Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
PODSTAWOWE WA
AŚCIWOŚCI FERRYTÓW
Ferryty są mieszankami tlenku żelaza Fe2O3 oraz
tlenków takich metali jak: aluminium, kobalt, magnez,
nikiel. Składniki te po zmieszaniu prasuje się,
a następnie wygrzewa się w temperaturze 1000 -
1500°C. Ferryty, bÄ™dÄ…ce materiaÅ‚ami
ferrimagnetycznymi, charakteryzują się dużą
rezystywnością oraz anizotropowością na
częstotliwościach mikrofalowych. W celu uzyskania
magnetycznej anizotropowości ferrytów należy je
umieścić w stałym polu magnetycznym.
1 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
Ferryty sÄ… stosowane do budowy mikrofalowych
elementów nieodwracalnych takich jak: izolatory
(ferrytowe), nieodwracalne przesuwniki fazy,
ograniczniki mocy, cyrkulatory ferrytowe.
Przenikalność magnetyczna ferrytów zależy od kierunku
zewnętrznego pola magnetycznego. Dzięki temu
uzyskuje się przyrządy o właściwościach kierunkowych.
2 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
Ferryty można zaliczyć do półprzewodników gdyż mają
stosunkowo dużą rezystywność (okoÅ‚o 1012 &!Å"cm).
Dzięki tak znacznej rezystywności głębokość wnikania
pola elektromagnetycznego jest duża nawet w pasmie
mikrofalowym. Przy stosowanych w tym pasmie
wymiarach wkładek można przyjąć, że pole
elektromagnetyczne przenika całą objętość wkładki.
WzglÄ™dna staÅ‚a dielektryczna µr ferrytów jest niezależna
od czÄ™stotliwoÅ›ci i siÄ™ga okoÅ‚o 10÷20. Natomiast
wzglÄ™dna przenikalność magnetyczna µr jest zależna od
częstotliwości i w pasmie mikrofalowym mieści się
w przedziale 5÷20.
3 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
EFEKT ROTACJI FARADAY A
W trakcie propagacji spolaryzowanej liniowo fali
elektromagnetycznej przez ferryt umieszczony w stałym
polu magnetycznym, wektor pola magnetycznego
(będącego składową pola elektromagnetycznego) ulega
skręceniu. Zjawisko to nosi nazwę rotacji Faraday a.
Należy podkreślić, że kierunek i zwrot tego skręcenia
względem wektora stałego pola magnetycznego jest taki
sam przy obydwu zwrotach wektora wskazujÄ…cego tor
propagacji sygnału mikrofalowego.
4 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
H0 Pręt ferrytowy H0
Kierunek propagacji fali Kierunek propagacji fali
Rys. 1. Ilustracja efektu rotacji Faraday a.
5 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
IZOLATOR FERRYTOWY OPARTY NA EFEKCIE
ROTACJI FARADAY A
Izolator ferrytowy oparty na zjawisku rotacji Faraday a
zbudowany jest z odcinków falowodu prostokątnego
skrÄ™conych wokół osi podÅ‚użnej o 45° oraz z dwóch
odcinków falowodu kołowego. W jednym z nich
umieszczono płytkę rezystywną (stratną), a w drugim
z nich pręt ferrytowy. Dodatkowo ten drugi odcinek
falowodu kołowego otoczony jest magnesem
wytwarzającym pole magnetyczne, którego linie
przebiegają wzdłuż pręta ferrytowego.
6 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
2
450
Kierunek przepustowy
Pręt ferrytowy
Kierunek zaporowy
1
PÅ‚ytka rezystywna
Rys. 2. Izolator ferrytowy wykorzystujÄ…cy zjawisko
rotacji Faraday a.
7 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
W trakcie propagacji sygnału od wrót 1 do 2 (rys. 2.)
wektor zmiennego pola magnetycznego (a wraz z nim i
wektor zmiennego pola elektrycznego) jest skręcany
przez obrócony odcinek falowodu prostokątnego o kąt
45°. Skutkiem tego, wektor E propagujÄ…c siÄ™
w falowodzie kołowym jest prostopadły do płytki
rezystywnej i dzięki temu nie ulega tłumieniu. W odcinku
falowodu kołowego z prętem ferrytowym wektor E jest
obracany o kÄ…t 45°, ale w stronÄ™ przeciwnÄ… (w kierunku
lewej krawędzi rysunku). W efekcie wektor E fali
docierajÄ…cej do odcinka falowodu prostokÄ…tnego przy
wrotach 2 jest prostopadły do szerszej jego ścianki.
8 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
Dzięki temu może w tym falowodzie wzbudzić się fala
elektromagnetyczna rodzaju podstawowego (TE10 lub
inaczej H10), która będzie propagować się w kierunku
wrót wyjściowych 2. Dlatego kierunek od wrót 1 to wrót
2 nazywany jest kierunkiem przepustowym.
