微波技术课件第四章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,4,章 无源微波器件,4.1,微波网络基础,4.2,匹配元件和连接元件,4.3,分路元件,4.4,定向耦合器,4.5,三分贝电桥,4.6,微波衰减器和滤波器,4.7,微波铁氧体器件,4.1,微波网络基础,4.1.1,概述,1.,微波网络的概念与分类,概念：为避开微波器件的内部场结构，将其视为具有几个端口的微波网络，再用类似于低频网络的方法处理，称之为微波网络方法。,分类：,分类方法,类 型,按端口数量分,一口网络、二口网络、多口网络,按几何对称性分,对称网络、非对称网络,按物理对称性分,互易网络、非互易网络,按功率损耗分,无耗网络、有耗网络,按变换类型分,线性网络、非线性网络,4.1.1,概述,2.,微波网络的特点,（,1,）必须针对确定的模式。,（,2,）必须针对确定的参考面。只有参考面确定，对应的网络参量才能确定。,（,3,）端口的电压、电流宜用归一化值。,电压：,进波：,归一化进波：,出波：,归一化出波：,4.1.1,概述,2.,微波网络的特点,序号,非归一化形式,归一化形式,1,2,3,4,5,6,表,4-1-2,分析微波网络时的一些基本关系式,4.1.2,二口网络的网络参量,1.,转移参量（,A,参量）,（,1,）归一化转移参量,图,4-1-1,二口网络及端口的电压、电流,4.1.2,二口网络的网络参量,（,2,）转移参量的物理意义,表示端口,2,开路时，端口,2,至端口,1,的,电压转移系数,表示端口,2,短路时，端口,2,至端口,1,的转移阻抗。,表示端口,2,开路时，端口,2,至端口,1,的转移导纳。,表示端口,2,短路时，端口,2,至端口,1,的,电流转移系数。,4.1.2,二口网络的网络参量,例,4-1-1,：,串联阻抗单元电路如图所示，推导该单元电路的,A,矩阵。,端口,2,开路时,端口,2,短路时,图,4-1-2,串联阻抗单元电路,解：,4.1.2,二口网络的网络参量,（,3,）转移参量的性质,（,4,）转移参量的传递性,若网络对称，,有,a,=,d,。,若网络互易，由,ad,-,bc,=1,。,若网络无耗，有,a,、,d,为实数，,b,、,c,为纯虚数。,图,4-1-3,二口网络的级联,4.1.2,二口网络的网络参量,2.,散射参量（,S,参量）,定义：,物理意义：,表示端口,2,接匹配负载时，端口,1,处的反射系数。,表示端口,1,接匹配负载时，端口,2,处的反射系数。,表示端口,1,接匹配负载时，端口,2,至端口,1,的,电压传输系数。,表示端口,2,接匹配负载时，端口,1,至端口,2,的,电压传输系数。,4.1.2,二口网络的网络参量,性质,若网络对称，有,若网络互易，有,若网络无耗，有,4.1.2,二口网络的网络参量,3.,阻抗参量（,Z,参量）和导纳参量（,Y,参量）,4.1.2,二口网络的网络参量,4.,网络参量之间的变换,（,1,）,Z,参量与,A,参量的关系,（,2,）,Y,参量与,A,参量的关系,（,3,）,S,参量与归一化,A,参量的关系,4.1.3,二口网络参量的应用,1.,基本单元电路的,A,参量,名称,等效电路,串联,阻抗,并联,导纳,理想,变压器,传输,线段,4.1.3,二口网络参量的应用,2.,二口网络的工作特性参量,（,1,）电压传输系数,T,：网络输出端接匹配负载时，输出端归一化出波与输入端归一化进波之比。,（,2,）插入相移：电压传输系数的幅角，。,（,3,）插入衰减：网络输出端接匹配负载时，输入端进波功率与输出端出波功率之比，单位为,dB,。