microwav电子科大版.ppt

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1、8.3 微波周期结构-电磁慢波 导行波可分为三类：kc2=0 TEM波 kc2 0 TE波或TM波 快波 kc2 0 慢波由,微波周期结构,有 kc2=0 v p=v C kc2 0 vp v C 快波 kc2 0 vp v C 慢波用完全相同的电抗元件以周期性间隔加载的导行系统称为微波周期结构。可实现慢波传输。属非谐振周期电路 与专门的滤波器电路有区别。应用：微波行波管、微波直线加速器、铁氧体器件、行波管量子放大器等。两个基本特性：通带/阻带特性；慢波特性分析方法：电磁场方法等效电路方法微波网络,微波周期结构,真空时,所有的周期结构都具有如下共性：类似于滤波器的带通和带阻特性；周期结构上的导

2、波为慢波，其相速度比未加载线的相速度要慢。,微波周期结构,福罗奎（Floquet）定理：将系统沿向移动周期长度的整数倍时，它与移动前的结构完全重合，此时，在给定的稳态频率下，对于系统沿中某个特定传输波型，它在某截面处的场与相隔周期长度整数倍处的场仅仅相差一个复数常数。福罗奎定理可用电场矢量表示成：其周期与周期结构的空间周期相同，记作L，即有,微波周期结构,8.6 铁氧体元件8.6.1 微波在铁氧体中的传播特性铁氧体的一般性质铁氧体是由金属氧化物混合烧结而成的磁性材料。其化学表示一般为MOFe2O3，其中M代表二价金属如：锰、镁、锌、镍、镉等或者是它们的混合物。铁氧体的相对介电常数在1020之间

3、,r较大;铁氧体是良好的绝缘体，很小即介质损耗 很低，约在10-310-4之间，故可用于微波波段。外加磁场下，各向异性，具有回旋媒质特性，为旋磁媒质。各向异性（不同方向具有不同特性）材料，有非互易特性，所制作的微波元件必定是非互易SijSji,铁氧体元件,磁化铁氧体的张量磁化率和张量磁导率电子的进动及进动方程电子自旋在其自旋轴的两个方向上产生一个机械矩（或称动量矩）和一个磁矩（又称玻尔磁子），它们的大小为假定上述电子位于一均匀的恒磁场 中，则 会对电子磁矩 发生作用而产生一个转矩矢量。,铁氧体元件,由于电子有自旋运动，外加转矩的作用使 围绕着 不断地转动，称为拉摩进动。忽略阻尼作用时，磁矩的进

4、动为自由进动。如图所示：,铁氧体元件,磁化强度微扰外恒磁场 的进动方程为 实际上铁氧体材料总是存在损耗的，损耗使自旋磁矩进动受到阻尼，此时进动方程改写为：,铁氧体元件,张量磁化率与张量导磁率铁氧体的磁化率是一个三阶张量，用 表示：,铁氧体元件,铁氧体的张量磁导率为 式中,0进动角频率；mMs；表征铁氧体饱和磁化强度的重要参数是4Ms，一般3005000高斯。,铁氧体元件,平面电磁波在铁氧体中传播特性假定铁氧体媒质均匀充满无限大空间，平面电磁波的传播方向z与 一致。沿z传播的平面波的电磁波为 利用麦克斯韦方程，可求得,铁氧体元件,若取，可得：该式代表一正旋圆极化或右旋圆极化波，即顺着外加恒磁场方

5、向看去，Ht随时间以固定振幅顺时针转的波，如图所示：,铁氧体元件,若取，可得：该式代表为负旋圆极化或左旋圆极化波，即顺着外加恒磁场方向看去，Ht随时间以固定振幅反时针转的波，如图所示：,铁氧体元件,上述结果表明：1.在铁氧体中沿恒定磁场方向传播的平面波，是圆极化 TEM波；2.对于圆极化波，铁氧体的导磁率不在为张量而为标量，这意味着磁化铁氧体媒质对圆极化波表现为各向同性，但导磁率的大小与圆极化波的旋转方向有关。8.6.2 旋磁效应、微波铁氧体元件旋磁效应1.铁磁谐振效应,铁氧体元件,当 时，由得知：正旋圆极化波的相速为零，波不传播，这种现象称为铁磁谐振。注意：左旋波的旋转方向与进动方向相反，在

6、任何频率上都无法同步，故不发生谐振。因此，铁磁谐振仅对右旋波而言。,铁氧体元件,2.法拉第旋转效应定义：线性极化波在纵向磁化铁氧体内传播过程中极化而发生旋转的效应。产生机理：一个线性极化波可以分解为两个旋转方向相反的圆极化波，而这两个圆极化波在纵向磁化的铁氧体媒质中传播的相速不同(相位常数不同)，因此，传播途中不同距离上两圆极化波合成的线极化波的极化方向不同，即极化面发生了旋转。如下图所示：,铁氧体元件,应当指出，由于线性极化波是恒定磁场(顺着磁场方向)分为右旋和左旋圆极化波，因此，只要恒定磁场方向不变，无论波沿+z方向或沿-z方向传播，极化面旋转方向是不变的。这一特性称为法拉第旋转的非互易性

7、。,铁氧体元件,3.场移效应定义：场移效应是对放入导波系统中的铁氧体，外加横向横磁场(垂直于波的传播方向)时，使导波场的分布产生横向移动的效应。微波铁氧体元件隔离器常用于微波源与负载之间，使全部功率传至负载而反射功率不到微波源。场移式隔离器,铁氧体元件,铁氧体侧面上贴一薄电阻片(或电阻膜层)，电阻片可将反向波吸收掉而只传输正向波，从而构成了一个隔离器，如图：缺点：因靠电阻片吸收反射波，故仅适用于低功率。,铁氧体元件,谐振式隔离器利用铁氧体对右旋圆极化波产生谐振吸收的特性可作成谐振式隔离器。可用于高功率系统。,铁氧体元件,法拉第旋转式隔离器它由一段扭转45的矩形波导和一段45法拉第旋转圆波导相连

8、，圆波导的另一端为圆到矩形变换器。,铁氧体元件,铁氧体非互易移相器利用铁氧体导磁率随外加恒磁场而变化的特性使输入和输出端口之间产生给定相移的两端口元件。法拉第旋转式移相器使用90矩形扭波导和90法拉第旋转圆波导段，输入和输出波导中没有电阻片。结构如下图所示：,铁氧体元件,圆极化式移相器将矩形波导TE10模经极化变换器变换为圆波导中的圆极化波，再利用圆极化波在铁氧体中相位常数随外恒磁场H0的变化而获得给定相移。,铁氧体元件,环行器使电磁波按一定顺序从一个端口传向另一个端口。三端口环行器由互成120角的三分支矩形波导构成Y型结构，在H面Y结中心处置有一横向磁化铁氧体柱。外恒磁场H0垂直H面。,铁氧体元件,四端口环行器下图是由一个法拉第旋转倒相器和两个魔T构成的四端口环行器。,铁氧体元件,铁氧体元件,