microwav电子科大版
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
、锌、 镍、镉等或者是它们的混合物。
➢ 铁氧体的相对介电常数在10～20之间,εr较大t;g
➢ 铁氧体是良好的绝缘体，ρ很小即介质损耗 很低， 约在10-3～10-4之间，故可用于微波波段。
➢ 外加磁场下，μ各向异性，具有回旋媒质特性，为旋磁 媒质。各向异性（不同方向具有不同特性）材料，有 非互易特性，所制作的微波元件必定是非互易
d M M H M d M
dt
M
dt
铁氧体元件
➢ 张量磁化率与张量导磁率
铁氧体的磁化率是一个三阶张量，用 表示：
wk.baidu.comm
mx my mz
02 2 j m 02
0
2
j m 02 2 0m 02 2
0
0
0
hx hy
xx yx
0
hz
0
xy yy
→S ≠S
铁氧体元件
• 磁化铁氧体的张量磁化率和张量磁导率
➢ 电子的进动及进动方程
电子自旋在其自旋轴的两个方向上产生一个机械矩（或
称动量矩） P 和一个磁矩 （B 又称玻尔磁子），它们的
大小为
P1 h
2 2
B P
假定上述电子位于一均匀的恒磁场 H 0中，则 H 0会对电子
磁矩 B发生作用而产生一个转矩矢量 B H 0。
微波周期结构
8.3 微波周期结构--电磁慢波
导行波可分为三类：
① kc2 = 0 → TEM波 ② kc2 > 0 TE波或TM波 → 快波 ③ kc2 < 0 → 慢波 由
vp k
1
1
kc2 k2
v
1
2 c2
和
2
kc2
2 c
微波周期结构
真空时
有 ① kc2 = 0 v p= v → C
铁氧体元件
若取 ，2可得：
Ht Hx(ax jay)
该式代表一正旋圆极化或右旋圆极化波，即顺着外加恒 磁场方向看去，Ht随时间以固定振幅顺时针转的波，如 图所示：
铁氧体元件
若取 ，2 可得：
Ht Hx(ax jay)
该式代表为负旋圆极化或左旋圆极化波，即顺着外加恒 磁场方向看去，Ht随时间以固定振幅反时针转的波，如 图所示：
0
0 hx
0
hy
0 hz
铁氧体元件
➢ 铁氧体的张量磁导率为
1 xx xy 0 jk 0
0
I
0
yx
1 yy 0 jk
0
0
0 1 0 0 0
式中
0
1
xx
0
1
0m 02 2
jk
0 xy
j0
m 02 2
ω0→进动角频率；ωm＝μγMs；表征铁氧体饱和 磁化强度的重要参数是4πMs，一般300～5000高斯。
产生机理：一个线性极化波可以分解为两个旋转方向相 反的圆极化波，而这两个圆极化波在纵向磁化的铁氧体 媒质中传播的相速不同(相位常数不同)，因此，传播途 中不同距离上两圆极化波合成的线极化波的极化方向不 同，即极化面发生了旋转。如下图所示：
铁氧体元件
应当指出，由于线性极化波是恒定磁场(顺着磁场方向) 分为右旋和左旋圆极化波，因此，只要恒定磁场方向不 变，无论波沿+z方向或沿-z方向传播，极化面旋转方向 是不变的。这一特性称为法拉第旋转的非互易性。
铁氧体元件
当 0时，由
k
0(1
m 0
)
得知：
, ,
正旋圆极化波的相速为零，波不传播，这种现象称为铁 磁谐振。 注意：左旋波的旋转方向与进动方向相反，在任何频率 上都无法同步，故不发生谐振。因此，铁磁谐振仅对右 旋波而言。
铁氧体元件
2. 法拉第旋转效应 定义：线性极化波在纵向磁化铁氧体内传播过程中极化 而发生旋转的效应。
铁氧体元件
3. 场移效应 定义：场移效应是对放入导波系统中的铁氧体，外加横 向横磁场(垂直于波的传播方向)时，使导波场的分布产 生横向移动的效应。
• 微波铁氧体元件 隔离器—常用于微波源与负载之间，使全部功率传至负 载而反射功率不到微波源。 ➢ 场移式隔离器
分析方法： 电磁场方法
等效电路方法→微波网络
微波周期结构
所有的周期结构都具有如下共性： ①类似于滤波器的带通和带阻特性； ②周期结构上的导波为慢波，其相速度比未加载线
的相速度要慢。
微波周期结构
