudou I h I podstatně menší než velikost ss. pole H0

H 

H0

 h e
jωt






 H 0  z  hx  x  hy  y  hz  z  e jωt
Řešení pohybové rovnice magnetizace hledáme ve tvaru součtu časově stálé složky M0 a střídavé harmonické složky m

M 

M0







 m  e jωt  M0  z  mx  x  my  y  mz  z  e jωt
14
Řešením pohybové rovnice jsou vynucené kmity magnetizace
 
κm  h

m 
kdy díky gyrotropním vlastnostem vykazuje ferit různou permeabilitu vůči jednotlivým složkám vf. intenzity magnetického pole.
Pro tenzor permeability feritu lze odvodit






μ
μ  μ0  μr  μ0  κ m  1   j  μa
0

 
  0  1  2m 02
 0  



μa  μ0 
ωm ω
ω 02  ω 2
j  μa
0
μ
0
0
μ0
ω0 = μ0   H0
ωm = μ0   M 0
15
Tenzor  se nazývá Polderův tenzor permeability. Tenzor je
nesymetrický, a proto většina jevů ve zmagnetovaných feritech
je nereciproční, tzn. závislá na směru šíření elmag. vlny.
Složky  a a tenzoru
permeability mají rezonanční charakter, takže
při  = 0 dochází k tzv.
feromagnetické rezonanci. Při tomto kmitočtu je energie procházející elmag. vlny feritem
intenzivně (rezonančně)
pohlcována.
16
Faradayův jev
Jevy vznikající ve feritech se různí podle toho, zda je ferit
je
nejdůležitějším
jevem vznikajícím
při polem
průchodu
podélně
vnějším
stejnosměrným
magnetickým
H0 vlny
magnetován
magnetovaným
feritem. Šíří-li sevlny
ve směru
stejnosměrného
ve směru šíření elektromagnetické
(tedy podélně)
nebo ve
směru
příčném.
vnějšího
pole H0 feritem elektromagnetická vlna s libovolnou
(nejčastěji lineární) polarizací, rozloží se ve feritu na dvě
obecně elipticky polarizované vlny rotující v opačných smyslech. Pro tyto vlny se tenzor permeability  diagonalizuje, tedy
permeabilita feritu je pro tyto vlny skalární veličina, avšak
různá pro pravotočivou (+) a levotočivou (–) vlnu
μ  μ  μa
μ  μ  μa
Pravotočivá a levotočivá vlna se proto šíří rovněž různými
fázovými rychlostmi
1
vf  
ε   μ  μa 
17
Vlivem různých rychlostí šíření se pravotočivá a levotočivá vlna
vzájemně posouvají, takže výsledná rovina polarizace po jejich
složení na výstupu feritu je vůči původní rovině polarizace na
počátku feritového prostředí natočena o určitý úhel (úhel
Faradayovy rotace). Velikost tohoto úhlu závisí na délce
feritového prostředí, na velikosti stejnosměrného magnetického
pole H0 a na kmitočtu vlny .
Faradayův jev je nereciproční, tzn. že úhel natočení roviny
polarizace nezávisí na tom, zda se vlna šíří ve směru nebo proti
směru magnetického pole H0 (při neměnné poloze pozorovatele).
Na principu Faradayova jevu je konstruována řada mikrovlnných přístrojů, jako např. izolátor, cirkulátor, gyrátor apod.
18
Kmitočtová závislost efektivní permeability feritu pro
pravotočivou vlnu
+
+
oblast vysokých kmitočtů
(slabých polí)
Faradayova rotace
ω
μ  μ  μaωm0
μ  μ0  μ0 
ω
1 ω
–
–
0
a pro levotočivou vlnu

