УДК 621.371; 621.372.832

Об электрическом управлении невзаимностью прохождения микроволн в метаструктурах

 

В. С. Бутылкин, Г. А. Крафтмахер, Ю. Н. Казанцев
Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, Фрязинский филиал

Статья получена 15 декабря 2014 г.

Аннотация. На примере невзаимного протодивайса – простейшего невзаимного устройства, состоящего из нагруженного варактором диполя и расположенного около него феррита – исследована возможность электрического управления невзаимностью распространения микроволн (вплоть до её инверсии). Поскольку в структурах с поперечно намагниченным ферритом эффект невзаимности обусловлен различным поглощением волн, направление вращения магнитного поля которых совпадает с направлением прецессии магнитных моментов в феррите и противоположно ему, рассмотрено поведение микроволнового магнитного поля в окрестности диполя. Показано, что формирующееся вследствие суперпозиции падающей и рассеянной волн магнитное поле оказывается в общем случае эллиптически поляризованным. При перестройке собственной частоты диполя изменяются фазы его тока и рассеянной волны. Вследствие этого может измениться направление вращения микроволнового магнитного поля. Последнее приводит к инверсии невзаимности. В отличие от традиционных методов, переключение невзаимности не нуждается в перемагничивании феррита. Оно достигается изменением постоянного электрического напряжения на варакторе, обеспечивающим переход частоты резонанса диполя через частоту ферромагнитного резонанса. Приведенные результаты экспериментального исследования структуры с нагруженным варактором диполем типа «Butterfly» демонстрируют инверсию невзаимности. Поскольку постоянная времени варакторов на порядки короче времени перемагничивания ферритов, результаты работы могут быть использованы в разработках быстроуправляемых невзаимных устройств для информационных систем, например, скоростных переключателей каналов «приём - передача».

Ключевые слова: микроволны, невзаимность прохождения, переключение, электрическое управление, феррит, варактор.

Abstract. A possibility of electric control of microwaves passage nonreciprocity (up to its inversion) is under investigation on the sample of a nonreciprocal proto-device consisted of a varactor loaded dipole and ferrite piece. Phenomenon of nonreciprocity in structures with transversely magnetized ferrites is caused by different absorption of waves which have the magnetic field sense of rotation coincident with direction of the ferrite magnetic moments precession and opposite it. That is why microwave magnetic field behaviour in the neighborhood of a dipole is regarded. This magnetic field is a result of the incident and scattered waves superposition. It is shown that whole magnetic field is elliptically polarized in common case. During the dipole own frequency re-tuning the phases of its current and scattered wave are changed. Hereupon the magnetic field sense of rotation can change. This change results in the nonreciprocity inversion. In contrast to traditional methods there is no need to re-magnetize ferrite for switching nonreciprocity. One can get re-tuning of the dipole frequency by alteration of a bias voltage applied to varactor. experimental investigation of a structure with varactor-loaded dipole “Butterfly” has demonstrated inversion of microwave nonreciprocity. The proposed metastructures open up wide prospects for applications in the field of information technologies. These metastructures may form the basis for manufacturing fast controlled and switchable nonreciprocal microwave systems.

Key words: microwave, nonrecipocal transmission, switching, electrical control, ferrite, varactor.