第四章微波铁氧体元件

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§4.7 微波铁氧体元件
? 微波铁氧体器件是一类非互易器件，需要采用非 互易的铁氧体制造。
? 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, 因此称为单向器或 隔离器。另一类非互易器件

是环行器, 它具有单向 循环流通功能。 ?

单向器 信号源 负载

环流器

一 微波铁氧体的物理特性
? 铁氧体是铁和其它元素构成的具有铁磁性的复合 氧化物，是电信技术中广泛应用的磁性材料。
? 它的主要化学成分是FeOFe2O3，其中二价铁也可 以是其它二价金属，如锰（Mn）、镁（Mg）、 镍（Ni）、锌（Zn）等。 ? 铁氧体呈黑褐色，其机械性能类似于陶瓷硬而脆， 具有很高的电阻率（达10的8次方Ω/cm），是一 种低损耗的介质材料。 ? 重要的是铁氧体是一种磁旋介质。

1 磁旋介质电子进动模型
? 磁旋介质中，由于电子自旋磁矩（宏观）存在，使 得电子在强外磁场的作用下发生进动，总的磁矩和 外场方向有一定的夹角。 ? 当铁氧体在恒定磁场和电磁波作用下,铁氧体中的 自旋电子不仅作自旋运动和轨道运动,还将围绕恒 定磁场作旋转运动,这种双重的旋转运动称为电子 进动。由于电子的进动,使铁氧体呈现各向异性,这 时铁氧体的导磁率μ为张量。

H0

恒定磁场

M ? L?S

h ? h? ? h ?

b? ? ??h? , b? ? ??h?

高频磁场，可以分解为左旋和右旋磁 场的叠加。“+”表右旋，“-”表左旋

2 左旋和右旋磁导率的差异

场移区 谐振区

3 场移区
? 当外稳恒磁场较小时，铁氧体材料工作在 场移区。 ? 对左旋波是一种顺磁介质，且磁导率比一 般的顺磁介质大，对左旋波有吸引作用， 使得左旋波的磁场向铁氧体中移动。 ? 对右旋波是一种抗磁介质，且磁导率比一 般的抗磁介质大，对右旋波有排斥作用， 使得右旋波的磁场向铁氧体外移动。

3 谐振区
? 当外稳恒磁场较大时，的铁氧体材料工作 在谐振区。 ? 对左旋波吸收小，几乎不影响左旋波的传 播。 ? 对右旋波有较强的吸收，右旋波不可能在 铁氧体材料中传播。

二 场移式隔离器
? 场移式隔离器是一种微波铁氧体非互易元件，它 具有对正向传输波几乎无衰减，而对反向传输波 衰减很大的传输特性，隔离器通俗名称为单向器。 ? 把隔离器接在信源输出端，由于它对来自负载的 反射波具有很大的衰减，从而起到很好地去耦作 用，使信号源的输出功率保持稳定，同时也最大 限度的抑制了因信源（内阻）与传输线匹配不好 而引起的信源端的反射。

1 结构和原理

2 解释
? 波导中，选择合适位置，使得正向传播是 右旋波，反向传播的是左旋波。 ? 在此位置附近填充微波铁氧体材料，并加 合适的外磁场，使得铁氧体工作在场移区。 ? 波铁氧体外侧加吸收片，吸收左旋波，同 时又为右旋波提供理想的导体边界条件。

TE10模式
k ? ? x ? j? z ? ? H x ? j k 2 A a sin a e ? c ? ? H ? A cos ? x e ? j? z ? z a ? ? x1 ? 0.3a x0 ? ? ? x2 ? 0.7a

要找出圆极化波的位置,必须使两分量Hx和 Hz 满足大小相等时间相位差为90°和空间相互 垂直的条件,后两者条件已满足,故只需二者大 小相等。

三 环流器
? 利用铁氧体和分支波导构成的环流器，是 一种在微波系统中广泛使用的具有非互易 特性的分支元件。 ? 环流器由三个完全相同的波导互成配置成Y 形结，在结中心安置一块圆柱形或圆盘形 铁氧体块，在外加恒定磁场的作用下，若 铁氧体尺寸及恒定磁场值选取合适，，就构 成了环流器。

理想的Y形结环流器的传输特性
? 当微波信号从端口1输入时，端口2输出而端口3无 输出；当微波信号从端口2输入时，端口3输出而 端口1无输出；当微波信号从端口3输入时，端口1 输出而端口2无输出。 ? 若外加磁场方向改变为与现在的方向相反时，输 入的微波信号环流方向也与现在的环流方向相反。 ? 环流器是微波系统中的重要元件之一，它可以用 作单向器，也可用于微波通信系统中收发天线共 用时的接收与发射信号的隔离，等等 。

小结
? 微波铁氧体元件是一类具有不可逆性的微 波元件，它是利用微波铁氧体材料在恒定 磁场作用下对高频左旋和右旋圆极化电磁 波呈现不同导磁系数的特性制作成的。
? 最有代表性的微波铁氧体元件有场移式隔 离器和环流器，它们分别具有传输单向性 和传输端口的顺序性，因而在微波系统中 得到广泛的应用。



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