0
ωm
μ  μμω
μ  μ0  μ0  a 0ω
1  ω0
+
Při  = 0 dochází pro
pravotočivou vlnu k feromagnetické rezonanci, tj. k jejímu intenzivnímu pohlcování ve
feritu. Levotočivá vlna rezonanci nepodléhá.
19
Dvojlom a příčná feromagnetická rezonance
vzniká, je-li ferit magnetován vnějším magnetickým polem
příčně na směr šíření elmag. vlny. Rovinná vlna se opět
rozloží na dvě vlny (tzv. řádnou a mimořádnou) s různými
fázovými rychlostmi. Na velikosti pole H0 však závisí pouze
rychlost mimořádné vlny, zatímco rychlost řádné vlny zůstává
stejná jako v izotropním prostředí. Řádná vlna není gyromagnetickými vlastnostmi feritu ovlivněna. Při určité velikosti
magnetického pole vzniká intenzivní pohlcování energie mimořádné vlny ve feritu a vzniká tzv. příčná feromagnetická
rezonance
ω  ω0  1 
M
ωm
 ω0  1  0
ω0
H0
20
Mikrovlnné obvody s ferity
Mikrovlnné feritové obvody lze dělit podle různých hledisek,
např. na obvody lineární a nelineární, reciproční a nereciproční
apod. Využití nelineárních vlastností feritů umožnilo zkonstruovat feritové zesilovače, násobiče kmitočtu a omezovače.
Rozsáhlé uplatnění nalezly však zejména nereciproční
vlastnosti feritů. Nejdůležitějšími a v mikrovlnné technice
nejčastěji používanými lineárními nerecipročními feritovými
obvody jsou feritové izolátory a cirkulátory.
3
1
2
1
2
21
Izolátor na principu
FaFeritové izolátory
radayova jevu se skládá
ze dvou izolátor
úseků obdélníkoFeritový
je nereciproční dvojbran, v němž se může
vých vlnovodů
pootočených
signál
bez útlumu
šířit pouze jedním směrem. Ideální izolátor
vzájemně o úhel
45°.přímou
Kaž- vlnu a zcela pohlcuje vlnu zpětnou.
nezeslabuje
vůbec
dý z nich obsahuje absorpV
izolátorech
jsou ovšem tyto vlastnosti splněny jen
čníreálných
odporovou
destičku.
přibližně.
Mezi oběma úseky obdélní-
kových vlnovodů
úsekk izolaci mikrovlnného generátoru od
Feritové
izolátory je
slouží
kruhového
vlnovodu s axiášpatně
přizpůsobené
zátěže. Tato hlavní funkce se odráží i v
lní tyčinkou
jejich
názvu.podélně
Izolátormagchrání generátor před vlivem zpětné
netovaného feritu.
(odražené) vlny na výkonovou a kmitočtovou stabilitu generoRovina
polarizace
vlnyvýrazně
šířící
se zeslaboval
ve1 směru
2
1odporovou
se natočí
Elmag. vlna
vidu TEzpětné
do brány
není vstupní
vaného
signálu,
aniž
by
přímou
vlnu.
10 vstupující
stejným
dalších
45°, elektrického
takže
energiepole
zpětné
vlny
jemezi
nyní
destičkousměrem
tlumena,olze
neboť
je na
odporovou
Pomocí
izolátoru
též vektor
odstranit
mnohonásobné
odrazy
pohlcována
vstupní
odporovou
destičkou
(vektor elektrického
vrstvu v rovině
kolmý.
Po
průchodu
feritempole
se
generátorem
aH zátěží
a tím
zlepšitzmagnetovaným
přesnost
mikrovlnných
je
rovnoběžný
s rovinou
destičky).
toho projde
takto polarizovaná
rovina
polarizace
vlny natočí
o 45°,Kromě
takže vlna
bez útlumu i
měření.
vlna nemůže vybudit vstupní obdélníkový vlnovod.
přes odporovou destičku na výstup izolátoru 2.
22
Rezonanční izolátor vy-
užívá ve své činnosti příčně
magnetovanou destičku feritu ve vlnovodu.
Pro dominantní vid TE10 v obdélníkovém vlnovodu existují
místa, v nichž je magnetické
pole kruhově polarizované – levotočivě pro
přímou vlnu a pravotočivě pro zpětnou vlnu.
Polohu těchto míst x1 lze určit ze vztahu
Nevýhody:
λg
x1
x1
sin


cos
 Úzké pracovní akmitočtové
apásmo (účinné
2a
pohlcování zpětné vlny vzniká jen v okolí
rezonančního
kmitočtu)
Přiferomagnetického
 = 0 dochází pro
zpětnou (pravotočivou)
vlnu
k feromagnetické
rezonanci a vlna
inten Nízká
výkonová zatížitelnost
(celýjevýkon
zivně
ve feritu
Přímáve(levotočivá)
zpětné
vlny jepohlcována.
pohlcován přímo
feritovém
vlna
rezonanci nepodléhá a prochází izolátorem „bez útlumu“.
materiálu)
z
23
Izolátor na principu deformace pole má v obdélníkového vl-
novodu vhodně umístěnu jednu
nebo více příčně magnetovaných feritových destiček s nanesenou odporovou absorpční
vrstvou.
V
důsledku anizotropních vlastVýhody:
ností feritu se elmag. pole vidu
 Poměrně
široké pracovní kmiTE
10 deformuje tak, že intenzita E
točtové
(dostatečná
přímé
vlnypásmo
vykazuje
v místě deabformace
pole se
udržuje zatímv posorpční
destičky
minimum,
pásmu)
co měrně
zpětnáširokém
vlna zde
dosahuje své
maximální
Přímá
vlna je
 Relativněintenzity.
vysoká
výkonová
tlumena
málo, (výkon
energie
zpětné
zatížitelnost
zpětné
vlvlny
pohlcuje vv odporové
ny se
je pohlcován
odporové
vrstvě.
absorpční vrstvě)
S
S
FERIT
J
FERIT
J
ODPOROVÁ
HMOTA
ODPOROVÁ
HMOTA
MAGNET
MAGNET
H0
H0
přímá vlna
zpětná vlna
24
Pracovní oblasti feritových izolátorů
+
+
Faradayův izolátor
–
–
rezonanční
izolátor