,（,4,）插入驻波比：网络输出端接匹配负载时，输入端的驻波比,4.1.4,多口网络及其化简,1.,三口网络的,S,参量,2.,四口网络的,S,参量,网络对称,网络互易,网络无耗,网络对称互易,4.1.4,多口网络及其化简,3.,微波网络的一些化简条件,端口状态,用归一化进波、出波表示,用电压、电流表示,内部状态,端口匹配,参考面外移,外部状态,接开路负载,(),接短路负载,(),接短路活塞,接匹配负载,(),接任意负载,4.1.4,多口网络及其化简,例,4-1-2,E-T,接头的端口,3,接匹配负载，端口,2,接短路活塞（长为,l,的等效短路线），如图所示。求,l,?,时输出到匹配负载的功率最大。已知,E-T,接头的散射矩阵是,解：记,4.1.4,多口网络及其化简,图,4-1-4,四口网络微波电路,4.2,匹配元件和连接元件,4.2.1,匹配元件,1.,短路活塞,短路活塞的功用是提供一个可变电抗，由一段传输线内置可调短路装置构成，分为接触式和扼流式两类。,图,4-2-1,波导型短路活塞,a,）接触式,b,）扼流式,4.2.1,匹配元件,2.,膜片,（,1,）电容膜片：可等效成并联导纳单元电路,图,4-2-2,电容膜片,a,）对称型,b,）非对称型,c,）等效电路,a,）,b,）,c,）,图,4-2-3,含电容膜片的波导的等效电路,4.2.1,匹配元件,（,2,）电感膜片,电感膜片可等效成并联导纳单元电路,图,4-2-4,电感膜片,a,）对称型,b,）非对称型,c,）等效电路,4.2.1,匹配元件,（,3,）谐振膜片,可等效为,LC,并联谐振电路,图,4-2-5,谐振膜片,a,）结构,b,）等效电路,图,4-2-6,分析谐振膜片的坐标系,令,注：只要将膜片的,4,个顶点置于,双曲线上，即可满足谐振条件。,4.2.1,匹配元件,3.,销钉,销钉由金属细圆杆构成。,销钉的工作原理与膜片类似。,图,4-2-7,销钉,a,）容性销钉,b,）感性销钉,4.2.1,匹配元件,4.,螺钉,可等效成并联可变电纳单元电路。,等效电纳的性质与其粗细及插入深度有关。,图,4-2-8,螺钉,a,）单螺钉,b,）双螺钉,c,）三螺钉,d,）四螺钉,4.2.1,匹配元件,5.,阶梯波导,图,4-2-9,阶梯波导,a,）结构图,b,）等效电路,4.2.1,匹配元件,6.,渐变波导,渐变波导是一种宽频带匹配元件，其功用与渐变线类似。,图,4-2-10,线性渐变波导,例,4-2-1,匹配装置由同轴型短路活塞、波导型短路活塞和单电感销钉构成，如图所示。其功用是实现波导与同轴线之间的匹配连接。（,1,）试画出它的等效电路，（,2,）说明其工作原理。,图,4-2-11,例,4-2-1,的匹配装置,图,4-2-12,例,4-2-1,的分析,a,）等效电路,b,）化简,（,1,）等效电路,主同轴线与特性阻抗为,的长线段等效，,主波导与等效阻抗为,的长线段等效，,波导型短路活塞被等效成可调电抗 ，,同轴型短路活塞被等效成可调电抗 ，,单电感销钉被等效成电感 。,图,4-2-12,例,4-2-1,的分析,a,）等效电路,b,）化简,（,2,）工作原理,例,4-2-1,图,4-2-12,例,4-2-1,的分析,a,）等效电路,b,）化简,将,处的两个并联阻抗,和,化为串联阻抗 和 。,为使波导与同轴线之间实现匹配，,需满足,这两个条件可通过调节两个短路活塞实现。,4.2.2,连接元件,1.,抗流接头,抗流接头可避免接触电阻损耗。,抗流接头的工作原理与扼流式短路活塞类似。,图,4-2-13,波导型抗流接头,4.2.2,连接元件,2.,波导弯头,波导弯头用于改变,TE,10,波的传输方向。