微波技术——第九章.pptVIP

* 第9章 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 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。 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： 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 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 微波磁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 引入张量磁化率 引入张量磁导率 其他偏置方向： 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 当： 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 9.1.3 损耗效应 旋磁共振：当频率等于进动频率时，磁化率或磁导率的张量元为无限大。 考虑损耗 阻尼因子1 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： 非零解 行列式＝0 RHCP LHCP 类似： 对于线极化波： 此式说明，仍是线极化波，极化角为： 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。 当Ey＝0时有另一解 可能为负 场结构： 因此 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 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： x2＝a－x1 3、正、负圆极化位置的判断：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。 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μ+和μ－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。 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＋ 0.5dB；反向衰减LA-要大，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 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。 B、波导谐振式隔离器 结构： 工作原理： 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9章 铁氧体元件理论与设计