福罗奎（Floquet）定理： 将系统沿向移动周期长度的整数倍时，它与移动前的结 构完全重合，此时，在给定的稳态频率下，对于系统沿 中某个特定传输波型，它在某截面处的场与相隔周期长 度整数倍处的场仅仅相差一个复数常数。 福罗奎定理可用电场矢量表示成：
铁氧体元件
上述结果表明： 1.在铁氧体中沿恒定磁场方向传播的平面波，是圆极化
TEM波； 2.对于圆极化波，铁氧体的导磁率不在为张量而为标量，
这意味着磁化铁氧体媒质对圆极化波表现为各向同性， 但导磁率的大小与圆极化波的旋转方向有关。
8.6.2 旋磁效应、微波铁氧体元件 • 旋磁效应 1.铁磁谐振效应
铁氧体元件
由于电子有自旋运动，外加转矩的作用使 围B 绕着 H 0
不断地转动，称为拉摩进动。忽略阻尼作用时，磁矩的 进动为自由进动。如图所示：
铁氧体元件
磁化强度微扰外恒磁场 H 0的进动方程为
d M M H 0
dt
实际上铁氧体材料总是存在损耗的，损耗使自旋磁矩进
动受到阻尼，此时进动方程改写为：
② kc2 > 0 vp > v → C 快波
③ kc2 < 0 vp < v → C 慢波
用完全相同的电抗元件以周期性间隔加载的导行
系统称为微波周期结构。
可实现慢波传输。
属非谐振周期电路
与专门的滤波器电路有区别。
应用：微波行波管、微波直线加速器、铁氧体器件、行 波管量子放大器等。
两个基本特性：①通带/阻带特性；②慢波特性
铁氧体元件
• 平面电磁波在铁氧体中传播特性 假定铁氧体媒质均匀充满无限大空间，平面电磁波的传
播方向z与 H 0一致。沿z传播的平面波的电磁波为
E Ete j z H Hte j z
利用麦克斯韦方程，可求得
2 2 2 k 2 ( k) 2 2 ( k) 2
2 2 ( k) 2
E x, y, z,t E0t x, ye jt0z
其周期与周期结构的空间周期相同，记作L，即有
E0 x, y, z E0(x, y, z mL)
铁氧体元件
8.6 铁氧体元件
8.6.1 微波在铁氧体中的传播特性 • 铁氧体的一般性质 铁氧体是由金属氧化物混合烧结而成的磁性材料。其化学 表示一般为MO·Fe2O3，其中M代表二价金属如：锰、镁
➢ 铁氧体的相对介电常数在10～20之间,εr较大t;g
➢ 铁氧体是良好的绝缘体，ρ很小即介质损耗 很低， 约在10-3～10-4之间，故可用于微波波段。
➢ 外加磁场下，μ各向异性，具有回旋媒质特性，为旋磁 媒质。各向异性（不同方向具有不同特性）材料，有 非互易特性，所制作的微波元件必定是非互易
d M M H M d M
dt
M
dt
铁氧体元件
➢ 张量磁化率与张量导磁率
铁氧体的磁化率是一个三阶张量，用 表示：
wk.baidu.comm
mx my mz
02 2 j m 02
0
2
j m 02 2 0m 02 2
0
0
0
hx hy
xx yx
0
hz
0
xy yy
→S ≠S
铁氧体元件
• 磁化铁氧体的张量磁化率和张量磁导率
➢ 电子的进动及进动方程
电子自旋在其自旋轴的两个方向上产生一个机械矩（或
称动量矩） P 和一个磁矩 （B 又称玻尔磁子），它们的
大小为
P1 h
2 2
B P
假定上述电子位于一均匀的恒磁场 H 0中，则 H 0会对电子
磁矩 B发生作用而产生一个转矩矢量 B H 0。
微波周期结构
8.3 微波周期结构--电磁慢波
导行波可分为三类：
① kc2 = 0 → TEM波 ② kc2 > 0 TE波或TM波 → 快波 ③ kc2 < 0 → 慢波 由
vp k
1
1
kc2 k2
v
1
2 c2
和
2
kc2
2 c
微波周期结构
真空时
有 ① kc2 = 0 v p= v → C
铁氧体元件
若取 ，2可得：
Ht Hx(ax jay)
该式代表一正旋圆极化或右旋圆极化波，即顺着外加恒 磁场方向看去，Ht随时间以固定振幅顺时针转的波，如 图所示：
铁氧体元件
若取 ，2 可得：
Ht Hx(ax jay)
该式代表为负旋圆极化或左旋圆极化波，即顺着外加恒 磁场方向看去，Ht随时间以固定振幅反时针转的波，如 图所示：
0
0 hx
0
hy
