第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
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Exm Eym E0 y x 90o 左旋圆极化
y x 90o,右旋圆极化
Ex E0 cos(t kz x ) Ey mE0 sin(t kz x )
E Ex2 Ey2 E0 常数
Ex2 E02
Ey2 E02
1
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
§6.1微波在铁氧体中的传播特性
在非互易器件中, 微波技术中应用很广泛的非互易材料是 铁氧体。
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。现发展为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。
Ex Exm cos(t kz x )
Ey
E ym
cos(t
kz
y
)
按 幅值是否相等与 x y 为不同的值，将电磁波分为电
磁波的极化分为直线极化、圆极化与椭圆极化。
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
§6.1微波在铁氧体中的传播特性
(1)、直线极化
0,
x y
任何瞬时的合成电场
波的直线极化
E Exm2 Eym2 cos(t kz )
arc tg Ey arc tg Eym
Ex
Exm
显然，ө将是一个固定值，不会随时间而变，合成场E的端点轨迹将是一直 线，它随时间的变化实际上就只是随Ex、Ey大小的变化作相应升长或缩短
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件 §6.1微波在铁氧体中的传播特性 (2)圆极化
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
单向器
信号源
负载
图 单向器的连接
本章将介绍这类最重要的微波元件 非互易元件：由于包含具有各向异性特性的铁氧体材料而使 元件呈现非互易性，如铁氧体隔离器、环行器等。
非线性元件：因元件中包含有半导体器件而具有非线性特性 ， 主要介绍检波器。
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
§6.1微波在铁氧体中的传播特性 前面讨论的直线极化和圆极化都可以看作椭圆极化的特例。
而直线极化可以分解成两个幅值相等旋转方向相反的圆极化 的合成; 一， 个圆极化电场也可以分解成两个幅值相等，相位相差90° 的线极化电场。所谓直线极化、圆极化以及椭圆极化只是它 们在垂直传播方向的平面上的投影的形状。
为了解决这样的问题, 最好在负载和信号源之间接入一个 具有不可逆传输特性的器件,即微波从振荡器到负载是通行的 反过来从负载到振荡器是禁止通行的。这样当负载不匹配时, 从负载反射回来的信号不能到达信号源, 从而保证了信号源的 稳定, 这种器件具有单向通行、反向隔离的功能, 因此称为单 向器或隔离器。
另一类非互易器件是环行器, 它具有单向循环流通功能。
|E|与x轴的夹角
tg
Ey Ex
mtg(t
kz
x)
m(t kz x )
可见，合成场的大小不随时间改变，但方向却随时在改 变，其矢量端点在一个圆上以角速度ω旋转
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
§6.1微波在铁氧体中的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ播特性
(3)椭圆极化
最一般的情况是电场的两个分量振幅和相位都不相等
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
本章内容： 微波铁氧体材料的微观性质； 波在磁化铁氧体中传播特性； 铁氧体材料的非互易特性：法拉第效应；铁磁谐振效应；
场移效应； 非互易的微波元件：隔离器，环形器； 非线性元件：检波器
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
前面介绍的各种微波元件, 都是线性、互易的(元件的性能与 入射波方向无关) , 但在许多情况下, 我们却需要具有非互易性 的器件。例如, 在微波系统中, 负载的变化对微波信号源的频 率和功率输出会产生不良影响, 使振荡器性能不稳定。
E，xm Eym x y
Ex Exm cos( x ) Ey Eym cos( x )
Ex2 E xm 2
2Ex Ey cos
Exm Eym
Ey2 E ym 2
sin2
当>0时，它按逆时针方向旋转（右旋）
当<0时，它按顺时针方向旋转（左旋）
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
复习一下有关电磁波极化的基本知识。
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
§6.1微波在铁氧体中的传播特性 1、电磁波的极化
波的极化：指电场或磁场矢量端点运动轨迹的形状、取向 和旋转方向，而且规定观察者沿着波传播方向观察到的电 场或磁场矢量端点旋转方向为极化旋转方向 。
对于平面电磁波，若波沿Z轴传播，则电场将存在Ex、Ey两个分量
m0
e m
P
P
e 1.759 1011C / kg
m
称为回磁比或旋磁比。e为电子 电荷，m为电子电量。
6.1－2铁氧体材料的基本性质
1 磁导率张量[]
铁氧体的相对介电常数为10~20,
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; 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。
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
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。由于磁化铁 氧体对电磁波的效应与波的极化密切相关，因此我们有必要先
6.1－2铁氧体材料的基本性质
1 磁导率张量[]
(1)单电子的在均匀磁场H0中的自旋进动（铁氧体的磁化过程）
一种材料的磁性是由于磁偶极矩的存在，磁偶极矩主要是由每 个分子含有一个未成对的电子自旋引起的，按量子力学考虑， 这些电子自旋运动，就会在自旋轴的两个方向上产生一个自旋 角动量矩P和一个磁矩m0，P和m0之间的关系为：
如对一个直线极化场可以分解成两个幅值相等旋转方向相反 的圆极化的合成. (一般是对恒定磁场（顺着磁场方向分为右 旋与左旋圆极化波）
E
z 0
xE0
E0 2
x
jy
E0 2
x
jy
6.1－2铁氧体材料的基本性质
