微波技术——第九章

1、第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计铁氧体元件的特点：各向异性铁氧体：铁氧体是一种黑褐色的陶瓷，由铁的氧化物和其他各种元素构成，是一种亚铁复合磁性材料，是一种磁各向异性（张量磁导率）材料。利用铁氧体可以构成各种各向异性的微波元件。铁氧体元件：利用微波信号在通过铁氧体时的传播特性在不同方向上不同，可以构成方向性元件，如隔离器、环行器等。利用调整偏置磁场强度控制铁氧体与外加微波信号的相互作用的效应，构成铁氧体移相器、转换开关，可调谐振器和滤波器等元件第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计9.1亚铁磁性材料的基本性质9.1.1磁导率张量电子自旋磁偶极矩：轨道矩：与自旋矩

2、相比通常很小，由朗德因子度量。通常材料的磁矩特性：宏观无磁性。宏观无磁性。电子的自旋角动量：旋磁比：方向：与磁偶极矩相反常数！自旋磁偶极矩和自旋角动量的矢量关系：第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计存在偏置磁场时的情况：存在转矩：转矩是角动量的时间导数：写成标量等式：进动频率mz为常数进动方程第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计进动角（磁偶极矩与外磁场夹角）：磁偶极矩的轨迹与其在垂直平面内投影的轨迹圆。单位体积内的磁化强度磁化强度满足方程：饱和磁化强度（是材料的物理特性）铁氧体通常工作在饱和状态下居里温度第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计微波磁

3、场与磁饱和材料的相互作用外加磁场：频域小信号近似情况下第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计引入张量磁化率引入张量磁导率其他偏置方向：第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计9.1.2圆极化场右旋：因此，右圆极化波的磁化强度为：因此：磁化强度也是右圆极化的，与磁场强度矢量同向右旋圆极化波的有效磁导率为：标量第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计当：第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计对左旋圆极化所以RHCP引起的强迫进动与偏置进动相同，LHCP相反第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计9.1.3损耗效应旋磁共振：当频率等于进

4、动频率时，磁化率或磁导率的张量元为无限大。考虑损耗阻尼因子1第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计9.2铁氧体中平面波的传播9.2.1偏置场方向的传播（法拉第旋磁效应）考虑沿+z传播的均匀平面波：第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计非零解行列式0RHCPLHCP类似：对于线极化波：第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计此式说明，仍是线极化波，极化角为：第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计9.2.2垂直于偏置场的波的传播若偏置场为x方向，传播方向为z方向当Ex=0时有解对应于寻常波，波在不同的传播方向上传播常数相同，不受偏置磁场影响。第

5、第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计当Ey0时有另一解可能为负场结构：因此第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计9.3铁氧体加载波导中的简化分析正负圆极化波 概念正负圆极化波与左右旋圆极化波的区别矩形波导中正负圆极化位置的判断1、矩形波导中TE10模场第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计2、圆极化位置：要找出圆极化波的位置，必须使两分量Hx和Hz满足大小相等、相位差为90。和空间相互垂直的条件。令两分量的大小相等。即满足 ：此时有Hx/Hz= j，即，两分量大小相等的位置就是相位差为90。 的位置，也就是圆极化的位置。由 解出：x2ax1 3、正、负

6、圆极化位置的判断：决定于恒定磁场H0的方向和电磁波的传播方向以及取x1还是x2位置。 aaxg2arctan1第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计二、圆极化波作用下铁氧体的重要特性 当铁氧体在恒定磁场和正、负圆极化波作用下，铁氧体的磁导率为标量，分别用+和表示若考虑损耗，则 。如下图，下图中标出了各种铁氧体元件的工作区。 第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计三、微波铁氧体元件 微波铁氧体元件种类很多，按磁化方式来分有横向磁化元件和纵向磁化元件；按元件的功能来分

