微波技術(shù)與天線 劉學(xué)觀 第5.4節(jié)

5.4微波鐵氧體器件

許多情況下，我們需要具有非互易性的器件。例如，在微波系統(tǒng)中，負(fù)載的變化對(duì)微波信號(hào)源的頻率和功率輸出會(huì)產(chǎn)生不良影響，使振蕩器性能不穩(wěn)定。為了解決這樣的問題，最好在負(fù)載和信號(hào)源之間接入一個(gè)具有不可逆?zhèn)鬏斕匦缘钠骷?。這種器件具有單向通行、反向隔離的功能，稱為隔離器(isolators)。另一類非互易器件是環(huán)行器(circulators)，它具有單向循環(huán)流通功能。

在非互易器件中，非互易材料是必不可少的，微波技術(shù)中應(yīng)用很廣泛的非互易材料是鐵氧體。鐵氧體是一種黑褐色的陶瓷，最初由于其中含有鐵的氧化物而得名。實(shí)際上隨著材料研究的進(jìn)步，后來發(fā)展的某些鐵氧體并不一定含有鐵元素。目前常用的有鎳-鋅、鎳-鎂、錳-鎂鐵氧體和釔鐵石榴石（YIG）等。

特性：微波鐵氧體(ferrite)的電阻率很高，比鐵的電阻率大1012~1016倍，當(dāng)微波頻率的電磁波通過鐵氧體時(shí)，導(dǎo)電損耗是很小的。鐵氧體的相對(duì)介電常數(shù)為10-20，更重要的是，它是一種非線性各向異性磁性物質(zhì)，它的磁導(dǎo)率隨外加磁場而變，即具有非線性；再加上恒定磁場以后，它在各方向上對(duì)微波磁場的磁導(dǎo)率是不同的，就是說各向異性的。由于這種各向異性，當(dāng)電磁波從不同的方向通過磁化鐵氧體時(shí)，便呈現(xiàn)一種非互易性(nonreciprocalproperties)

。利用這種效應(yīng)，便可以做成各種非互易微波鐵氧體元件。最常用的有隔離器和環(huán)行器。1.隔離器(isolators)

隔離器也叫反向器，它的基本特性是電磁波正向通過時(shí)幾乎無衰減，反向通過時(shí)衰減很大。常用的隔離器有諧振式和場移式兩種。

(1)諧振式隔離器

(a)正圓波和負(fù)圓波

設(shè)微波鐵氧體材料的外加磁場Hi的方向?yàn)閥方向，如果一個(gè)電磁波的磁場有幅度相等、相位相差90o且方向相互垂直的兩個(gè)分量Hx和Hz構(gòu)成，如果Hx和Hz的方向與外加磁場Hi的方向成右手螺旋關(guān)系，則稱為正圓（極化）波，否則稱為負(fù)圓（極化）波。外加磁場Hi正圓波和負(fù)圓波具有不同的導(dǎo)磁率，它們分別為+和–

(b)

圓極化磁場的鐵磁諧振效應(yīng)

鐵磁諧振效應(yīng)是指當(dāng)磁場的工作頻率等于鐵氧體的諧振角頻率0時(shí)，鐵氧體對(duì)微波能量的吸收達(dá)到最大值；

對(duì)于矩形波導(dǎo)TE10模而言，沿+z方向傳輸?shù)碾姶挪ㄆ浯艌鲋挥衳分量和z分量，它們的表達(dá)式為：

顯然，Hx和Hz存在90的相差。

(c)矩形波導(dǎo)中的正圓波和負(fù)圓波對(duì)圓極化磁場來說負(fù)圓波、正圓波具有不同的磁導(dǎo)率，從而兩者也有不同的吸收特性，對(duì)正圓波磁導(dǎo)率為+，它具有鐵磁諧振效應(yīng)，對(duì)負(fù)圓波磁導(dǎo)率為–，它不存在鐵磁諧振特性。在矩形波導(dǎo)寬邊中心處，磁場只有Hx分量，線極化；也就是