9 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
Sygnał propagujący się od wrót 2 do wrót 1 ulega
w odcinku falowodu kołowego, zawierającego pręt
ferrytowy, skrÄ™ceniu o kÄ…t 45° (również w kierunku lewej
krawędzi rysunku). W tym przypadku jednak, wektor E
docierając do płytki rezystywnej będzie skierowany
równolegle do jej powierzchni, czego następstwem
będzie jego silne tłumienie. Ponadto wektor ten będzie
równoległy do szerszych ścianek falowodu
prostokątnego znajdującego się tuż za falowodem
kołowym.
10 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
To spowoduje, że wektor taki nie będzie mógł w tym
odcinku falowodu wzbudzić fali rodzaju podstawowego.
W związku z tym kierunek od wrót 2 do wrót 1, na
rysunku 2, jest kierunkiem zaporowym.
Przykładowe parametry izolatorów ferrytowych
wykorzystujÄ…cych efekt rotacji Faraday a:
- tłumienie w kierunku przepustowym : < l dB,
- tłumienie w kierunku zaporowym : 20 - 30 dB,
- szerokość pasma pracy: około 30%.
11 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
IZOLATOR FERRYTOWY OPARTY NA ZJAWISKU
PRZESUNI
CIA POLA
W izolatorze ferrytowym wykorzystujÄ…cym zjawisko
przesunięcia pola (rys. 3.) sygnał jest tłumiony wtedy,
gdy pod wpływem ferrytu maksimum rozkładu pola
zostanie przesunięte w miejsce zamocowania płytki
rezystywnej (tłumiącej).
12 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
a)
b) c)
13 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
Rys. 3. Rozkłady natężenia pola elektrycznego fali
rodzaju podstawowego (H10), a) w standardowym
falowodzie prostokÄ…tnym, b) w falowodowym izolatorze
ferrytowym wykorzystującym zjawisko przesunięcia pola
(dla kierunku przepustowego), c) w falowodowym
izolatorze ferrytowym wykorzystujÄ…cym zjawisko
przesunięcia pola (dla kierunku zaporowego).
14 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
Przykładowe parametry izolatorów ferrytowych
wykorzystujących zjawisko przesunięcia pola:
- tłumienie w kierunku przepustowym: < l dB,
- tłumienie w kierunku zaporowym: około 20 dB,
- szerokość pasma pracy: około 15%.
15 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
CYRKULATORY FERRYTOWE
W oparciu o wkładki ferrytowe budowane są również
inne elementy nieodwracalne. Należą do nich
cyrkulatory ferrytowe (rys. 4.).
Zasada działania cyrkulatorów ferrytowych oparta jest
na zjawisku obracania rozkładu pola
elektromagnetycznego w objętości ferrytu. Kierunek
tego obrotu leży w płaszczyz
nie prostopadłej do osi
podłużnej krążków ferrytowych.
16 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
Falowód prostokątny
H0
H0
Krążki
ferrytowe
Pasek środkowy
Krążek ferrytowy
symetrycznej linii
Symetryczna
paskowej
linia paskowa
a) b)
Rys. 4. Budowa cyrkulatora ferrytowego,
a) wersja falowodowa, b) wersja paskowa.
17 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
Po umieszczeniu w rozgałęzieniu Y prowadnic
mikrofalowych krążków ferrytowych i przy
jednoczesnym braku zewnętrznego stałego pola
magnetycznego, oraz po doprowadzeniu sygnału
mikrofalowego do wrót 1 rozkład pola
elektromagnetycznego (a więc zmiennego) w objętości
ferrytu będzie taki jak przedstawiono na rysunku 5.
18 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
Pwy = 0
H0 = 0
~
H
2
~
E
1
Pwe
3
Pwy = 0
Rys. 5. Rozkład składowych E i H pola
elektromagnetycznego w obszarze krążka ferrytowego
znajdujÄ…cego siÄ™ wewnÄ…trz cyrkulatora ferrytowego, przy
braku zewnętrznego stałego pola magnetycznego.
19 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
Występują tam wyraz
ne obszary o dużym natężeniu
składowej elektrycznej (duża liczba wektorów
prostopadłych do płaszczyzny rysunku) i obszary
o bardzo małym natężeniu tej składowej.
W bezpośrednim sąsiedztwie wrót 2 i 3 natężenie
zmiennego pola elektrycznego jest minimalne,
w związku z czym moce sygnałów wyjściowych
cyrkulatora będą w tych warunkach bliskie zeru.
