四川理工学院微波技术与天线-第4章微波元件.ppt

第4章微波元器件 4.1 连接匹配元件 4.2 功率分配元器件 5. 3 微波谐振器件 当谐振时： 代入横场与纵场关系方程可得TEMNP模式的场分量为： 4.4 微波铁氧体器件 铁氧体是一种黑褐色的陶瓷, 最初由于其中含有铁的氧化物而得名。实际上随着材料研究的进步, 后来发展的某些铁氧体并不一定含有铁元素。 目前常用的有镍 - 锌、镍 - 镁、 锰 - 镁铁氧体和钇铁石榴石（YIG）等，微波铁氧体的电阻率很高, 比铁的电阻率大1012~1016倍, 当微波频率的电磁波通过铁氧体时, 导电损耗是很小的。铁氧体的相对介电常数为10~20, 更重要的是, 它是一种非线性各向异性磁性物质, 它的磁导率随外加磁场而变, 即具有非线性; 在加上恒定磁场以后, 它在各方向上对微波磁场的磁导率是不同的, 就是说其具有各向异性的。由于这种各向异性, 当电磁波从不同的方向通过磁化铁氧体时, 便呈现一种非互易性。利用这种效应, 便可以做成各种非互易微波铁氧体元件，最常用的有隔离器和环行器。 1. 隔离器 如前所述, 隔离器也叫反向器, 电磁波正向通过它时几乎无衰减, 反向通过时衰减很大。常用的隔离器有谐振式和场移式两种。 1) 谐振式隔离器 由于铁氧体具有各向异性, 因此在恒定磁场Hi作用下, 与Hi方向成左、右螺旋关系的左、右圆极化旋转磁场具有不同的导磁率（分别设为μ-和μ+）。 设在含铁氧体材料的微波传输线上的某一点, 沿+z方向传输左旋磁场, 沿-z方向传输右旋磁场, 两者传输相同距离, 但对应的磁导率不同, 故左右旋磁场相速不同, 所产生相移也就不同, 这就是铁氧体相移不可逆性。另一方面，铁氧体具有铁磁谐振效应和圆极化磁场的谐振吸收效应。 所谓铁氧体的铁磁谐振效应，是指当磁场的工作频率ω等于铁氧体的谐振角频率ω0时, 铁氧体对微波能量的吸收达到最大值。而对圆极化磁场来说，左、右旋极化磁场具有不同的磁导率, 从而两者也有不同的吸收特性。 对反向传输的右旋极化磁场，磁导率为μ+，它具有铁磁谐振效应，而对正向传输的左极化磁场，磁导率为μ-，它不存在铁磁谐振特性, 这就是圆极化磁场的谐振效应。铁氧体谐振式隔离器正是利用了铁氧体的这一特性制成的。 图 5 – 31 谐振式隔离器的铁氧体位置 铁氧体谐振式隔离器就是在波导的某个恰当位置上放置铁氧体片而制成的, 在这个位置上，往一个方向传输的是右旋磁场, 另一方向上传输的是左旋磁场。图 5 - 31 所示的矩形波导在x=x1处放置了铁氧体, 下面来确定铁氧体片放置的位置。 对于矩形波导TE10模而言, 其磁场只有x分量和z分量, 它们的表达式为 可见两者存在π/2的相差。在矩形波导宽边中心处, 磁场只有Hx分量, 即磁场矢量是线极化的, 且幅度随时间周期性变化, 但其方向总是x方向; 在其它位置上, 若|Hx|≠|Hz|,则合成磁场矢量是椭圆极化的, 并以宽边中心为对称轴, 波导两边为极化性质相反的两个磁场; 当在某个位置x1上有|Hx|=|Hz|时, 合成磁场是圆极化的, 即 于是有 解得 进一步分析表明, 对TE10模来说,在x=x1处沿+z方向传输的圆极化磁场不与恒定磁场方向成右手螺旋关系, 即为左旋磁场, 而沿-z方向传输的圆极化磁场则是右旋磁场。可见，应在波导x=x1处放置铁氧体片, 并加上如图 5 - 31 所示的恒定磁场, 使Hi与传输波的工作频率ω满足 ω=ω0=γHi (5 - 4 - 5) 式中, ω0为铁氧体片的铁磁谐振频率；γ=2.8×103/4πHz·m/A, 为电子旋磁比。这时, 沿+z方向传输的波几乎无衰减通过, 而沿-z方向传输的波因满足圆极化谐振条件而被强烈吸收, 从而构成了谐振式隔离器。 应该指出的是，若在波导的对称位置x=x2=a-x1处放置铁氧体, 则沿+z方向传输的波因满足圆极化谐振条件而被强烈吸收, -z方向传输的波则几乎无衰减地通过。也就是单向传输的方向与前述情形正好相反。另外, 由于波导部分填充铁氧体, 主模TE10的场会有所变化, 因此实际铁氧体的位置与计算的略有差异。 2) 场移式隔离器 场移式隔离器是根据铁氧体对两个方向传输的波型产生的场移作用不同而制成的。 它在铁氧体片侧面加上衰减片, 由于两个方向传输所产生场的偏离不同, 使沿正向（-z方向）传输波的电场偏向无衰减片的一侧, 而沿反向（+z方