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§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)載的變化對微波信號源的頻率和 功率輸出會產(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)載和信號源之間接 入一個具有不可逆?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。 ?

單向器 信號源 負(fù)載

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，其中二價鐵也可 以是其它二價金屬，如錳（Mn）、鎂（Mg）、 鎳（Ni）、鋅（Zn）等。 ? 鐵氧體呈黑褐色，其機械性能類似于陶瓷硬而脆， 具有很高的電阻率（達10的8次方Ω/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)電子進動模型
? 磁旋介質(zhì)中，由于電子自旋磁矩（宏觀）存在，使 得電子在強外磁場的作用下發(fā)生進動，總的磁矩和 外場方向有一定的夾角。 ? 當(dāng)鐵氧體在恒定磁場和電磁波作用下,鐵氧體中的 自旋電子不僅作自旋運動和軌道運動,還將圍繞恒 定磁場作旋轉(zhuǎn)運動,這種雙重的旋轉(zhuǎn)運動稱為電子 進動。由于電子的進動,使鐵氧體呈現(xiàn)各向異性,這 時鐵氧體的導(dǎo)磁率μ為張量。

H0

恒定磁場

M ? L?S

h ? h? ? h ?

b? ? ??h? , b? ? ??h?

高頻磁場，可以分解為左旋和右旋磁 場的疊加�！�+”表右旋，“-”表左旋

2 左旋和右旋磁導(dǎo)率的差異

場移區(qū) 諧振區(qū)

3 場移區(qū)
? 當(dāng)外穩(wěn)恒磁場較小時，鐵氧體材料工作在 場移區(qū)。 ? 對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，對左旋波有吸引作用， 使得左旋波的磁場向鐵氧體中移動。 ? 對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，對右旋波有排斥作用， 使得右旋波的磁場向鐵氧體外移動。

3 諧振區(qū)
? 當(dāng)外穩(wěn)恒磁場較大時，的鐵氧體材料工作 在諧振區(qū)。 ? 對左旋波吸收小，幾乎不影響左旋波的傳 播。 ? 對右旋波有較強的吸收，右旋波不可能在 鐵氧體材料中傳播。

二 場移式隔離器
? 場移式隔離器是一種微波鐵氧體非互易元件，它 具有對正向傳輸波幾乎無衰減，而對反向傳輸波 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，由于它對來自負(fù)載的 反射波具有很大的衰減，從而起到很好地去耦作 用，使信號源的輸出功率保持穩(wěn)定，同時也最大 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，使得鐵氧體工作在場移區(qū)。 ? 波鐵氧體外側(cè)加吸收片，吸收左旋波，同 時又為右旋波提供理想的導(dǎo)體邊界條件。

TE10模式
k ? ? x ? j? z ? ? H x ? j k 2 A a sin a e ? c ? ? H ? A cos ? x e ? j? z ? z a ? ? x1 ? 0.3a x0 ? ? ? x2 ? 0.7a

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，在外加恒定磁場的作用下，若 鐵氧體尺寸及恒定磁場值選取合適，，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)微波信號從端口1輸入時，端口2輸出而端口3無 輸出；當(dāng)微波信號從端口2輸入時，端口3輸出而 端口1無輸出；當(dāng)微波信號從端口3輸入時，端口1 輸出而端口2無輸出。 ? 若外加磁場方向改變?yōu)榕c現(xiàn)在的方向相反時，輸 入的微波信號環(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 用時的接收與發(fā)射信號的隔離，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 磁場作用下對高頻左旋和右旋圓極化電磁 波呈現(xiàn)不同導(dǎo)磁系數(shù)的特性制作成的。
? 最有代表性的微波鐵氧體元件有場移式隔 離器和環(huán)流器，它們分別具有傳輸單向性 和傳輸端口的順序性，因而在微波系統(tǒng)中 得到廣泛的應(yīng)用。



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