材料的性质主要通过， ， 等参数体现对铁氧体的 性质主要通过体现。 一般材料的磁导率为标量，在铁氧体中某些情况下也 为标量，大多数情况下为张量[]
y x 90o,右旋圆极化
Ex E0 cos(t kz x ) Ey mE0 sin(t kz x )
E Ex2 Ey2 E0 常数
Ex2 E02
Ey2 E02
1
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
§6.1微波在铁氧体中的传播特性
在非互易器件中, 微波技术中应用很广泛的非互易材料是 铁氧体。
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。现发展为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。
Ex Exm cos(t kz x )
Ey
E ym
cos(t
kz
y
)
按 幅值是否相等与 x y 为不同的值，将电磁波分为电
磁波的极化分为直线极化、圆极化与椭圆极化。
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
§6.1微波在铁氧体中的传播特性
(1)、直线极化
0,
x y
任何瞬时的合成电场
波的直线极化
E Exm2 Eym2 cos(t kz )
arc tg Ey arc tg Eym
Ex
Exm
显然，ө将是一个固定值，不会随时间而变，合成场E的端点轨迹将是一直 线，它随时间的变化实际上就只是随Ex、Ey大小的变化作相应升长或缩短
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件 §6.1微波在铁氧体中的传播特性 (2)圆极化
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
单向器
信号源
负载
图 单向器的连接
本章将介绍这类最重要的微波元件 非互易元件：由于包含具有各向异性特性的铁氧体材料而使 元件呈现非互易性，如铁氧体隔离器、环行器等。
非线性元件：因元件中包含有半导体器件而具有非线性特性 ， 主要介绍检波器。
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
§6.1微波在铁氧体中的传播特性 前面讨论的直线极化和圆极化都可以看作椭圆极化的特例。
而直线极化可以分解成两个幅值相等旋转方向相反的圆极化 的合成; 一， 个圆极化电场也可以分解成两个幅值相等，相位相差90° 的线极化电场。所谓直线极化、圆极化以及椭圆极化只是它 们在垂直传播方向的平面上的投影的形状。
为了解决这样的问题, 最好在负载和信号源之间接入一个 具有不可逆传输特性的器件,即微波从振荡器到负载是通行的 反过来从负载到振荡器是禁止通行的。这样当负载不匹配时, 从负载反射回来的信号不能到达信号源, 从而保证了信号源的 稳定, 这种器件具有单向通行、反向隔离的功能, 因此称为单 向器或隔离器。
另一类非互易器件是环行器, 它具有单向循环流通功能。
|E|与x轴的夹角
tg
Ey Ex
mtg(t
kz
x)
m(t kz x )
可见，合成场的大小不随时间改变，但方向却随时在改 变，其矢量端点在一个圆上以角速度ω旋转
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
§6.1微波在铁氧体中的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ播特性
(3)椭圆极化
最一般的情况是电场的两个分量振幅和相位都不相等
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
本章内容： 微波铁氧体材料的微观性质； 波在磁化铁氧体中传播特性； 铁氧体材料的非互易特性：法拉第效应；铁磁谐振效应；
场移效应； 非互易的微波元件：隔离器，环形器； 非线性元件：检波器
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
前面介绍的各种微波元件, 都是线性、互易的(元件的性能与 入射波方向无关) , 但在许多情况下, 我们却需要具有非互易性 的器件。例如, 在微波系统中, 负载的变化对微波信号源的频 率和功率输出会产生不良影响, 使振荡器性能不稳定。
E，xm Eym x y
Ex Exm cos( x ) Ey Eym cos( x )
Ex2 E xm 2
2Ex Ey cos
Exm Eym
Ey2 E ym 2
sin2
当>0时，它按逆时针方向旋转（右旋）
当<0时，它按顺时针方向旋转（左旋）
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
复习一下有关电磁波极化的基本知识。
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
§6.1微波在铁氧体中的传播特性 1、电磁波的极化
波的极化：指电场或磁场矢量端点运动轨迹的形状、取向 和旋转方向，而且规定观察者沿着波传播方向观察到的电 场或磁场矢量端点旋转方向为极化旋转方向 。
对于平面电磁波，若波沿Z轴传播，则电场将存在Ex、Ey两个分量
m0
e m
P
P
e 1.759 1011C / kg
m
称为回磁比或旋磁比。e为电子 电荷，m为电子电量。
6.1－2铁氧体材料的基本性质
1 磁导率张量[]
铁氧体的相对介电常数为10~20,
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; 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。
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
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。由于磁化铁 氧体对电磁波的效应与波的极化密切相关，因此我们有必要先
6.1－2铁氧体材料的基本性质
1 磁导率张量[]
(1)单电子的在均匀磁场H0中的自旋进动（铁氧体的磁化过程）
一种材料的磁性是由于磁偶极矩的存在，磁偶极矩主要是由每 个分子含有一个未成对的电子自旋引起的，按量子力学考虑， 这些电子自旋运动，就会在自旋轴的两个方向上产生一个自旋 角动量矩P和一个磁矩m0，P和m0之间的关系为：
如对一个直线极化场可以分解成两个幅值相等旋转方向相反 的圆极化的合成. (一般是对恒定磁场（顺着磁场方向分为右 旋与左旋圆极化波）
E
z 0
xE0
E0 2
x
jy
E0 2
x
jy
6.1－2铁氧体材料的基本性质
材料的性质主要通过， ， 等参数体现对铁氧体的 性质主要通过体现。 一般材料的磁导率为标量，在铁氧体中某些情况下也 为标量，大多数情况下为张量[]