微波技术基础第26次课
应用:隐身衣
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、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; 铁氧体是良好的绝缘体,ρ很小即介质损耗 tg 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
铁氧体元件
圆极化式移相器 将矩形波导TE10模经极化变换器变换为圆波导中的圆极 化波,再利用圆极化波在铁氧体中相位常数随外恒磁场 H0的变化而获得给定相移。
铁氧体元件
铁氧体侧面上贴一薄电阻片(或电阻膜层),电阻片可将 反向波吸收掉而只传输正向波,从而构成了一个隔离器, 如图:
E反 E正
H0对Hz作用
缺点:因靠电阻片吸收反射波,故仅适用于低功率。
铁氧体元件
谐振式隔离器 利用铁氧体对右旋圆极化波产生谐振吸收的特性可作成 谐振式隔离器。
可用于高功率系统。
ω - β曲线
斜率表 相速
切点斜率 表群速
实际的周期系统对于电磁波存
快波区
在许多通带,在这些通带之间 是阻带,处于阻带频率的电磁 波无法在周期结构中传播。每 一个通带对应结构中的一种传
播模式,每个模式都是由各个
慢波区 慢波区
空间谐波叠加而成的沿z 呈非 正弦分布的行波。
周期结构的应用
1、电磁带隙结构(EBG)
Floquet定律
(回顾)规则导行系统或均匀导行系统(前面章 节介绍的):电磁波传输方向(设为z 方向)满 足连续平移对称性,系统的横截面形状、尺寸和 材料沿z 不变,即边界条件沿z 方向是均匀的。 在任意两个截面上,场沿横截面的分布函数相同 ,仅在振幅和相位上有所差别。
Floquet定律
→Sij≠Sji
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 1 h P 2 2
B P
普朗克常量
旋磁比
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 有三种旋磁效应 1.铁磁谐振效应
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
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
铁氧体元件
当 0 时,由 得知:
k 0(1 m ) 0
, ,
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。——
0
0 hx xx 0 hy yx hz 0 0
xy yy
0
0 hx h 0 y 0 hz
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铁氧体的张量磁导率为
xy 0 1 xx jk 0 I 0 1 0 yy yx 0 1 0 0 式中 0m 0 1 xx 0 1 2 2 0
jk
0
0 0 0
m jk 0 xy j 0 2 0 2
ω 0→进动角频率;ωm=γMs;表征铁氧体饱和 磁化强度的重要参数是4πMs,一般300~5000高斯。
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 j z E Ete j z H H te
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 。
铁氧体元件
由于电子有自旋运动,外加转矩的作用使 B 围绕着 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
法拉第旋转式隔离器 它由一段扭转45°的矩形波导和一段45°法拉第旋转圆波 导相连,圆波导的另一端为圆到矩形变换器。
铁氧体元件
铁氧体非互易移相器—利用铁氧体导磁率随外加恒磁场 而变化的特性使输入和输出端口之间产生给定相移的两 端口元件。 法拉第旋转式移相器 使用90°矩形扭波导和90°法拉第旋转圆波导段,输入 和输出波导中没有电阻片。 结构如下图所示: Ø
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:
0m 2 2 mx 0 m j m y 2 2 0 2 0m 02 2
非规则导行系统,是指边界条件沿电磁波传输 方向不满足连续平移对称的导行结构。其中最 常用的是周期性导行系统,如前所述,周期系 统的边界条件沿电磁波传输方向满足离散平移 对称性。
可以证明在周期系统中, 期为p的周期函数。
是z 的周
空间谐波
对于周期系统,场沿横截面的分布函数F (x ,y ,z) 沿传 输方向z 呈周期性变化,是z的周期函数,故可以用傅里叶分 析,将其按周期p 展开为傅里叶级数:
a铁磁谐振效应、b场移效应、c法拉第旋转效应 隔离器、环行器、移相器
铁氧体元件以及分别利用了什么效应
微波周期结构用途
周期结构对电磁波具有独特的响应。 因此,周期结构在微波领域具有较好的利用价 值,能广泛应用在微波行波管、滤波器、移相 器和天线等装置中。
微波周期结构
1、微波周期结构的基本性质 平移对称性与周期系统 将系统沿一定方向移动一个距离,若移动后的系统与 原系统重合,则称该系统在该方向上具有平移对称性 。 若移动距离是任意的,平移对称性都能得到满足,则 称系统为连续平移对称系统; 若移动距离必须是某个值的整数倍,才能满足平移对 称性,则称系统为离散平移对称系统,或称为周期性 系统 最小移动距离就是周期系统的空间周期长度p 。
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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。 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:
色散特性
电磁波相移常数与频率的关系。
周期系统中空间谐波的相移常数βn 与基波相移常数β0 的关系为
空间谐波的相移常数βn 都可以由上式求出。把基波 的ω - β曲线沿β 轴平移2 nπ/p(或k0 p - βp 曲线沿βp 轴平移2 nπ)就可以得到各次空间谐波 的色散图形,因此周期系统的ω - β图是一个周期 性曲线。
n同一频率在周期性边界激励起的不 同高次模的模式号——空间谐波。
空间谐波的相速与群速度
可见各次空间谐波的相速度不同,而群速度却是相同的; n 越大,相速度越小,即随着谐波次数升高,空间谐波的 相速度越慢。 由于各次谐波的相速度不同,在传播过程中,各空间谐波 之间的相位关系将会不断发生变化,由它们叠加而成的总 场在传播过程中会发生相位畸变,即波形在不断变化。
微波技术基础
徐锐敏 教授
电子科技大学电子工程学院 地点:清水河校区科研楼C309 电话:61830173 电邮:rmxu@
内容
周期结构、Floquet定律、空间谐波 色散特性、布里渊图 慢波结构(相速) 左手材料(E,H,K关系也即相速与群速关系) ————————————————————————— 铁氧体——非互易网络——实现不可逆元件 电磁波在铁氧体中传播的一般性质 铁氧对电磁波作用的三个旋磁效应为:
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 ,可得:
2
H t 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:
铁氧体元件
磁化强度微扰外恒磁场 H 0 的进动方程为 dM 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:
dM dM M H M dt dt M
FSS,频率选择表面 电磁带隙结构是周期结构,具有周期结构的共性, 对电磁波的响应既有通带也有阻带。分析方法仍以 数值计算/仿真为主,通过全波分析软件,可以直 接得到EBGs 的S 参数、色散关系等参量。 滤波器,天线等