電磁場(chǎng)課件--第四章微波鐵氧體元件.ppt

4.7 微波鐵氧體元件,微波鐵氧體器件是一類非互易器件，需要采用非互易的鐵氧體制造。 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(wèn)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, 因此稱為單向器或隔離器。另一類非互易器件是環(huán)行器, 它具有單向循環(huán)流通功能。 ,環(huán)流器,一 微波鐵氧體的物理特性,鐵氧體是鐵和其它元素構(gòu)成的具有鐵磁性的復(fù)合氧化物，是電信技術(shù)中廣泛應(yīng)用的磁性材料。 它的主要化學(xué)成分是FeOFe2O3，其中二價(jià)鐵也可以是其它二價(jià)金屬，如錳（Mn）、鎂（Mg）、鎳（Ni）、鋅（Zn）等。 鐵氧體呈黑褐色，其機(jī)械性能類似于陶瓷硬而脆，具有很高的電阻率（達(dá)10的8次方/cm），是一種低損耗的介質(zhì)材料。 重要的是鐵氧體是一種磁旋介質(zhì)。,1 磁旋介質(zhì)電子進(jìn)動(dòng)模型,磁旋介質(zhì)中，由于電子自旋磁矩（宏觀）存在，使得電子在強(qiáng)外磁場(chǎng)的作用下發(fā)生進(jìn)動(dòng)，總的磁矩和外場(chǎng)方向有一定的夾角。 當(dāng)鐵氧體在恒定磁場(chǎng)和電磁波作用下,鐵氧體中的自旋電子不僅作自旋運(yùn)動(dòng)和軌道運(yùn)動(dòng),還將圍繞恒定磁場(chǎng)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),這種雙重的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)稱為電子進(jìn)動(dòng)。由于電子的進(jìn)動(dòng),使鐵氧體呈現(xiàn)各向異性,這時(shí)鐵氧體的導(dǎo)磁率為張量。,高頻磁場(chǎng)，可以分解為左旋和右旋磁場(chǎng)的疊加。“+”表右旋，“-”表左旋,恒定磁場(chǎng),2 左旋和右旋磁導(dǎo)率的差異,場(chǎng)移區(qū),諧振區(qū),3 場(chǎng)移區(qū),當(dāng)外穩(wěn)恒磁場(chǎng)較小時(shí)，鐵氧體材料工作在場(chǎng)移區(qū)。 對(duì)左旋波是一種順磁介質(zhì)，且磁導(dǎo)率比一般的順磁介質(zhì)大，對(duì)左旋波有吸引作用，使得左旋波的磁場(chǎng)向鐵氧體中移動(dòng)。 對(duì)右旋波是一種抗磁介質(zhì)，且磁導(dǎo)率比一般的抗磁介質(zhì)大，對(duì)右旋波有排斥作用，使得右旋波的磁場(chǎng)向鐵氧體外移動(dòng)。,3 諧振區(qū),當(dāng)外穩(wěn)恒磁場(chǎng)較大時(shí)，的鐵氧體材料工作在諧振區(qū)。 對(duì)左旋波吸收小，幾乎不影響左旋波的傳播。 對(duì)右旋波有較強(qiáng)的吸收，右旋波不可能在鐵氧體材料中傳播。,二 場(chǎng)移式隔離器,場(chǎng)移式隔離器是一種微波鐵氧體非互易元件，它具有對(duì)正向傳輸波幾乎無(wú)衰減，而對(duì)反向傳輸波衰減很大的傳輸特性，隔離器通俗名稱為單向器。 把隔離器接在信源輸出端，由于它對(duì)來(lái)自負(fù)載的反射波具有很大的衰減，從而起到很好地去耦作用，使信號(hào)源的輸出功率保持穩(wěn)定，同時(shí)也最大限度的抑制了因信源（內(nèi)阻）與傳輸線匹配不好而引起的信源端的反射。,1 結(jié)構(gòu)和原理,2 解釋,波導(dǎo)中，選擇合適位置，使得正向傳播是右旋波，反向傳播的是左旋波。 在此位置附近填充微波鐵氧體材料，并加合適的外磁場(chǎng)，使得鐵氧體工作在場(chǎng)移區(qū)。 波鐵氧體外側(cè)加吸收片，吸收左旋波，同時(shí)又為右旋波提供理想的導(dǎo)體邊界條件。,TE10模式,要找出圓極化波的位置,必須使兩分量Hx和Hz滿足大小相等時(shí)間相位差為90和空間相互垂直的條件,后兩者條件已滿足,故只需二者大小相等。,三 環(huán)流器,利用鐵氧體和分支波導(dǎo)構(gòu)成的環(huán)流器，是一種在微波系統(tǒng)中廣泛使用的具有非互易特性的分支元件。 環(huán)流器由三個(gè)完全相同的波導(dǎo)互成配置成Y形結(jié)，在結(jié)中心安置一塊圓柱形或圓盤形鐵氧體塊，在外加恒定磁場(chǎng)的作用下，若鐵氧體尺寸及恒定磁場(chǎng)值選取合適，就構(gòu)成了環(huán)流器。,理想的Y形結(jié)環(huán)流器的傳輸特性,當(dāng)微波信號(hào)從端口1輸入時(shí)，端口2輸出而端口3無(wú)輸出；當(dāng)微波信號(hào)從端口2輸入時(shí)，端口3輸出而端口1無(wú)輸出；當(dāng)微波信號(hào)從端口3輸入時(shí)，端口1輸出而端口2無(wú)輸出。 若外加磁場(chǎng)方向改變?yōu)榕c現(xiàn)在的方向相反時(shí)，輸入的微波信號(hào)環(huán)流方向也與現(xiàn)在的環(huán)流方向相反。 環(huán)流器是微波系統(tǒng)中的重要元件之一，它可以用作單向器，也可用于微波通信系統(tǒng)中收發(fā)天線共用時(shí)的接收與發(fā)射信號(hào)的隔離，等等 。,小 結(jié),微波鐵氧體元件是一類具有不可逆性的微波元件，它是利用微波鐵氧體材料在恒定磁場(chǎng)作用下對(duì)高頻左旋和右旋圓極化