Распространение волн в анизотропных средах

В предыдущих параграфах были рассмотрены свойства плоских волн при распространении в однородной изотропной среде. Наряду с изотропными, имеются так называемые анизотропные среды, т.е. среды, параметры которых (e, m) зависят от направления. Например, ионосфера Земли – часть атмосферы выше 60-70 км – является анизотропной, её диэлектрическая проницаемость зависит от направления распространения в ней волны.

Другой пример – ферритовая среда под действием постоянного магнитного поля представляет собой анизотропную среду по магнитной проницаемости. Ферриты применяются в технике СВЧ.

Ферриты составляют группу ферромагнитных веществ, обладающих очень малой проводимостью s = 10^-7 – 10^-11 См/м, называемых поэтому магнитодиэлектриками (e = 5…20). Магнитную проницаемость феррита принято характеризовать тензором , который равен

, , , (2.28)

где величины и зависят от частоты, величины приложенного к ферриту постоянного магнитного поля и химического состава феррита.

Для ферритовой среды с тензором (2.28) материальное уравнение, связывающее вектор и вектор , определяется формулой вида

.

Последнее уравнение эквивалентно трем скалярным уравнениям

, , .

Из последних равенств следует, что в намагниченном феррите векторы и не параллельны.

Пусть имеется ферритовая среда в постоянном магнитном поле. Распространение волны в произвольном направлении в однородной ферритовой среде можно представить как суперпозицию двух частных случаев: распространение вдоль постоянного магнитного поля и перпендикулярно ему. В практических устройствах используется либо один, либо другой способ намагничивания.

Рассмотрим вначале продольное распространение волн.

В этом случае в феррите без изменения своей структуры могут распространяться только волны круговой поляризации. Другими словами собственными волнами ферритовой среды являются волны круговой поляризации. Собственными волнами называются волны, структура векторов которых не меняется по мере движения волны. Отметим, что в однородной изотропной среде собственными волнами являются волны с любой поляризацией.

Пусть волна круговой поляризации распространяется в направлении вектора постоянного магнитного поля . Обозначим магнитную проницаемость фер­рита для волны правой поляри­зации через , а для волны левой поляризации через . Зависимости этих величин от частоты приведены на рис. 2.3.

Из рис. 2.3. видно: что вели­чина резко возрастает на неко­торой частоте f ₀, которая зависит от величины , а величина прак­тически не меняется и мала; вели­чина при некоторых частотах отрицательна, а величина мало отличается от единицы. Отсюда следует, что:

– скорости распространения волн с правой и левой поляризацией различны;

– волна с левой поляризацией распространяется практически без поглощения;

– волна с правой поляризацией на частоте f ₀ испытывает сильное поглощение. Это явление называется продольным ферромагнитным резонансом;

– структура волны с линейной поляризацией меняется – ее плоскость поляризации по мере распространения поворачивается по часовой стрелке.

Явление вращения плоскости поляризации волн в анизотропных диэ­лектриках и магнетиках называется эффектом Фарадея. Существенно, что на­магниченный феррит является невзаимной средой: направление вращения плос­кости поляризации волны всегда происходить по часовой стрелке вокруг нап­равления вектора (вне зависимости от направления распространения волны).

В направлении, перпендикулярном направлению , в феррите могут распространяться так называемые обыкновенная и необыкновенная волны с разными постоянными распространения. Обыкновенная волна – это поперечная плоская волна, подобная волне свободного пространства. Необыкновенная волна – это непоперечная волна. На определённой частоте необыкновенная волна испытывает резонансное поглощение – явление поперечного ферромагнитного резонанса.

При определённых значениях правополяризованная и необыкновенная волны не могут распространяться в феррите, так как магнитные проницаемости для этих волн принимают отрицательное значение. Если такие волны распространяются в среде с ферритом конечных размеров, то они вытесняются из ферритовой среды и это явление называется эффектом смещения поля.

Перечисленные явления и эффекты используются для создания следующих невзаимных волноводных устройств (см. Приложение С):

– гиратор – невзаимный двухплечий узел, вращающий плоскость поляризации волны типа Н ₁₁ в круглом волноводе. Гиратор может входить в состав других невзаимных волноводных устройств. Принцип его действия основан на эффекте Фарадея;

– вентиль (изолятор) – двухплечий узел с весьма малым затуханием в прямом направлении передачи и большим затуханием в обратном направлением;

– невзаимный фазовращатель – двухплечий узел, который создает разные фазовые сдвиги для волн разных направлений распространения;

– циркулятор – трех- или четырехплечий узел, пропускающий волну между соседними плечами в определенном направлении. В противоположном направлении волна испытывает большое поглощение.

Ферриты начали применяться в сантиметровом диапазоне волн. Для получения соответствующих эффектов в диапазоне миллиметровых волн нужны сильные магнитные поля порядка 10 МА/м, которые невозможно создать внешними магнитами, имеющими приемлемые размеры. В настоящее время получены ферритовые кристаллы с очень сильными эффективными внутренними магнитными полями (естественной анизотропией), которые работают при отсутствии внешних полей или в слабых полях. Это позволило использовать ферритовые устройства в дециметровом диапазоне. Современные ферритовые устройства занимают диапазон от 20 МГц до 150 ГГц.

Раздел 3

Дата добавления: 2014-01-13