,图,4-2-14,波导弯头,a,）,E,面弯头,b,）,H,面弯头,4.2.2,连接元件,3.,扭波导,扭波导用于改变改变,TE,10,波的极化方向。,图,4-2-15,扭波导,4.3,分路元件,分路元件的功用是将一路微波信号按要求分成几路，或者将几路微波信号合成为一路。,本节主要介绍,T,形接头，包括单,T,接头、魔,T,接头和折叠双,T,接头。,4.3.1,单,T,接头,单,T,接头由两旁臂和一个分支臂构成。,分为,E-T,接头和,H-T,接头两种,图,4-3-1,单,T,接头,a,）,E-T,接头及其等效电路,b,）,H-T,接头及其等效电路,4.3.1,单,T,接头,1.,禁戒规则,偶模激励只能激励起对称场，不能激励起反对称场，或者说反对称场被禁戒；奇模激励只能激励起反对称场而对称场被禁戒。,奇模激励；,偶模激励；,反对称场；,对称场。,4.3.1,单,T,接头,2.E-T,接头,（,1,）奇模激励时,E,臂输出反对称场,奇模激励：图,a,中分别从旁臂,1,和旁臂,2,输入的一对等幅反相的信号（,TE,10,波）,反对称场：图,a,中从,E,臂输出的,TE,10,波的场结构相对于对称面,T,呈镜像。电力线被对称面分成两段，若两段对折正好大小相等、方向相反。,图,4-3-2 E-T,接头中的场结构,a,）奇模激励,b,）偶模激励,4.3.1,单,T,接头,（,2,）偶模激励时,E,臂无输出（图,4-3-2,（,b,）,（,3,）反对称场性质的,S,参量表示,（,4,）,E-T,接头的,S,矩阵,4.3.1,单,T,接头,（,5,）,E-T,接头的传输特性,当,E,臂为端口匹配状态时，端口,1,、,2,不可能处于端口匹配状态，且端口反射系数 。,当信号从,E,臂输入时，将从端口,1,、,2,等幅反相输出。,当信号从旁臂,1,输入时，将被自身反射 ，从旁臂,2,输出 ，从,E,臂输出 。,3.H-T,接头,（,5,）,E-T,接头的传输特性,当,E,臂为端口匹配状态时，端口,1,、,2,不可能处于端口匹配状态，且端口反射系数 。,当信号从,E,臂输入时，将从端口,1,、,2,等幅反相输出。,当信号从旁臂,1,输入时，将被自身反射 ，从旁臂,2,输出 ，从,E,臂输出 。,3.H-T,接头,4.3.2,魔,T,1.,魔,T,接头的组成,魔,T,接头由双,T,接头内置匹配装置而成。,双,T,接头可看成是,E-T,接头和,H-T,接头的组合。,图,4-3-3,用匹配块匹配的魔,T,接头,4.3.2,魔,T,2.,魔,T,接头的,S,矩阵,3.,魔,T,接头的特性,（,1,）匹配性：一旦有两个端口处于端口匹配状态，则另两个端口必然处于端口匹配状态。,（,2,）均分性：无论从哪个端口输入功率，经过魔,T,接头后均从相邻臂等分输出。,（,3,）隔离性：无论从哪个端口输入功率，经过魔,T,接头后相对的端口无输出。,例,4-3-1,雷达平衡式收发开关由,2,个魔,T,接头和,2,个谐振膜片式放电管构成，两个放电管与接头处的距离相差，如图,4-3-4,所示。试说明它的工作原理。,图,4-3-4,某雷达的平衡式收发开关,分析,（,1,）来自发射机的大功率信号从魔,T1,的端口,4,输入后，只能经端口,1,、,2,等幅同相输出，到达放电管时惰性气体打火，使信号被全反射，从而不能到达接收机。又由于两放电管与魔,T,接头的距离相差 ，使反射信号到达端口,1,、,2,时等幅反相，故只能经端口,3,送至雷达天线。,图,4-3-4,某雷达的平衡式收发开关,（,2,）来自雷达天线的回波信号从魔,T1,接头的端口,3,输入后，端口,4,无输出（即不能到达发射机），而只能经端口,1,、,2,等幅反相输出。