0 hz
铁氧体元件
➢ 铁氧体的张量磁导率为
1 xx xy 0 jk 0
0
I
0
yx
1 yy 0 jk
0
0
0 1 0 0 0
式中
0
1
xx
0
1
0m 02 2
jk
0 xy
j0
m 02 2
ω0→进动角频率；ωm＝μγMs；表征铁氧体饱和 磁化强度的重要参数是4πMs，一般300～5000高斯。
产生机理：一个线性极化波可以分解为两个旋转方向相 反的圆极化波，而这两个圆极化波在纵向磁化的铁氧体 媒质中传播的相速不同(相位常数不同)，因此，传播途 中不同距离上两圆极化波合成的线极化波的极化方向不 同，即极化面发生了旋转。如下图所示：
铁氧体元件
应当指出，由于线性极化波是恒定磁场(顺着磁场方向) 分为右旋和左旋圆极化波，因此，只要恒定磁场方向不 变，无论波沿+z方向或沿-z方向传播，极化面旋转方向 是不变的。这一特性称为法拉第旋转的非互易性。
铁氧体元件
当 0时，由
k
0(1
m 0
)
得知：
, ,
正旋圆极化波的相速为零，波不传播，这种现象称为铁 磁谐振。 注意：左旋波的旋转方向与进动方向相反，在任何频率 上都无法同步，故不发生谐振。因此，铁磁谐振仅对右 旋波而言。
铁氧体元件
2. 法拉第旋转效应 定义：线性极化波在纵向磁化铁氧体内传播过程中极化 而发生旋转的效应。
铁氧体元件
3. 场移效应 定义：场移效应是对放入导波系统中的铁氧体，外加横 向横磁场(垂直于波的传播方向)时，使导波场的分布产 生横向移动的效应。
• 微波铁氧体元件 隔离器—常用于微波源与负载之间，使全部功率传至负 载而反射功率不到微波源。 ➢ 场移式隔离器
分析方法： 电磁场方法
等效电路方法→微波网络
微波周期结构
所有的周期结构都具有如下共性： ①类似于滤波器的带通和带阻特性； ②周期结构上的导波为慢波，其相速度比未加载线
的相速度要慢。
微波周期结构
福罗奎（Floquet）定理： 将系统沿向移动周期长度的整数倍时，它与移动前的结 构完全重合，此时，在给定的稳态频率下，对于系统沿 中某个特定传输波型，它在某截面处的场与相隔周期长 度整数倍处的场仅仅相差一个复数常数。 福罗奎定理可用电场矢量表示成：
铁氧体元件
上述结果表明： 1.在铁氧体中沿恒定磁场方向传播的平面波，是圆极化
TEM波； 2.对于圆极化波，铁氧体的导磁率不在为张量而为标量，
这意味着磁化铁氧体媒质对圆极化波表现为各向同性， 但导磁率的大小与圆极化波的旋转方向有关。
8.6.2 旋磁效应、微波铁氧体元件 • 旋磁效应 1.铁磁谐振效应
铁氧体元件
由于电子有自旋运动，外加转矩的作用使 围B 绕着 H 0
不断地转动，称为拉摩进动。忽略阻尼作用时，磁矩的 进动为自由进动。如图所示：
铁氧体元件
磁化强度微扰外恒磁场 H 0的进动方程为
d M M H 0
dt
实际上铁氧体材料总是存在损耗的，损耗使自旋磁矩进
动受到阻尼，此时进动方程改写为：
② kc2 > 0 vp > v → C 快波
③ kc2 < 0 vp < v → C 慢波
用完全相同的电抗元件以周期性间隔加载的导行
系统称为微波周期结构。
可实现慢波传输。
属非谐振周期电路
与专门的滤波器电路有区别。
应用：微波行波管、微波直线加速器、铁氧体器件、行 波管量子放大器等。
两个基本特性：①通带/阻带特性；②慢波特性
铁氧体元件
• 平面电磁波在铁氧体中传播特性 假定铁氧体媒质均匀充满无限大空间，平面电磁波的传
播方向z与 H 0一致。沿z传播的平面波的电磁波为
E Ete j z H Hte j z
利用麦克斯韦方程，可求得
2 2 2 k 2 ( k) 2 2 ( k) 2
2 2 ( k) 2
E x, y, z,t E0t x, ye jt0z
其周期与周期结构的空间周期相同，记作L，即有
E0 x, y, z E0(x, y, z mL)
铁氧体元件
8.6 铁氧体元件
8.6.1 微波在铁氧体中的传播特性 • 铁氧体的一般性质 铁氧体是由金属氧化物混合烧结而成的磁性材料。其化学 表示一般为MO·Fe2O3，其中M代表二价金属如：锰、镁