ВОЛНОВОДНЫЙ ЦИРКУЛЯТОР НА ЩЕЛЕВЫХ МОСТАХ С ВКЛАДЫШАМИ ИЗ МАГНИТНОГО НАНОКОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ОПАЛОВЫХ МАТРИЦ

Описание полезной модели
Волноводный циркулятор на щелевых мостах с вкладышами из магнитного нанокомпозита на основе опаловых матриц
Полезная модель относится к технике СВЧ которая может быть использована в радиолокационных станциях и предназначена для направленной передачи высокочастотной энергии, от передающей системы к антенне и направленной передачи отраженной энергии в приемную систему. Конкретная полезная модель относится к области создания циркуляторов со вкладышами из магнитных нанокомпозитов на основе опаловых матриц.
Известен волноводный циркулятор ФВЦВ2-97, состоящий из двух щелевых мостов, соединенных между собой двумя отрезками прямоугольных волноводов, в одном из которых находятся два вкладыша с намагниченными ферритами марки 2СЧ1 с противоположными направлениями намагничивания постоянным магнитным полем, в другом волноводе находятся две диэлектрические вставки.
К недостаткам волноводного циркулятора ФВЦВ2-97 на щелевых мостах с вкладышами из феррита марки 2СЧ1 следует отнести недостаточно широкую полосу рабочих частот, значительные прямые потери и коэффициент отражения, недостаточную развязку между плечами при прохождении высокочастотной энергии. Причиной выше названных недостатков волноводного циркулятора ФВЦВ2-97 на щелевых мостах являются два вкладыша с намагниченными ферритами марки 2СЧ1.
Цель изобретения - создание циркулятора обладающего более широкой полосой рабочих частот, меньшими прямыми потерями и коэффициентом отражения, лучшей развязкой между плечами при прохождении высокочастотной энергии.
Для реализации цели необходимо в циркуляторе ФВЦВ2-97 вкладыши из феррита марки 2СЧ1 заменить на вкладыши из магнитного нанокомпозита на основе опаловых матриц. Конструкция циркулятора с вкладышами из магнитного нанокомпозита на основе опаловых матриц показана фиг. 1. Она состоит из двух волноводно-щелевых мостов, между которыми включены магнитные нанокомпозиты (верхний канал) и диэлектрические вставки (нижний канал). Верхний канал с магнитным нанокомпозитом для одного направления распространения электромагнитной волны создает фазовый сдвиг φ+180°, для другого направления - φ. Нижний канал с диэлектрической вставкой для обоих направлений распространения волны создает фазовый сдвиг φ. При делении потока электромагнитной энергии
щелевым мостом происходит сдвиг фаз на 90° - фаза изменяется на 90° при проходе через отверстие щелевого моста. Если волна попадает в плечо 1, то она выйдет через плечо 2, не попав в плечо 4. В плечо 2 приходят два волновых потока половинной энергии, один из которых (прямой) имеет фазовый сдвиг φ, а другой - сдвиг 90°+(180°+φ)+90° (два прохода через отверстие щелевого моста и действие магнитного нанокомпозита). Они интерферируют в фазе и складываются. В то же время в плечо 4 приходят потоки с фазовыми сдвигами φ+90° и 90°+(180°+φ). Они противофазные, уничтожаются при интерференции. По аналогии можно проследить, как из плеча 2 волна пройдет в плечо 3, из 3 - в 4, из 4 - в 1.
Заявляемая полезная модель основана на результатах проведенных экспериментальных и теоретических исследований.
При экспериментальных исследованиях в волноводном циркуляторе на щелевых мостах ФВЦВ2-97 ферритовые вкладыши из магний-марганцевого феррита марки 2СЧ1 заменялся на вкладыши из магнитных нанокомпозитов (фиг. 1).
0,5
0,5
2
4
Вкладыши изготовлены на основе опаловой матрицы, содержащей наночастицы кобальт-цинкового состава CoZnFeO (фиг. 2).
