电磁场课件-第四章微波铁氧体元.ppt

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。,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/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为张量。,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,恒定磁场,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,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。,