對(duì)沿+z方向傳輸?shù)腡E10模來說，在x=x1處，|Hx|=|Hz|且Hx超前Hz相位90。也就是說，在x=x1處沿+z方向傳輸?shù)氖秦?fù)圓波而沿–z方向傳輸?shù)氖钦龍A波。在其它位置上，若|Hx||Hz|，則合成磁場矢量是橢圓極化的，并以寬邊中心為對(duì)稱軸，波導(dǎo)兩邊為極化性質(zhì)相反的兩個(gè)磁場；當(dāng)在某個(gè)位置上有|Hx|=|Hz|，此時(shí)合成磁場是圓極化的，即(d)諧振式隔離器的工作原理在波導(dǎo)的位置x=x1處放置鐵氧體片,并加上y方向的恒定磁場，恒定磁場Hi的大小與傳輸波的工作頻率滿足：其中，0為鐵氧體片的鐵磁諧振頻率，=2.8103/4Hz/A/m為電子旋磁比。因此，在x=x1處放置鐵氧體片，對(duì)沿–z方向傳輸?shù)恼龍A波因滿足圓極化磁場的鐵磁諧振條件而被強(qiáng)烈吸收，而對(duì)沿+z方向傳輸?shù)呢?fù)圓波幾乎無衰減通過。若在波導(dǎo)的對(duì)稱位置x=x2=a–x1處放置鐵氧體，則對(duì)沿+z方向傳輸?shù)牟ㄒ驖M足圓極化磁場的鐵磁諧振條件而會(huì)被強(qiáng)烈吸收，對(duì)–z方向傳輸?shù)牟〞?huì)幾乎無衰減地通過。

(2)場移式隔離器

負(fù)的磁導(dǎo)率意味著電磁波將被排斥在鐵氧體所在空間之外傳播沿+z方向傳輸?shù)碾妶鲈谒p片的一側(cè)被衰減

在x=x1處放置鐵氧體，并在鐵氧體片側(cè)面加上衰減片。沿–z方向傳輸?shù)氖钦龍A波，其+<0沿+z方向傳輸?shù)氖秦?fù)圓波，其–>1，鐵氧體呈普通的順磁特性；從而實(shí)現(xiàn)了–z方向單向傳輸?shù)墓δ?/p>

場移式隔離器是利用鐵氧體對(duì)兩個(gè)方向傳輸?shù)牟ㄐ彤a(chǎn)生的場移作用不同而制成的。

一個(gè)理想的環(huán)行器是一種所有端口均匹配的無耗三端口器件。即它必須具備以下的條件：輸入端口完全匹配，無反射；輸入端口到輸出端口全通，無損耗；

輸入端口與隔離器間無傳輸。式中，為附加相移。

2.鐵氧體環(huán)行器(ferritecirculators)

應(yīng)用其散射矩陣的幺正性可以證明，這種器件必須是非互易的。于是環(huán)行器的散射參數(shù)：

常用環(huán)行器是Y形結(jié)環(huán)行器，在中央圓盤的周邊以互成120的角連接三個(gè)導(dǎo)體形成環(huán)行器的三個(gè)端口，結(jié)構(gòu)如圖(a)所示。

當(dāng)信號(hào)從①輸入時(shí)，就會(huì)在鐵氧體結(jié)上激發(fā)如圖(b)的磁場結(jié)構(gòu)，由于分支②③條件相同，信號(hào)是等分輸出的；當(dāng)外加磁場為零時(shí)，鐵氧體沒有被磁化，因此各個(gè)方向上的磁性是相同的，實(shí)用時(shí)，鐵氧體圓盤形成一個(gè)諧振腔，無偏置場時(shí)，此諧振腔有著cos(或sin

)分布的單一最低次諧振模式；當(dāng)鐵氧體加偏置場時(shí)，此模式分成兩個(gè)諧振頻率稍有不同的諧振模式。選擇環(huán)行器的工作頻率可使這兩個(gè)模式在輸出端口相互疊加，而在隔離端口則相互抵消。當(dāng)外加合適的磁場時(shí)，鐵氧體磁化，由于各向異性的作用，在鐵氧體結(jié)上激發(fā)如圖?的電磁場結(jié)構(gòu)，顯然比不加磁場時(shí)旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，當(dāng)設(shè)計(jì)成時(shí)=30，分支②處有信號(hào)輸出，而分支③處電場為零，沒有信號(hào)輸出。同樣由分支②輸入時(shí)，分支③有輸出，而分支①無輸出；由分支③輸入時(shí)，則分支①有輸出而分支②無輸出，可見它構(gòu)成了①②③①的單向環(huán)行流通，而反向是不通的，故稱為環(huán)行器。

利用環(huán)行器可以構(gòu)成前面討論的單向器，只要在Y形結(jié)環(huán)行器的端口③接上匹配吸收負(fù)載，端口①作為輸入，端口②作為輸出，如圖(a)所示，這樣信號(hào)從端口①輸入時(shí)，端口②有輸出，當(dāng)從端口②的反射信號(hào)經(jīng)環(huán)行器到達(dá)端口③被吸收，這樣①②是導(dǎo)通的，而②①是不通的，它完成了正向傳輸導(dǎo)通、反向傳輸隔離的單向器的任務(wù)。利用兩個(gè)Y形環(huán)行器還可以構(gòu)成四端口的雙Y結(jié)環(huán)行器，如圖（b）所示，單向環(huán)行規(guī)律是①②③④?；疽罅私馕⒉ㄔ骷姆诸惣八鼈冊谖⒉娐分械淖饔谩Ｕ莆战K端負(fù)載元件