由于放电管对小功率信号不起作用，故回波信号可顺利到达魔,T2,接头的端口,1,、,2,并保持等幅反相关系，于是只能经端口,3,至接收机。,4.3.3,折叠双,T,折叠双,T,接头可看成是魔,T,接头的变形。,E,折双,T,接头是将魔,T,接头的两旁臂沿,E,面折弯,90,而成；当端口,1,、,2,偶模输入时，,E,臂有输出，,H,臂无输出；当端口,1,、,2,奇模输入时，,H,臂有输出，,E,臂无输出。,H,折双,T,接头是将魔,T,接头的两旁臂沿,H,面折弯,90,而成；当端口,1,、,2,偶模输入时，,H,臂有输出，,E,臂无输出；当端口,1,、,2,奇模输入时，,E,臂有输出，,H,臂无输出。,图,4-3-5 E,折双,T,接头,图,4-3-6 H,折双,T,接头,4.4,定向耦合器,构成：由主线和副线构成，通过耦合机构将主线上的功率耦合到副线。,功用：按一定比例从主馈线中提取能量，并使之在副线中沿一定方向输出，常用于微波电路的监视和测量。,图,4-4-1,定向耦合器的一般构成,4.4.1,定向耦合器的主要参数,1.,耦合度,耦合度是耦合到副线的功率多少的量度，单位为,dB,。,2.,方向性,方向性是耦合信号定向,传输程度的量度，单位为,dB,。,图,4-4-1,定向耦合器的一般构成,4.4.2,同轴型定向耦合器,1.,工作过程,构成：耦合机构为小孔，主线的左端至天线，右端至发射机，副线的左端接匹配负载，右端接指示计。,工作过程：当发射功率向天线传输时，少量功率被耦合到副线，耦合到上副线的功率沿其正方向传输至指示计，供监视或测量；少量的反方向功率则被匹配负载吸收。,图,4-4-2,同轴型定向耦合器,4.4.2,同轴型定向耦合器,2.,工作原理,通过电场耦合与磁场耦合的共同作用实现定向耦合。,是一种反向耦合器。,3.,夹角的作用,调节耦合电流的强弱，使 最小,图,4-4-3,同轴型定向耦合器的工作原理,（,a,）电场耦合 （,b,）磁场耦合 （,c,）耦合的合成,4.4.3,波导型单孔定向耦合器,1.,组成,由主波导和副波导构成，公共壁为宽壁，耦合机构是开在公共宽壁中央的小孔。,图,4-4-4,波导型单孔定向耦合器,4.4.3,波导型单孔定向耦合器,2.,工作原理,通过电场耦合与磁场耦合的共同作用实现定向耦合。,是一种反向耦合器。,图,4-4-5,波导型单孔定向耦合器的工作原理,（,a,）电场耦合 （,b,）磁场耦合 （,c,）耦合的合成,4.4.4,波导型十字缝定向耦合器,构成：由相互垂直的主波导和副波导构成，公共壁为宽壁，耦合机构是十字形缝隙。,由于主波导和副波导的功率传输方向相互垂直，它是一种垂直耦合器。,图,4-4-6,波导型十字缝定向耦合器,4.4.4,波导型十字缝定向耦合器,1.TE,10,波中的圆极化磁场,由圆极化的定义,（,1,）在,x,1,、,x,2,处，,TE,10,波的磁场是旋向相反的圆极化磁场。,（,2,）旋向规律：以,TE,10,波的传播方向为参考，,x,1,处,为左圆极化磁场，,x,2,处为右圆极化磁场。,4.4.4,波导型十字缝定向耦合器,2.,工作原理,（,1,）若主线中,TE,10,波的传播方向向下，则十字缝位于视线的左边，故十字缝处为左圆极化磁场（逆时针方向）。,（,2,）耦合到副线后，十字缝处仍然应为左圆极化磁场。,（,3,）假设副线中,TE,10,波的传播方向向左。这时，由于十字缝位于视线的右边，按照旋向判断方法，十字缝处为右圆极化磁场。这与要求的极化旋向矛盾，因此假设错误。