李爱凤《微波技术精品教学》第5章4.pptVIP

第5章 微波元器件 5.4 微波铁氧体器件 5.1 连接匹配元件 5.2 功率分配元器件 5.3 微波谐振器件 5.4 微波铁氧体器件 习 题 图 5 – 30 单向器的连接 微波铁氧体的电阻率很高, 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; 在加上恒定磁场以后, 它在各方向上对微波磁场的磁导率是不同的, 就是说其具有各向异性的。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。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 1) 谐振式隔离器 由于铁氧体具有各向异性, 因此在恒定磁场Hi作用下, 与Hi方向成左、右螺旋关系的左、右圆极化旋转磁场具有不同的导磁率（分别设为μ-和μ+）。 设在含铁氧体材料的微波传输线上的某一点, 沿+z方向传输左旋磁场, 沿-z方向传输右旋磁场, 两者传输相同距离, 但对应的磁导率不同, 故左右旋磁场相速不同, 所产生相移也就不同, 这就是铁氧体相移不可逆性。另一方面，铁氧体具有铁磁谐振效应和圆极化磁场的谐振吸收效应。 所谓铁氧体的铁磁谐振效应，是指当磁场的工作频率ω等于铁氧体的谐振角频率ω0时, 铁氧体对微波能量的吸收达到最大值。而对圆极化磁场来说，左、右旋极化磁场具有不同的磁导率, 从而两者也有不同的吸收特性。对反向传输的右旋极化磁场，磁导率为μ+，它具有铁磁谐振效应，而对正向传输的左极化磁场，磁导率为μ-，它不存在铁磁谐振特性, 这就是圆极化磁场的谐振效应。铁氧体谐振式隔离器正是利用了铁氧体的这一特性制成的。  图 5 – 31 谐振式隔离器的铁氧体位置 对于矩形波导TE10模而言, 其磁场只有x分量和z分量, 它们的表达式为 (5-4-1) 可见两者存在π/2的相差。在矩形波导宽边中心处, 磁场只有Hx分量, 即磁场矢量是线极化的, 且幅度随时间周期性变化, 但其方向总是x方向; 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x1上有|Hx|=|Hz|时, 合成磁场是圆极化的, 即 于是有 解得 (5-4-2) (5-4-3) (5-4-4) 进一步分析表明, 对TE10模来说,在x=x1处沿+z方向传输的圆极化磁场不与恒定磁场方向成右手螺旋关系, 即为左旋磁场, 而沿-z方向传输的圆极化磁场则是右旋磁场。可见，应在波导x=x1处放置铁氧体片, 并加上如图 5 - 31 所示的恒定磁场, 使Hi与传输波的工作频率ω满足 ω=ω0=γHi (5 - 4 - 5) 式中, ω0为铁氧体片的铁磁谐振频率；γ=2.8×103/4π(Hz·m/A), 为电子旋磁比。这时, 沿+z方向传输的波几乎无衰减通过, 而沿-z方向传输的波因满足圆极化谐振条件而被强烈吸收, 从而构成了谐振式隔离器。 2) 场移式隔离器 图 5 – 32 场移式隔离器  3) 隔离器的性能指标 隔离器是双端口网络, 理想铁氧体隔离器的散射矩阵为 可见［S］矩阵不满足幺正性, 即隔离器是个有耗元件, 又由于隔离器是一种非互易元件, 故［S］不具有互易性。  (5 - 4 - 6) (1) 正向衰减a+ 实际隔离器一般用以下性能参量来描述:  (1)正向衰减量 （5-4-6） 式中, P01为正向传输输入功率；P1为正向传输输出功率, 理想情况下|S21|=1, α+=0; 一般希望α+越小越好。 （2）反向衰减量α- 式中, P02为反向传输输入功率；P2为反向传输输出功率；理想情况下α-→∞。  (5 - 4 - 7) （3）隔离比R 将反向衰减量与正向衰减量之比定义为隔离器的隔离比, 即 （4） 输入驻波比ρ 在各端口都匹配的情况下，我们将输入端口的驻波系数称为输入驻波比，记作ρ, 此时 (5 - 4 - 8) 对于具体的隔离器, 希望ρ值接近于1。 (5 - 4 - 9) 2. 铁氧体环行器 图 5 – 33 环行器及其场分布 Y形结环行器是对称非