0
izolátor s
deformací pole
+
25
Vzhled a konstrukční provedení
feritových izolátorů
26
Feritové cirkulátory
4
3
Tříramenný cirkulátor je mikrovlnný obvod
pracující takto: 1  2
2  3
3  1
V ideálním cirkulátoru se vlna přenáší výČtyřramenný
cirkulátorrameny
lze sestavit
ze
hradně mezi sousedními
ve směru
dvou
cirkulátorů:
šipky;tříramenných
opačný přenos
není možný. V reálném cirkulátoru
4 necirkuluje vlna mezi sou1
sedními branami zcela bez útlumu
a malá
část energie postupuje i
v opačném směru
(proti1 směru šipky).
3
2
2
3
1
2
4
1
3
27
Tříramenný hvězdicový cirkulátor (tzv. cirkulátor Y) je nejrozšířenější konstrukcí. Je tvořen
hvězdicovým trojbranem (vlnovodovým, koaxiálním či mikropáskovým), v jehož ose symetrie je příčně magnetovaný feritový válec
(tyčinka, disk). Vstupuje-li do
brány 1 elektromagnetická vlna,
vzniknou jejím působením ve
feritovém válci stojaté vlny. Vzorek
feritu se chová jako „dutinový“
rezonátor válcového tvaru.
H0
3
1
FERIT
2
28
Bez vnějšího magnetického pole
(H0 = 0) se pole v tomto feritovém
rezonátoru rozloží souměrně vůči budicímu ramenu 1, takže vstupní vlna
se rovnoměrně rozdělí mezi výstupní
brány 2 a 3 a obě je (stejně) vybudí.
Vlivem stejnosměrného magnetického pole (H0 ≠ 0) se elmag. pole
stojatých vln ve feritovém válci natočí
tak, že v místě brány 3 vznikne minimum stojatých vln, tedy nulová intenzita pole; u brány 2 je přitom pole
nenulové, i když ne maximální. Téměř celá energie vlny z ramene 1
tedy přejde do ramene 2, zatímco
rameno 3 zůstává prakticky nevybuzeno (je izolováno).
1
H0 = 0
3
2
1
3
H0 ≠ 0
2
29
Vzhled a konstrukční provedení
feritových cirkulátorů
30
Použití feritových cirkulátorů
Reflexní zesilovače
U0
PVST

FC   
PVÝST
Gunnova dioda
v držáku
pracují na principu zesílení odražené
vlny po odrazu od impedance se zápornou reálnou částí (např. Gunnovy
či lavinové diody) Zd = –Rd + j·Xd .
G
Pvýst
Pvst
2
Zd  Z0
 R0  Rd 2  X d2
 ρ 

Zd  Z0
 R0  Rd 2  X d2
2
  > 1  G > 1
Feritový cirkulátor zde oděluje vlnu přímou od vlny odražené.
31
Duplexní obvody pro oddělení
vysílaného a přijímaného signálu z
jedné společné antény.
V
P
bezodrazová
zátěž
PP2
f2
f2
f3
f1
PP1
PP3
f1
f3
Filtrační obvody k vytvoření
filtračních soustav k oddělení jednotlivých spektrálních složek mikrovlnného signálu.
f1 , f2 , f3
32
Izocirkulátory jako náhrada skuteč3
ZO
ných izolátorů.
Tyto izolátory mohou být značně výko1 se nepohlcuje
nové, neboť zpětná vlna
ve feritu ani v odporových deskách
uvnitř izolátoru, ale ve vnější 2přizpůsobené zátěži, která může být dostatečně výkonově dimenzovaná a může
vznikající teplo dobře rozptýlit.
výstup
(mikropásek)
ZO
3
2
1
1
1
2
vstup
konektor
SMA
ferit permanentní magnety přizpůsobená zátěž
33