20 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
Spolaryzowanie ferrytu stałym zewnętrznym polem
magnetycznym powoduje, że rozkład pola
elektromagnetycznego zostaje obrócony w płaszczyz
nie
prostopadłej do osi krążka. Skutkiem tego będzie
propagowanie się sygnału wejściowego tylko do tych
wrót, w pobliże których przesunął się obszar dużego
natężenia pola elektrycznego. Jednocześnie, trzecie
wrota cyrkulatora będą izolowane.
21 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
Kierunek obrotu rozkładu pól, a więc i kierunek
przekazywania energii mikrofalowej jest uzależniony od
zwrotu wektora natężenia stałego pola magnetycznego
polaryzujÄ…cego ferryt (rys. 6).
22 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
a) b)
Pwy = Pwe
Pwy = 0
~
H0 `" 0
H
~
H0 `" 0
E
~
2
E
2
~
H
1
1
Pwe
Pwe
3
3
Pwy = 0
Pwy = Pwe
Rys. 6. Rozkład składowych E i H pola elektromagnetycznego w obszarze
krążka ferrytowego w cyrkulatorze ferrytowym, a) polaryzacja stałym polem
magnetycznym zwróconym w kierunku do rysunku, b) polaryzacja stałym
polem magnetycznym zwróconym w kierunku od rysunku.
23 AKR
K
K
i
e
ie
r
u
r
u
n
n
e
e
k
k
p
sy
p
r
s
r
o
y
o
g
p
g
p
n
a
n
a
a
g
a
g
Å‚
a
u
Å‚
a
u
cj
c
j
i
i
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
Analogiczne zjawiska wystÄ…piÄ… w przypadku
doprowadzenia sygnału mikrofalowego do wrót 2 lub 3.
Idealizowana macierz rozproszenia cyrkulatora
ferrytowego z rysunku 6b, na środkowej częstotliwości
pasma pracy, będzie miała postać:
îÅ‚0 0 1Å‚Å‚
ïÅ‚1 0 0śł
SCF = (1)
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł
ðÅ‚0 1 0ûÅ‚
24 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
Z zapisu (1) wynika, że cyrkulator ferrytowy jest
elementem bezstratnym, ale jednocześnie jest
elementem nieodwracalnym, a więc i niesymetrycznym.
Powyżej opisane właściwości obrazuje symbol
cyrkulatora ferrytowego przedstawiony na rysunku 7.
Kierunek propagacji sygnału w cyrkulatorze jest
oznaczany strzałką na jego symbolu oraz na obudowie
elementu rzeczywistego (rys. 7.).
25 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
1 2
1 2
3 3
a) b)
Rys. 7. Symbol cyrkulatora ferrytowego, a) kierunek
propagacji  w prawo , b) kierunek propagacji  w lewo .
26 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
Cyrkulatory ferrytowe sÄ… wykorzystywane jako elementy
ukierunkowujące rozpływ sygnału mikrofalowego. Mogą
funkcjonować na przykład jako  bierne
bezwładnościowe przełączniki nadawanie / odbiór NO.
Przykład takiego zastosowania przedstawiono na
rysunku 8.
27 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
CF
Antena
nadawczo - odbiorcza
Nadajnik Odbiornik
mikrofalowy mikrofalowy
Rys. 8. Wykorzystanie cyrkulatora ferrytowego jako
przełącznika NO w systemie nadawczo  odbiorczym
pracującym ze wspólną, dla obydwu torów, anteną
mikrofalowÄ….
28 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
1 2
Z0
Rys. 9. Przekształcenie cyrkulatora ferrytowego
w izolator ferrytowy.
29 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
Cyrkulator, którego jedne z wrót zamknie się
obciążeniem dopasowanym posiada właściwości takie
jak izolator ferrytowy. W układzie z rysunku 9
transmitancja od wrót 1 do wrót 2 jest równa
1 (w idealnych warunkach), natomiast transmitancja od
wrót 2 do wrót 1 jest równa zero. Dzieje się tak dlatego,
że sygnał doprowadzony do wrót 2 zostaje w całości
skierowany do wrót cyrkulatora, do których podłączono
obciążenie dopasowane (bezodbiciowe) ZO. Obciążenie
to pochłania cały sygnał do niego doprowadzony. Z tego
powodu układ z rysunku 9 może pełnić funkcję izolatora
ferrytowego.
30 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
PRZYKA
ADY PODZESPOA
ÓW FERRRYTOWYCH
Rys. 10. Falowodowe izolatory ferrytowe
wykorzystujące zjawisko przesunięcia pola.
31 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
Rys. 11. Falowodowy izolator ferrytowy wykorzystujÄ…cy
efekt rotacji Faraday a (z zasilaczem cewki
magnesujÄ…cej).
32 AKR
Temat:
MIKROFALOWE ELEMENTY FERRYTOWE.
AKR
Rys. 12. Falowodowy cyrkulator ferrytowy.
33 AKR