第八章 微波铁氧体器件.doc

第八章 微波铁氧体器件 §8－1 概论 铁氧体：是一种铁磁材料，它是由二价金属锰、铜、镁、锌、镍、钇等氧化物与烧结而成的多晶或单晶材料，外表很象陶瓷。 工作条件：外加恒定磁场。 在此恒定磁场作用下，铁氧体内部的电子产生进动，使铁氧体具有张量磁导率，成为各向异性媒质，具有非互易性。 特点：1. 有较大的磁导率; 2. 有很高的电阻率（一般在欧姆/厘米之间）。 所以铁氧体的趋肤深度()较大，微波电磁场能够深入到铁氧体内部，从而使铁氧体的非互易特性能够对微波电磁场起作用，因此利用铁氧体可以构成非互易器件。 §8－2 铁氧体中的张量磁导率 铁氧体在未加恒定磁场时是一种高介电常数的介质，此时铁氧体呈各向同性特性，磁导率和介电常数都是标量，但在外加恒定磁场作用下，铁氧体具有各向异性特性，磁导率变成了张量。 张量磁导率的表示式与外加恒定磁场的方向有关，当外加恒定磁场强度矢量沿+方向，即时，张量磁导率的表达式为 (8-2.1) 上式中 (8-2.2) 而其中 (8-2.3) 上两式中，是磁化强度，是磁场强度，e是自由电子电荷，m是自由电子质量，是荷质比。 此时外加微波磁场强度矢量与铁氧体内部磁化后的磁感应强度矢量的关系为 (8-2.4) 亦即 (8-2.5) 展开式(8-2.4)，则有 (8-2.6) 上式表明，铁氧体中的高频磁感应强度矢量的方向与磁场强度矢量的方向并不完全一致，和的量值都是既取决于分量，又取决于分量，表现为各向异性特性。 显然，张量磁导率使问题变得复杂化，但是如果微波电磁场是沿着方向传播的圆极化波，即与两分量的关系为 (8-2.7) 则张量磁导率将退化为标量磁导率。 正旋圆极化波：微波圆极化波磁场矢量的旋转方向与恒定磁场矢量成右手螺旋关系。此时式（8-2.7）中，取“－”号。 负旋圆极化波：微波圆极化波磁场矢量的旋转方向与恒定磁场矢量成左手螺旋关系。此时式(8-2.7)取“＋”号。 在这两种情况下，式(8-2.6)将变为 (8-2.8) 即 (8-2.9) 上式等号右边的“－”号对应于正旋圆极化波，而“＋”号对应于负旋圆极化波。可见，与正旋波和负旋波相应的等效磁导率分别为 (8-2.10) 从上式可以看出，铁氧体被恒定磁场磁化后，对正、负旋圆极化波所呈现的等效磁导率是不同的，因此，尽管这种情况下磁导率是标量，但铁氧体仍然是各向异性媒质，而未磁化的铁氧体却是各向同性媒质，二者是有区别的。 将式(8-2.2)代入式(8-2.10)中，可得关系式，由此关系式可做出的曲线，如图8-2.1所示。由图可见，磁化铁氧体对于负旋圆极化波所呈现的磁导率与普通非铁磁物质相似，几乎与外加磁场无关；对于正旋圆极化波所呈现的磁导率，曲线以为界分成两支，是使电子进动角频率等于高频场频率时的恒定磁场强度。当时，小于，可能为零，甚至是负值；当时，趋向无穷大，呈现铁磁共振现象；当，并在附近时，的数值很大；当很大时，和趋于相等，铁氧体磁导率的这些特点就是构成微波铁氧体器件的基础。当恒定磁场使时，称铁氧体工作在弱场区；当恒定磁场使时，称铁氧体工作在强场区；当时，称铁氧体工作在谐振状态。 §8－3 场移式铁氧体隔离器（单向器） 场移式铁氧体隔离器是利用铁氧体在外加直流磁场作用下对正、负旋圆极化波具有不同磁导率的特性而制成的，因此，为弄清场移式铁氧体隔离器的工作原理，必须了解矩形波导中主模模的场分布情况及其圆极化波的分布情况和特性。 结论：当为+方向时，沿传输方向看去，左侧一点为正旋波，右侧一点为负旋波。当为-方向时，结论刚好相反。 选定恒定磁场，使铁氧体工作在弱场区，且使接近于零。 隔离器又叫单向器，用图8-3.3所示符号表示。沿隔离器的箭头方向传输时，波几乎无衰减，而反向传输时，波衰减很大，几乎不能通过。 利用铁氧体还可以构成非互易的移相器，其结构与场移式铁氧体隔离器类似，只要将铁氧体表面的吸收膜去掉即可。因为磁化铁氧体片对正向波和负向波呈现不同的磁导率，而相移常数)与磁导率有关，所以磁化铁氧体片对不同方向传输的波的相移不同，可以构成非互易的移相器。 §8－4 铁氧体环行器 能量在端口间沿环行器的箭头方向传输，不能