TECHNIKA WIELKICH CZĘSTOTLIWOŚCI. Przyrządy ferrytowe. Plan wykładu. Karol Aniserowicz. Magnetyczne właściwości materii

Transkrypt

1 TECHNIKA WIELKICH CZĘSTOTLIWOŚCI Przyrządy ferrytowe Karol Aniserowicz Plan wykładu Wiadomości wstępne magnetyczne właściwości materii Właściwości fizyczne ferrytów PRZYRZĄDY FERRYTO Izolatory ferrytowe Ferrytowe przesuwniki fazy Cyrkulatory Rezonatory ferrytowe Magnetyczne właściwości materii Magnetyczne właściwości materii tłumaczone są na podstawie superpozycji momentów magnetycznych związanych z elementarnymi pętlami zastępczych prądów, wywołanych przez: ruch elektronów na orbitach atomowych, spiny elektronowe (wirowanie elektronów wokół własnej osi), spiny jąder atomów (zwykle pomijane). Dodatek: Magnetyczne właściwości materii Diamagnetyki substancjezłożone z atomów (lub cząsteczek) pozbawionych stałego momentu magnetycznego, µ r <, np. woda, szkło, gazy szlachetne, prawie wszystkie związki organiczne, miedź, cynk, złoto, srebro. Paramagnetyki µ r >, np. tlen, powietrze, sód, potas. Ferromagnetyki µ r >>, np. żelazo, kobalt, nikiel; po przekroczeniu temp. Curie ferromagnetyki stają się paramagnetykami. Antyferromagnetyki np. mangan, chrom; po przekroczeniu temp. Néela antyferromagnetyki stają się paramagnetykami. Ferrimagnetyki głównie ferryty(żelaziny); po przekroczeniu temp. Curie ferrimagnetyki stają się paramagnetykami. e 4

2 Właściwości fizyczne ferrytów Ferryty otrzymuje się przez zmieszanie tlenku żelazowego Fe O z tlenkami metali dwuwartościowych lub trójwartościowych. Mieszaninytesąmieloneiwypalanewtemp C. Uzyskuje się materiały typu ceramicznego o różnych strukturach krystalicznych(granaty, spinele, heksagonalne). Największe zastosowanie ma granat żelazowo-itrowy YIG [ang. yttrium iron garnet]. Właściwości fizyczne ferrytów Duża rezystywność: ρ= Ωm (0 7 0 razy większa od rezystywności żelaza) ferryty to półprzewodniki. Duża głębokość wnikania pola EM (dzięki dużej rezystywności ρ często można pomijać zjawisko naskórkowości): δ w = ρ ωµ Przykład Dlaf= 0 GHz, µ= µ 0, ρ= 0 Ωm otrzymamy: δ w = 9, cm > λ 0 (w powietrzu: λ 0 = cm). Małe straty wiroprądowe (dzięki dużej rezystywności). Względna przenikalność elektryczna: ε r = 0 0.Praktycznie nie zależy ona od częstotliwości. 5 6 Właściwości fizyczne ferrytów Względna przenikalność magnetyczna: µ r < 0. Jest ona funkcją częstotliwości. Pod wpływem zewnętrznego pola magnet. µ r staje się funkcją kierunku ferryt jest wówczas ośrodkiem anizotropowym. Elementarne momenty magnetyczne są w pewnych podobszarach ferrytu domenach zorientowane jednakowo, ale orientacja domen jest przypadkowa. Pod wpływem stałego pola magnetycznego polaryzacja domen magnet. porządkuje się. Powyżej pewnej wartości natężenia pola zewnętrznego zostaje osiągnięty stan nasycenia jednakowej polaryzacji wszystkich domen. W technice mikrofalowej wykorzystuje się elementy ferrytowe spolaryzowane zewnętrznym polem stałym H 0 do stanu nasycenia. Dodatek: Właściwości fizyczne ferrytów Materiały typu ceramicznego o następujących strukturach krystalicznych: spinele o ogólnym wzorze chemicznym MeO Fe O, gdzie Me jon metalu dwuwartościowego, np. kadm Cd +, kobalt Co +, magnez Mg +, nikiel Ni +, cynk Zn +, mangan Mn +, żelazo Fe + ; heksagonalne o ogólnym wzorze chemicznym MeO (Fe O ) 6, gdzie Me + jon metalu dwuwartościowego o wymiarach znacznie większych, niż wymiary jonu żelaza Fe +, np. bar Ba +, stront Sr + ; granaty o ogólnym wzorze chemicznym (X O ) (Fe O ) 5, gdzie X + jon metalu trójwartościowego, np. itr Y +, lantanowce; największe zastosowanie ma granat żelazowo-itrowy YIG [ang. yttrium iron garnet]: (YFeO ) (Fe O ) 5. Dodatek: Zależność przenikalności magnetycznej ferrytów od częstotliwości + + j - dla polaryzacji H zgodnej ze zwrotem precesji naturalnej + = j - dla polaryzacji H przeciwnej do zwrotu precesji naturalnej µ = µ µ µ µ µ dla przykładowego ferrytu Ważna cecha: wrażliwość na wstrząsy i udary mechaniczne. 7 8

