第六章 微波铁氧体元件与非线性元件

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。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。图单向器的连接信号源负载单向器第六章微波铁氧体元件与非线性元件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。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。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cos()cos()xxmxyymyEEtkzEEtkzxy按幅值是否相等与为不同的值，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。1、电磁波的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xy(1)、直线极化0,波的直线极化22cos()xmymEEtkzE任何瞬时的合成电场arctgarctgyymxxmEEEE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90,yx右旋圆极化§6.1微波在铁氧体中的传播特性(2)圆极化0xmymEEE90yx左旋圆极化00cos()sin()xxyxEEtkzEEtkz2222001yxEEEE220xyEEEE常数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|E|与x轴的夹角tgtg()()yxxxEtkzEtkz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微波在铁氧体中的传播特性(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xmymEExy，cos()cos()xxmxyymxEEEE222222cossinxyyxxmxmymymEEEEEEEE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§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。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）000022zEEEjjExxyxy6.1－2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[]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）0emmPP111.75910/eCkgm称为回磁比或旋磁比。e为电子电荷，m为电子电量。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：6.1－2铁氧体材料的基本性质1磁导率张量[]如果对自旋电子施加一个均匀的恒定磁场H0，该磁场将使电子的自旋动量矩P受到一个转矩矢量m0×0H0的作用，其方向按两个矢量叉乘规则定出，根据牛顿定律，这时电子自旋的运动方程为6.1－2铁氧体材料的基本性质(1)单电子的在均匀磁场H0中的自旋进动000ddtPmH0000()ddtmmH000zxxyyzzHmmmHimiii根据右边的坐标系得到并写为三个标量方程00000xyyxzdmHmdtdmHmdtdmdt0000sincos()sinsin()cosxmymzmmAtmAtmA通解000H式中Am、θ、φ0为积分常数单电子的自由进动示意图ω0称为回磁共振角频率6.1－2铁氧体材料的基本性质(1)单电子的在均匀磁场H0中的自旋进动000H单电子的自由进动示意图ω0称为回磁共振角频率这时电子的运动状态是：一方面电子具有固有的自旋运动，另一方面，由于其有自旋角动量P在恒定磁场H0作用下受到力矩m0×0H0的作用，电子自旋轴同时按右手螺旋方向绕H0旋转，这种复合运动即为进动。所以回磁共振角频率ω0又可称为电子的自旋进动角频率，进动角频率只与γ和H0的大小有关，而与m0及P无关，也与θ角的值无关22222222sinxyzmzxymmmmmAmmmAmm6.1－2铁氧体材料的基本性质(1)单电子的在均匀磁场H0中的自旋进动单电子的自由进动示意图在无损耗情况下，自旋进动将持续地进行；在实际上，电子要克服物质内部类似摩擦力的阻尼而损失能量，使得自旋的进动逐渐衰减，m0与H0的夹角θ逐渐变小，经过一段时间（约10-8秒量级），自旋进动停止，θ为零，m0与H0方向一致，形成附加的磁场，铁氧体就被磁化了。6.1－2铁氧体材料的基本性质(1)单电子的在均匀磁场H0中的自旋进动假定单位体积内有N个非平衡的电子自旋（磁偶极子），在外加恒定磁场H0作用下，使所有自旋磁矩m0与H0方向一致地平行排列起来，则总的磁化强度00NMm当只有恒定磁场H0作用时，M0就会在极短时间内以恒定磁场的方向排列，铁氧体也不会呈现各向异性。6.1－2铁氧体材料的基本性质(1)单电子的在均匀磁场H0中的自旋进动当偏置磁场H0↑就有更多偶极子与H0排成一线一直增加到全部偶极子排成一线为止，M达到上线此时材料达到饱和，用Ms表示饱和磁化强度值从300到5000高斯。低于饱和的情况在微波频率损耗很大。因此铁氧体通常工作在饱和状态下。Ms与材料的温度T有关T↑，Ms↓，在一定温度下TC（居里温度）Ms为零。6.1－2铁氧体材料的基本性质(2)单电子的在恒定H0与高频磁场共同作用中的自旋进动当恒定磁场与高频磁场共同作用时，铁氧体会呈现各向异性。将H与M都改写成直流分量和交变分量两部分0jttjttsHeMeHHzMMz0()tttddtMMH0,sHMHM假定我们可以得到高频磁场作用引起的磁化强度分量6.1－2铁氧体材料的基本性质0220220mxxyymxyyxj(2)单电子的在恒定磁场H0与高频磁场H共同作用中的自旋进动-磁导率张量[]022220002222000mmxxymmyxyzMHjHMjHHM00000xxxyyxyyMHH[]为磁化率张量ω0=γ0H0ωm=γ0M06.1－2铁氧体材料的基本性质(2)单电子的在恒定磁场H0与高频磁场H共同作用中的自旋进动-磁导率张量[]只有高频磁场的横向分量Hx、Hy才对铁氧体的交变磁化强度有贡献，而高频磁场的纵向分量Hz并不引起交变磁化强度。而且，当高频磁场的频率ω=ω0=γ0H0时，就会出现铁磁共振.高频磁场H与H0垂直，处于xy平面内必须条件：顺H0正方向看为右旋圆极化时才会产生铁磁谐振现象.6.1－2铁氧体材料的基本性质000()0()000jIjΒMHHMH000222200(1)mm(2)单电子的在恒定H0与高频磁场H1共同作用中的自旋进动[]为磁化率张量，[]为磁导率张量00000BHjxxBjHyyBHzzΒH影响磁导率张量的因数:为外加的磁场H0的大小与方向，还有材料的特性参量：饱和磁化强度Ms及工作频率。0jttHeHHzX00000jj00000jjYX或Y方向第六章微波铁氧体元件与非线性元件+HjHxy00mxmyMHMjH0MM+mxyHjMxyxy2、磁化铁氧体中的电磁波(a)右旋圆极化波00(1)m(b)左旋圆极化波HjHxy00(1)m1200(1)mpv1200(1)mpv圆极化波第六章微波铁氧体元件与非线性元件2、磁化铁氧体中的电磁波(a)右旋圆极化波00(1)m(b)左旋圆极化波00(1)m圆极化波第六章微波铁氧体元件与非线性元件当微波频率与电子进动频率0相等时，+趋于无限大，这就是说，0对+来说是一个谐振点，而-不存在谐振点，这种现象称为铁氧体的回磁（回旋）谐振现象。回旋共振微波的元件的直流外加磁场应该与微波高频磁场垂直。（1）回旋共振（谐振）现象0对于矩形波导TE10模式H0⊥H16.1－2铁氧体材料的基本性质铁氧体的铁磁谐振效应，是指当ω=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