12
в
На фиг. 3 показаны зависимости развязок (элемент матрицы рассеяния |R|) между плечами волноводного циркулятора на щелевых мостах с вкладышами из магнитных нанокомпозитов. Для сравнения на рис. 3 приведена кривая для вкладышей из феррита 2СЧ1. Циркулятор с вкладышами из магнитных нанокомпозитов настраивался на рабочую частоту 16,4 ГГц при напряженности внешнего магнитного поля равного Н=1650Э.
12
11
На фиг. 4 и фиг. 5 приведены зависимости прямых потерь (|R| - элемент матрицы рассеяния) коэффициента отражения (|R|) волноводного циркулятора с вкладышами из магнитных нанокомпозитов от частоты. Для сравнения приведены кривые для вкладышей из феррита 2СЧ1.
Из графиков на фиг. 3-5 видно, что волноводный циркулятор на щелевых мостах с вкладышами из магнитных нанокомпозитов имеет лучшие характеристики, чем с вкладышами из феррита 2СЧ1. Циркулятор имеет более широкую полосу рабочих частот, меньшие прямые потери, лучшую развязку между плечами, меньший коэффициент отражения, а, следовательно, и коэффициент стоячей волны.
c
α
α
0
Теоретические исследования волноводного циркулятора на щелевых мостах с вкладышами из магнитного нанокомпозита проведены проекционным методом [1]. В математической модели «настройка» циркулятора на частоту f=16,4 ГГц осуществляется путем изменения значений компонент тензора магнитной проницаемости магнитного нанокомпозита μ и μ. Между компонентами тензора магнитной проницаемости μ и μ существует зависимость, которую можно получить, используя зависимость намагниченности от постоянного магнитного поля М=f(H) и выражения Полдера [2] для компонент тензора магнитной проницаемости. Однако для магнитных нанокомпозитов такая зависимость отсутствует, т.к. производство нанокомпозитов является экспериментальным.
5
Зависимость диагональной μ и недиагональной  компонент тензора магнитной проницаемости нанокомпозита от напряженности постоянного магнитного поля получена теоретически (фиг. 6) по методике, изложенной в [3]. В расчете принято, что в каждом межсферическом объеме опаловой матрицы содержится 5 частиц феррита с диаметром d=29 нм, Частицы имеют среднюю намагниченность 4πΜ=7500 Γс, диэлектрическую проницаемость  и коэффициент затухания в магнитной системе α=0,04.
В математической модели «настройка» на частоту 16,4 ГГц происходит при значениях
в
в
На фиг. 7 показаны теоретические и экспериментальные зависимости развязки между плечами от частоты. Наблюдается совпадение результатов. Используя выражения Полдера [2] для компонент тензора магнитной проницаемости определяем намагниченность и внешнее постоянное магнитное поле, которое составляет Н=1600Э, что согласуется с экспериментом (Н=1650Э).
Из графиков на фиг. 3, 4, 5, 7 видно, что волноводный циркулятор на щелевых мостах с вкладышами из магнитных нанокомпозитов имеет лучшие характеристики, чем с циркулятор ФВЦВ2-97 с вкладышами из феррита марки 2СЧ1 - это более широкая полоса рабочих частот, меньшие прямые потери, лучшая развязка между плечами, меньший коэффициент отражения.
Литература
1. Технические условия на приборы ФВЦВ2-97. Лист утверждения КЖГП. 468540.030 ТУ - ЛУ.
2. Никольский, В.В. Проекционные методы в электродинамике / В.В. Никольский // Сборник научно-методических статей по прикладной электродинамике. - М.: Высшая школа, 1977. - С. 4-23.
3. Гуревич, А.Г. Ферриты на сверхвысоких частотах / А.Г. Гуревич. - М.: Гос. изд. физ.-мат. литер. 1960. - 407 с.
4. Голованов О.А. Электродинамическая модель и методика расчета тензора эффективной магнитной проницаемости магнитных 3D-нанокомпозитов из опаловых матриц в микроволновом диапазоне / О.А. Голованов, Г.С. Макеева, А.А. Ефимов, М.А. Чиркина // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2012. - №2. - С.17-22.