3 Rezonans żyromagnetyczny Ferryt jest spolaryzowany zewnętrznym polem stałym H 0 do stanu nasycenia. Ruchy termiczne lub zewnętrzne pole zmienne powodują zaburzenie polaryzacji momentów magnet. Po ustąpieniu zakłócenia powrót do położenia zgodnego ze zwrotem H 0 dokonuje się ruchem precesyjnym zjawisko podobne do efektu żyroskopowego w polu grawitacyjnym (wirujący bąk). Rezonans żyromagnetyczny Zwrot precesji naturalnej jest taki sam dla wszystkich cząsteczek ferrytu. Częstotliwość ruchu precesyjnegojest wprost proporcjonalna do H 0 : ω = γ H gdzie: γ 0 współczynnikżyromagnetyczny ośrodka. 9 Jeżeli w ferrycie rozchodzi się fala, której wektor Hwiruje zgodnie ze zwrotem precesji naturalnej (np. fala płaska o polaryzacji kołowej), to przy pulsacji pola bliskiej lub równej ω 0 następuje rezonans żyromagnetyczny silne zwiększenie amplitudy ruchu precesyjnego. Towarzyszy mu silne pochłanianie energii pola zmiennego i zamiana jej na ciepło w obszarze ferrytu. Jeżeli wektor Hbędzie wirować przeciwnie, to rezonans będzie niemal niezauważalny. Efekt rezonansu można osiągnąć również przy f= const., zmieniając H 0, gdyż ω 0 ~ H 0. 0 Rotacja Faradaya RotacjaFaradaya: skręcenie płaszczyzny polaryzacji, w funkcji drogi przebytej przez falę. Skręcenie płaszczyzny polaryzacji zachodzi w tę samą stronę, niezależnie od kierunku propagacji fali. Dodatek: Rotacja Faradaya różne prędkości propagacji Skoro różnią się przenikalności µ + i µ, to również różnią się współczynniki propagacji: γ = jω εµ = α + jβ γ = jω εµ = α + jβ Michael Faraday (79-867)

4 Izolator ferrytowy - rezonansowy PRZYRZĄDY FERRYTO Dzięki anizotropii ferrytu podmagnesowanego zewnętrznym polem stałym, dla częstotliwości bliskiej lub równej częstotliwości rezonansu żyromagnetycznego, energia fali rozchodzącej się w jednym z kierunków jest silnie pochłaniana i zamieniana na ciepło w płytce ferrytowej. Dla fali rozchodzącej się w kierunku przeciwnym rezonans jest niemal niezauważalny. 4 Izolator ferrytowy z przemieszczeniem pola płytka z materiału stratnego Macierz rozproszenia idealnego izolatora: [ S] 0 = 0 jθ e 0 5 jθ 0 e Macierz rozproszenia idealnego izolatora: [ ] S = 0 0 6

5 Izolator ferrytowy z przemieszczeniem pola Izolator z wykorzystaniem rotacji Faradaya 7 8 Izolator z wykorzystaniem rotacji Faradaya Ferrytowe przesuwniki fazy Reggia-Spencer reciprocal phase shifter Nonreciprocal latching phase shifter 9 0

6 Cyrkulatory ferrytowe [ S] = 0 0 s = s = s = wzmacniacz odbiciowy Zastosowania cyrkulatorów antena nadawczoodbiorcza modulator odbiciowy nadajnik odbiornik filtr cyrkulator jako izolator Cyrkulatory ferrytowe Cyrkulatory ferrytowe Typical technical specifications Frequency range: GHz Insertion Loss between ports: 0.5dB Reverse Isolation between ports: 0dB VSWR at individual ports:.db Average power: 50W Operating Temperature: -0 to +75 C 4

7 Cyrkulatory czterowrotowe Rezonatory ferrimagnetyczne(ferrytowe) 5 Kulka monokryształu granatu żelazowo-itrowego (YIG), o średnicy 0,5...,5 mm umieszczona jest w skrzyżowanych polach magnetycznych: stałym H 0 i zmiennym H. Dobroć: Q 0 = ; Q l = Zalety: przestrajanie elektroniczne przez zmianę H 0 ; szeroki zakres przestrajania f max /f min = 4. 6 Filtry YIG Rezonator ferrimagnetyczny jednoogniwowy (a) i filtr wieloogniwowy (b) R. Czoch, A. Francik, K. Sachse, Mikrofale. Ćwiczenia laboratoryjne, Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 99, rozdz. 8, str