7、有隔离器、环行器和移相器等。隔离器技术指标及性能要求：对隔离器的要求是正向衰减LA要小，通常要求LA 20dB；隔离比要大，即反向衰减与正向衰减之比愈大愈好，驻波比愈小愈好；工作频带要宽。隔离器实物1、2第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计隔离器分类：隔离器种类很多，主要包括场移式隔离器和谐振式隔离器等。理想隔离器的S参数：不满足一元性和对称性A、波导场移式隔离器 结构：如下图工作原理：利用放在矩形波导中圆极化波位置，并受横向磁化的铁氧体片，使场结构发生位移。 0100S第第

8、9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计B、波导谐振式隔离器结构：工作原理：第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计C、谐振式隔离器与场移式隔离器区别吸收电磁能量的物质不同吸收电磁波的种类不同所需的外加磁场的大小不同第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计铁氧体环行器铁氧体环行器 环行器是一种具有非互易特性的分支传输系统, 常用的铁氧体环行器是Y形结环行器。结构：如下图所示, 它是由三个互成120的角对称分布的分支线构成。第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计工作原理：当外加磁场为零时, 铁氧体没

9、有被磁化, 因此各个方向上的磁性是相同的。当信号从分支线“”输入时, 由于分支“、 ”条件相同, 信号是等分输出的。若铁氧体尺寸合适，外加磁场H0(低磁场)也选取合适时,就构成了一个环行器。一个理想的(即无耗、各端口同时匹配、非互易性)Y型结环行器应具有下面性质：当从端口输入功率时，端口有输出，而端口无输出；当从端口输入功率时，端口有输出，而端口无输出：当从端口输入功率时端口有输出而端口无输出。若外加恒定磁场的方向与原来相反则功率输出的流动方向也与原来的方向相反。低外加磁场时，环行方向与外加磁场方向成左螺旋关系。第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计S参数：对应不同环行方向利用环

10、行器可以制成前面讨论的单向器, 只要在Y形结环行器的端口“”接上匹配吸收负载, 端口“”作为输入, 端口“”作为输出, 如图 所示。 这样，信号从端口“”输入时, 端口“”有输出, 当从端口的反射信号经环行器到达端口“”被吸收, 这样“”“”是导通的, 而“”“”是不通的, 它实现了正向传输导通、 反向传输隔离的单向器的功能。第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计实物实物第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计复习提纲第二章1、掌握微波频率范围及特点2、掌握传输线上的电压、电流的特点，电压、电流的入射波与反射波的关系。了解传输线方程解的形式。3、传输线的特性参量传播常

11、数：了解其定义，即无耗传输线传播常数的特性。特性阻抗：掌握其定义。输入阻抗：掌握定义即计算公式，计算方法。反射系数、驻波比和回波损耗：掌握定义，以及它们之间的相互转换以及与输入阻抗之间的相互转换。4、阻抗圆图：掌握阻抗、导纳圆图的特点和标注。5、掌握特殊负载情况下传输线的工作状态（如：输入阻抗、电压（流）波腹（节）点位置等，可以结合圆图理解）6、掌握1/4波长阻抗变换器的设计方法。第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计第三章 1、几种传输线的主模第四章1、了解各网络参量的网络方程各网络参量的定义和物理含义（包括Z、Y、A、S）。2、掌握二端口微波网络参量的性质（可逆、对称、无耗）

12、3、掌握基本电路单元的参量矩阵的计算方法4、掌握参考面移动对二端口S网络参量的影响5、掌握网络级联对二端口A网络参量的影响6、掌握二端口网络的等效电路7、掌握信号流图分析网络的方法（S）第五章1、集总参数元件匹配的圆图计算2、串联单短截线匹配网络设计（圆图）3、并联单短截线匹配网络设计（圆图）第第9章章 铁氧体元件理论与设计铁氧体元件理论与设计4、四分之一波长阻抗变换器的频率特性和展宽带宽的方法5、小反射理论证明第六章1、串联/并联谐振回路的谐振频率，Q值和有耗谐振器的无耗谐振器建模2、传输线谐振器的谐振频率3，临界耦合的概念第七章1、三端口网络的性质证明2、定向耦合器的参数定义3、Wilkinson功率分配器的