什么是微波铁氧体器件?

什么是微波铁氧体器件?

[拼音]：weibo tieyangti qijian

[外文]：microwave ferrite device

利用铁氧体材料（见磁性材料）的旋磁效应制成的微波器件。这种器件在微波电路中对微波信号或能量起隔离、环行、方向变换、相位控制、幅度调制或频率调谐等作用，广泛用于雷达、通信、无线电导航、电子对抗、遥控、遥测等微波系统以及微波测量仪器中。隔离器和环行器是1951年由C.L.霍根发明的。随后许多新型线性器件，如相移器、开关、调制器等相继出现。1957年H.苏耳发明了微波铁氧体参量放大器，发展了非线性器件，虽然未能达到实用，但对其他参量器件的发展起了促进作用。60年代初，磁调滤波器、磁调振荡器等研制成功，在电子对抗技术和微波测量仪器中得到应用。以后各种微波铁氧体器件继续发展，成为一类重要的微波器件。

基本原理

微波铁氧体器件是利用铁氧体的旋磁效应制成的。铁氧体的旋磁效应来自电子自旋运动。一个带有负电荷的电子作自旋运动必然同时具有角动量及磁矩。如这个电子的角动量为P，磁矩为M，则磁矩与角动量的比值称为旋磁比，用γ代表

M/P＝-γ (1)

在图1中，电子自旋磁矩M受到直流恒定磁场H0的作用时，磁矩的进动方程式为

dM/dt＝-γ M×H0 (2)

M围绕H0按右旋方向进动， 这种进动也称拉莫尔进动。进动角频率为

ω0＝γH0 (3)

由于进动有能量损耗，M与H0的夹角θ会逐渐变小，最后M完全重合在H0的方向上。如果在垂直于H0的方向上加一高频交变磁场h，则能弥补进动的能量损耗，使M的进动可以维持下去。当交变磁场的频率ω与M进动频率ω0相等时，进动的幅度达到最大。这就是铁磁共振现象。这时高频交变磁场的频率称为铁磁共振频率。

旋磁介质材料在产生铁磁共振时，它的磁导率是一个张量，可写为

(4)

式中μ、k是M、γ、H0以及ω的函数。而交变磁感应强度b和交变磁场强度h的关系为

b＝


0μh

式中


称为旋磁张量磁导率，也称坡耳德尔张量。它的物理意义是在没有磁化的情况下，旋磁介质可以近似地认为是均匀的各向同性的，在外加直流恒定磁场H0的作用下，它就变为各向异性的。这时沿着x轴方向的磁场强度h所产生的磁感应强度 b的方向并不单纯沿着x轴方向，它除具有x方向的分量μnx外，同时还具有y方向的分量jkhx。μ项可以认为是h直接对b的贡献，而k项可以认为是一个耦合项，它把高频能量由一种极化转换为另一种极化。

由于旋磁介质具有各向异性的特性，电磁波在这种介质中传播就会产生一系列新的效应，如极化面旋转效应（法拉第旋转效应）、非互易场移效应、共振吸收以及张量磁导率的改变等，利用这些效应可制成多种类型的微波铁氧体器件。

材料

各种微波铁氧体器件的功能不同、工作频率不同，因而对微波铁氧体材料的性能要求也不同。一般要求材料有好的旋磁性和低的损耗。表征材料性能的主要参数有：饱和磁化强度及其温度系数、居里点、铁磁共振线宽、有效共振线宽、自旋波线宽、介电常数、介电损耗角正切等。微波铁氧体材料有许多品种，根据材料的成分和晶体结构分类，有石榴石型、尖晶石型和磁铝石型（六角晶系）等。根据材料的制造工艺和形态又分多晶材料、单晶材料和薄管膜材料。多晶铁氧体材料一般采用陶瓷工艺制造；微波铁氧体单晶用助熔剂法或提拉法生长；单晶薄膜材料用液相外延或气相外延工艺生长。

