微波技术与天线 刘学观 第5.4节

5.4微波铁氧体器件

许多情况下，我们需要具有非互易性的器件。例如，在微波系统中，负载的变化对微波信号源的频率和功率输出会产生不良影响，使振荡器性能不稳定。为了解决这样的问题，最好在负载和信号源之间接入一个具有不可逆传输特性的器件。这种器件具有单向通行、反向隔离的功能，称为隔离器(isolators)。另一类非互易器件是环行器(circulators)，它具有单向循环流通功能。

在非互易器件中，非互易材料是必不可少的，微波技术中应用很广泛的非互易材料是铁氧体。铁氧体是一种黑褐色的陶瓷，最初由于其中含有铁的氧化物而得名。实际上随着材料研究的进步，后来发展的某些铁氧体并不一定含有铁元素。目前常用的有镍-锌、镍-镁、锰-镁铁氧体和钇铁石榴石（YIG）等。

特性：微波铁氧体(ferrite)的电阻率很高，比铁的电阻率大1012~1016倍，当微波频率的电磁波通过铁氧体时，导电损耗是很小的。铁氧体的相对介电常数为10-20，更重要的是，它是一种非线性各向异性磁性物质，它的磁导率随外加磁场而变，即具有非线性；再加上恒定磁场以后，它在各方向上对微波磁场的磁导率是不同的，就是说各向异性的。由于这种各向异性，当电磁波从不同的方向通过磁化铁氧体时，便呈现一种非互易性(nonreciprocalproperties)

。利用这种效应，便可以做成各种非互易微波铁氧体元件。最常用的有隔离器和环行器。1.隔离器(isolators)

隔离器也叫反向器，它的基本特性是电磁波正向通过时几乎无衰减，反向通过时衰减很大。常用的隔离器有谐振式和场移式两种。

(1)谐振式隔离器

(a)正圆波和负圆波

设微波铁氧体材料的外加磁场Hi的方向为y方向，如果一个电磁波的磁场有幅度相等、相位相差90º且方向相互垂直的两个分量Hx和Hz构成，如果Hx和Hz的方向与外加磁场Hi的方向成右手螺旋关系，则称为正圆（极化）波，否则称为负圆（极化）波。外加磁场Hi正圆波和负圆波具有不同的导磁率，它们分别为+和–

(b)

圆极化磁场的铁磁谐振效应

铁磁谐振效应是指当磁场的工作频率等于铁氧体的谐振角频率0时，铁氧体对微波能量的吸收达到最大值；

对于矩形波导TE10模而言，沿+z方向传输的电磁波其磁场只有x分量和z分量，它们的表达式为：

显然，Hx和Hz存在90的相差。

(c)矩形波导中的正圆波和负圆波对圆极化磁场来说负圆波、正圆波具有不同的磁导率，从而两者也有不同的吸收特性，对正圆波磁导率为+，它具有铁磁谐振效应，对负圆波磁导率为–，它不存在铁磁谐振特性。在矩形波导宽边中心处，磁场只有Hx分量，线极化；也就是

对沿+z方向传输的TE10模来说，在x=x1处，|Hx|=|Hz|且Hx超前Hz相位90。也就是说，在x=x1处沿+z方向传输的是负圆波而沿–z方向传输的是正圆波。在其它位置上，若|Hx||Hz|，则合成磁场矢量是椭圆极化的，并以宽边中心为对称轴，波导两边为极化性质相反的两个磁场；当在某个位置上有|Hx|=|Hz|，此时合成磁场是圆极化的，即(d)谐振式隔离器的工作原理在波导的位置x=x1处放置铁氧体片,并加上y方向的恒定磁场，恒定磁场Hi的大小与传输波的工作频率满足：其中，0为铁氧体片的铁磁谐振频率，=2.8103/4Hz/A/m为电子旋磁比。因此，在x=x1处放置铁氧体片，对沿–z方向传输的正圆波因满足圆极化磁场的铁磁谐振条件而被强烈吸收，而对沿+z方向传输的负圆波几乎无衰减通过。若在波导的对称位置x=x2=a–x1处放置铁氧体，则对沿+z方向传输的波因满足圆极化磁场的铁磁谐振条件而会被强烈吸收，对–z方向传输的波会几乎无衰减地通过。

(2)场移式隔离器

负的磁导率意味着电磁波将被排斥在铁氧体所在空间之外传播沿+z方向传输的电场在衰减片的一侧被衰减

在x=x1处放置铁氧体，并在铁氧体片侧面加上衰减片。沿–z方向传输的是正圆波，其+<0沿+z方向传输的是负圆波，其–>1，铁氧体呈普通的顺磁特性；从而实现了–z方向单向传输的功能

场移式隔离器是利用铁氧体对两个方向传输的波型产生的场移作用不同而制成的。

一个理想的环行器是一种所有端口均匹配的无耗三端口器件。即它必须具备以下的条件：输入端口完全匹配，无反射；输入端口到输出端口全通，无损耗；

输入端口与隔离器间无传输。式中，为附加相移。

2.铁氧体环行器(ferritecirculators)

应用其散射矩阵的幺正性可以证明，这种器件必须是非互易的。于是环行器的散射参数：

常用环行器是Y形结环行器，在中央圆盘的周边以互成120的角连接三个导体形成环行器的三个端口，结构如图(a)所示。

当信号从①输入时，就会在铁氧体结上激发如图(b)的磁场结构，由于分支②③条件相同，信号是等分输出的；当外加磁场为零时，铁氧体没有被磁化，因此各个方向上的磁性是相同的，实用时，铁氧体圆盘形成一个谐振腔，无偏置场时，此谐振腔有着cos(或sin

)分布的单一最低次谐振模式；当铁氧体加偏置场时，此模式分成两个谐振频率稍有不同的谐振模式。选择环行器的工作频率可使这两个模式在输出端口相互叠加，而在隔离端口则相互抵消。当外加合适的磁场时，铁氧体磁化，由于各向异性的作用，在铁氧体结上激发如图©的电磁场结构，显然比不加磁场时旋转了一个角度，当设计成时=30，分支②处有信号输出，而分支③处电场为零，没有信号输出。同样由分支②输入时，分支③有输出，而分支①无输出；由分支③输入时，则分支①有输出而分支②无输出，可见它构成了①②③①的单向环行流通，而反向是不通的，故称为环行器。

利用环行器可以构成前面讨论的单向器，只要在Y形结环行器的端口③接上匹配吸收负载，端口①作为输入，端口②作为输出，如图(a)所示，这样信号从端口①输入时，端口②有输出，当从端口②的反射信号经环行器到达端口③被吸收，这样①②是导通的，而②①是不通的，它完成了正向传输导通、反向传输隔离的单向器的任务。利用两个Y形环行器还可以构成四端口的双Y结环行器，如图（b）所示，单向环行规律是①②③④。基本要求了解微波元器件的分类及它们在微波电路中的作用。掌握终端负载元件