第八章 微波铁氧体器件

第八章微波铁氧体器件

§8－1 概论

铁氧体：是一种铁磁材料，它是由二价金属锰、铜、镁、锌、镍、钇等氧化物与烧结而成的多晶或单晶材料，外表很象陶瓷。

工作条件：外加恒定磁场。

在此恒定磁场作用下，铁氧体内部的电子产生进动，使铁氧体具有张量磁导率，成为各向异性媒质，具有非互易性。

特点：1. 有较大的磁导率; 2. 有很高的电阻率（一般在欧姆/厘米之间）。

所以铁氧体的趋肤深度()较大，微波电磁场能够深入到铁氧体内部，从而使铁氧体的非互易特性能够对微波电磁场起作用，因此利用铁氧体可以构成非互易器件。

§8－2 铁氧体中的张量磁导率

铁氧体在未加恒定磁场时是一种高介电常数的介质，此时铁氧体呈各向同性特性，磁导率和介电常数都是标量，但在外加恒定磁场作用下，铁氧体具有各向异性特性，磁导率变成了张量。

张量磁导率的表示式与外加恒定磁场的方向有关，当外加恒定磁场强度矢量沿+方向，即时，张量磁导率的表达式为

(8-2.1)上式中

(8-2.2)而其中

(8-2.3)上两式中，是磁化强度，是磁场强度，e是自由电子电荷，m是自由电子质量，是荷质比。

此时外加微波磁场强度矢量与铁氧体内部磁化后的磁感应强度矢量的关系为

(8-2.4)亦即

(8-2.5)展开式(8-2.4)，则有

(8-2.6)上式表明，铁氧体中的高频磁感应强度矢量的方向与磁场强度矢量的方向并不完全一致，和的量值都是既取决于分量，又取决于分量，表现为各向异性特性。

显然，张量磁导率使问题变得复杂化，但是如果微波电磁场是沿着方向传播的圆极化波，即与两分量的关系为

(8-2.7)则张量磁导率将退化为标量磁导率。

正旋圆极化波：微波圆极化波磁场矢量的旋转方向与恒定磁场矢量成右手螺旋关系。此时式（8-2.7）中，取“－”号。

负旋圆极化波：微波圆极化波磁场矢量的旋转方向与恒定磁场矢量成左手螺旋关系。此时式(8-2.7)取“＋”号。

在这两种情况下，式(8-2.6)将变为

(8-2.8)即

(8-2.9)上式等号右边的“－”号对应于正旋圆极化波，而“＋”号对应于负旋圆极化波。可见，与正旋波和负旋波相应的等效磁导率分别为

(8-2.10)从上式可以看出，铁氧体被恒定磁场磁化后，对正、负旋圆极化波所呈现的等效磁导率是不同的，因此，尽管这种情况下磁导率是标量，但铁氧体仍然是各向异性媒质，而未磁化的铁氧体却是各向同性媒质，二者是有区别的。

将式(8-2.2)代入式(8-2.10)中，可得关系式，由此关系式可做出的曲

线，如图8-2.1所示。由图可见，磁化铁氧体对于负旋圆极化波所呈现的磁导率与普通非铁磁物质相似，几乎与外加磁场无关；对于正旋圆极化波所呈现的磁导率，曲线以为界分成两支，是使电子进动角频率等于高频场频率时的恒定磁场强度。当时，小于，可能为零，甚至是负值；当时，趋向无穷大，呈现铁磁共振现象；当，并在附近时，的数值很大；当很大时，和趋于相等，铁氧体磁导率的这些特点就是构成微波铁氧体器件的基础。当恒定磁场使时，称铁氧体工作在弱场区；当恒定磁场使时，称铁氧体工作在强场区；当时，称铁氧体工作在谐振状态。

§8－3 场移式铁氧体隔离器（单向器）

场移式铁氧体隔离器是利用铁氧体在外加直流磁场作用下对正、负

旋圆极化波具有不同磁导率的特性而制成的，因此，为弄清场移式铁氧体隔离器的工作原理，必须了解矩形波导中主模模的场分布情况及其圆极化波的分布情况和特性。

结论：当为+方向时，沿传输方向看去，左侧一点为正旋波，右侧一点为负旋波。当为-方向时，结论刚好相反。

选定恒定磁场，使铁氧体工作在弱场区，且使接近于零。

隔离器又叫单向器，用图8-3.3所示符号表示。沿隔离器的箭头方向传输时，波几乎无衰减，而反向传输时，波衰减很大，几乎不能通过。

利用铁氧体还可以构成非互易的移相器，其结构与场移式铁氧体隔

离器类似，只要将铁氧体表面的吸收膜去掉即可。因为磁化铁氧体片对正向波和负向波呈现不同的磁导率，而相移常数)与磁导率有关，所以磁化铁氧体片对不同方向传输的波的相移不同，可以构成非互易的移相器。

§8－4 铁氧体环行器

能量在端口间沿环行器的箭头方向传输，不能反向传输，这是非互易效应。

理想三端口环形器的s参数：

1．相移式铁氧体环行器

由第六章知识可得3分贝裂缝电桥的[]为

(8-4.1)于是，对于第一个3分贝裂缝电桥，有

对于第二个3分贝裂缝电桥，有

(8-4.3)

因为

(8-4.4)所以，将上式代入式(8-4.2)、(8-4.3)，并消去端口()、()、()、()的入、反射波电压，得

由上式可见，以上各种情况下的输入、输出波大小相等，因此，该四端口网络为从端口的四端口环行器。

2．Y型波导环行器

Y型波导环行器的结构如图8-4.3所示，它是在一个沿宽边互成的三

分支波导的中心处放置一块三角形铁氧体片，并给铁氧体片加以恒定磁场而制成的，外加恒定磁场的方向如图所示，它使铁氧体片的。当波从端口（1）输入时，在分支中心处，由于沿传输方向看去，左侧一圆极化波点处为正旋圆极化波，铁氧体呈现接近于零的磁导率，右侧一圆极化波点处为负旋圆极化波，铁氧体呈现大于的磁导率，因此，波将偏到波导分支（2），并由端口（2）输出，端口（3）几乎无输出；同理，

当波从端口（2）输入时，波将偏到波导分支（3），并由端口（3）输出，端口（1）几乎无输出；当波从端口（3）输入时，波将偏到波导分支（1），并由端口（1）输出，端口（2）几乎无输出。

可见，该结构为从端口的三端口环行器。

应用举例：微波通信系统中终端站的分路系统

第8章习题

8-1 在场移式铁氧体隔离器中

（1）若把外加恒定磁场的方向改为与原来相反的方向，则隔离性能有什么变化？

（2）若外加恒定磁场的方向不变，但把铁氧体片移到波导另一窄壁附近的相应位置处，则隔离性能又有什么变化？

8-2 试分析如图所示的铁氧体器件是否是隔离器？若是，那么隔离器的传输方向是进入纸面还是离开纸面？

*8-3 写出下列各种理想网络的[s]。

（1）理想互易移相器；

（2）理想隔离器；

（3）理想三端口环行器。

*8-4 用两个三端口环行器连接构成一个四端口环行器，如图所示，试写出四端口环行器的散射参量矩阵[s]。

*8-5 一个魔T和一个三端口环行器相连接，如图所示，写出这个五端口网络的散射参量矩阵[s]。