分类

微波铁氧体器件种类很多：按功能分，有隔离器、环行器、开关、相移器、调制器、磁调滤波器、磁调振荡器、磁表面波延迟线等；按结构形式分，有波导式、同轴式、带线式及微带式；按工作方式分，有法拉第旋转式、共振式、场移式、结式等；按所用材料分，有多晶铁氧体器件，单晶铁氧体器件，薄膜铁氧体器件。

隔离器

一种非互易的两端口微波铁氧体器件。它只容许电磁波单向通过，反方向传输的电磁波会产生很大的衰减，常用于振荡器与负载的隔离，消除电磁波反射造成的频率漂移等影响。对器件性能的主要要求是：正向衰减小（一般不超过0.5～1分贝），反向隔离大（一般大于20～30分贝），电压驻波比小(一般不大于1.10～1.25)，有一定的频带宽度，此外还应规定承受功率和工作温度等。

（1）法拉第旋转式隔离器：利用电磁波在纵向磁化的铁氧体棒中传播时极化面产生旋转(即法拉第旋转效应)制成的隔离器。这种隔离器结构比较复杂，承受功率低，工作频带窄，多用于毫米波段。

（2）共振式隔离器：利用铁氧体的铁磁共振特性（即对右圆极化波的高频磁场有共振吸收现象，而对左圆极化波不存在共振吸收）制成的隔离器。它又分为波导式、同轴式或带线式。这种隔离器体积小，可承受较大的功率，但频率很高时制作困难。

（3）场移式隔离器：当矩形波导中部分充填横向磁化的铁氧体时，则波导中电磁场的分布即与磁化方向和传播方向有关。这就是场移效应。利用这种效应可以制成场移隔离器，主要用在厘米波段。但所能承受的功率低，多用于低驻波、高隔离的精密微波测试系统中。

（4）边导模隔离器：当以横向磁化的铁氧体为介质的带线或微带中心导体宽度远大于铁氧体的厚度时，电磁波传播的主模式是边导模。这种模式的主要特点是当电磁波沿某一方向传播时，能量集中于带线的一边，当沿相反方向传播时，则能量集中于另一边。而且这种能量的集中与频率无关。利用这种模式可以制成边导模隔离器。这种隔离器结构简单，频带极宽，可以达到多倍频程。

（5）集总元件隔离器：一种各端口内部都与集总元件网络相连的隔离器。主要用于微波低频段和甚高频段，可以显著缩小隔离器的尺寸。

环行器

一种非互易的多端口微波铁氧体器件。在这种器件中输入任一端口的功率，都会按照一定顺序传输到下一个端口。图2为四端环行器，以1→2，2→3，3→4，4→1顺序传输;如果外加磁场反向，环行顺序也相反。环行器在微波电路中可用作双工器（在一个天线上同时进行接收和发射的双重 *** 作）和单端放大器(如二极管参量放大器)的输入和输出间的隔离。环行器的主要性能要求与隔离器相似。

（1）法拉第旋转式环行器：利用极化面旋转效应（法拉第效应）制成的环行器。它是早期应用的一种波导铁氧体微波器件，后来逐渐被结环行器所取代，但在毫米波段仍有应用。

（2）相移式环行器:由双T、方向耦合器和铁氧体相移器等组成（图3）。两个双T之间联结波导的电长度是相等的，而相移器仅对从左面输入的信号产生180°的相移。这样，由1臂输入的信号到达双 T


时是同相，从2臂输出；从2臂输入的信号到达双 T


时是反相，从 3臂输出。依此类推，即能实现1→2，2→3，3→4，4→1的环行。这种环行器可承受较高的功率。

（3）结环行器：在一个三端 120°轴对称的波导或带线结的中心放置铁氧体片，并垂直加上恒定磁场即构成一个 Y型结环行器。它具有结构简单、性能良好等优点。它可做成T型，为了满足微波集成电路的需要，可做成微带结环行器。

