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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(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。 ?

單向器 信號(hào)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(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(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μ為張量。

H0

恒定磁場(chǎng)

M ? L?S

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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

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
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(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(chǎng)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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