（4）集总参数环行器：在较低的微波频段，可以在Y型环行器的带线中心导体结处构成集总参数的电感，同时在各臂加上适当数值的电容来分别调谐各个臂。这样，就可用结构紧凑、体积小的集总参数元件来代替分布参数的带线，使环行器的体积大大减小。

铁氧体开关

利用铁氧体的旋磁效应制成的微波电路开关。常用环行器构成，通过改变外磁场方向来完成开关作用。波导式和同轴式铁氧体开关比较成熟，按磁路结构它们又可分为内回路式和外回路式。前者开关能量低，速度快；后者频带较宽。铁氧体开关一般采用锁式（或称数字式），开关时间可达微秒级，能承受较大的功率，插入损耗较小，多用于雷达、通信和其他微波系统中。

铁氧体相移器

利用铁氧体材料的磁化强度或张量磁导率随外加磁场的变化来改变传输电磁波相位的微波器件。微波铁氧体相移器的种类很多：按结构可分为波导式、同轴式、带线式或微带式相移器；按互易性可分为互易和非互易相移器；按工作方式（激励方式）可分为连续（模拟）和步进（数字）相移器；按功率容量可分为高功率和低功率相移器等。铁氧体相移器最主要的参数是品质因数（或称优值），以度／分贝表示，即1分贝衰耗时能达到的相移量。各种铁氧体相移器可用于相控阵雷达天线各单元的相位控制，在通信系统中也有广泛的应用。

铁氧体调制器

利用交变外磁场控制铁氧体材料旋磁效应，对电磁波进行调制的微波器件，如调相器、调幅器等。

铁氧体调相器用于对微波信号进行相位调制。它是在矩形波导中沿轴线方向放置一根铁氧体棒，波导外面绕上线圈而构成。当微波信号通过波导时，其相位即受由载流线圈产生的径向磁场而磁化的铁氧体棒的影响而发生变化。载流线圈的安匝数越大，相位改变也越大;反之越小。当线圈中通以交变电流时，则传输的微波受到调制而成为交变调相波。

铁氧体调幅器用于对微波信号进行幅度调制，其结构与调相器类似，不同的是在铁氧体中间夹有平行于波导宽边的喷涂镍铬合金电阻薄膜的云母片。当微波信号通过波导时，因受到磁化的铁氧体中电阻薄膜的影响而产生衰耗，衰耗量与载流线圈的安匝数成比例。因此，输出的微波信号的幅度也就随着衰耗大小而变化，成为微波调幅波。

磁调滤波器

钇铁石榴石等单晶具有很低的微波损耗，用钇铁石榴石单晶小球或圆盘作谐振器具有很高的Q值。谐振频率靠调谐外磁场而改变。利用这种现象制成的滤波器称为磁调滤波器或钇铁石榴石调谐滤波器。磁场的调谐往往用改变电流的方法来实现，因此又称电调滤波器。这种器件的特点是：调谐速度快且无机械运动，调谐线性好，调谐频率范围宽，主要用于电子对抗和微波仪器中。

磁调振荡器

利用钇铁石榴石单晶小球谐振器作为谐振回路元件的固体振荡器，通常又称钇铁石榴石调谐振荡器。它的主要特点是体积小，可在宽频带内磁调谐。主要用于电子对抗和微波仪器中。

微波铁氧体器件的应用日渐增多。大部分器件还需要提高性能、降低价格和进一步小型化、集成化、发展的重点将是电子对抗用的宽频带快速调谐器件、相控阵雷达用的相移器和通信卫星系统用的低损耗器件等。研究的重点是在具有信号处理功能的静磁波器件和高频段的毫米波器件方面。

参考书目

向仁生著：《微波铁氧体线性器件原理》，科学出版社，北京，1979。B.Lax and K.J.Button， Microwave Ferrites and Ferrimagnetics，McGraw-Hill，New York，1962.