,（,4,）再假设副线中,TE,10,波的传播方向向右，这时，由于十字缝位于视线的左边，故十字缝处为左圆极化磁场。这与要求的极化旋向一致，因此副线的正方向应该是向右。,图,4-4-8,副线正方向的判断,4.4.4,波导型十字缝定向耦合器,3.,副线正方向的简易判断方法,过十字缝作对角线，再使主线输入信号在到达十字缝之前折弯，若能与对角线相交，则该方向就是副线的正方向。,图,4-4-9,副线正方向的简易判断方法,4.5,三分贝电桥,4.5.1,二分支三分贝电桥,构成：由上下主线和两条分支线构成，主线长 ，特性导纳为 ，分支线长也是 ，特性导纳为 。,图,4-5-1,同轴型二分支三分贝电桥,4.5.1,二分支三分贝电桥,1.,二分支三分贝电桥的奇偶模分解,偶模激励时,端口,1,、,4,的输入电流等幅同相，,A,点、,B,点为等效开路。,奇模激励时,端口,1,、,4,的输入电压等幅反相，,A,点、,B,点为等效短路。,图,4-5-2,二分支三分贝电桥的等效电路,a),偶模等效电路,b),奇模等效电路,4.5.1,二分支三分贝电桥,2.,奇偶模等效电路的归一化,A,矩阵和,S,矩阵,偶模等效电路,奇模等效电路,4.5.1,二分支三分贝电桥,3.,二分支三分贝电桥的,S,矩阵,偶模激励时,奇模激励时,对一般激励,4.5.1,二分支三分贝电桥,4.,二分支三分贝电桥的工作特性,当端口,1,接匹配源，其它端口接匹配负载时：,（,1,）从端口,1,输入的功率被端口,2,、,3,均分输出，端口,1,无反射，端口,4,被隔离。,（,2,）以端口,1,输入信号的相位为基准，端口,2,和端口,3,输出信号的相位分别滞后 和 。,4.5.2,三分支三分贝电桥,S,矩阵,工作特性,当端口,1,接匹配源，其它端口接匹配负载时，从端口,1,输入的功率被端口,2,、,3,均分输出，端口,1,无反射，端口,4,被隔离；以端口,1,输入信号的相位为基准，端口,2,和端口,3,输出信号的相位分别滞后 和 。,图,4-5-3,同轴型三分支三分贝电桥,4.5.3,环形三分贝电桥,构成,如图所示，线环的中心线长 ，特性导纳为 ；线环上相邻端口间的圆弧长 ；分支线的特性导纳为 。,S,矩阵,图,4-5-4,同轴型环形,三分贝电桥,4.5.4,三分贝电桥的应用,1.,三分贝电桥的短路特性,端口,1,的输入信号全部从端口,4,输出，输出信号的相位滞后 。,图,4-5-5,三分贝电桥的短路特性,4.5.4,三分贝电桥的应用,2.,三分贝电桥的串联特性,任一端口的输入信号全部从对角线上的端口输出，输出信号的相位滞后 。,图,4-5-6,三分贝电桥的串联特性,4.5.4,三分贝电桥的应用,例,4-5-1,某雷达的平衡式收发开关如图,4-5-7,所示，试分析其工作原理。图中，平衡式收发开关由两个同轴型三分支三分贝电桥串联而成，在串联处接有,TR,放电管。其端口,1,至发射机，端口,5,至接收机，端口,4,接雷达天线，端口,6,接匹配负载。,TR,放电管的作用是工作于高功率状态时打火，使左边的三分贝电桥呈短路特性；工作于小功率状态时不打火，使三分贝电桥组合呈串联特性。,图,4-5-7,某雷达的平衡式收发开关,4.5.4,三分贝电桥的应用,分析：,当大功率信号从端口,1,输入时，由于,TR,放电管打火，使左边的三分贝电桥呈短路特性，发射功率全部从端口,4,输出至雷达天线，端口,5,（即接收机）、端口,6,被隔离。,当来自雷达天线的回波信号从端口,4,输入时，由于三分贝电桥组合呈串联特性，故回波信号全部送至端口,5,（即接收机），端口,1,、端口,6,被隔离。,图,4-5-7,某雷达的平衡式收发开关,4.6,微波衰减器和滤波器,4.6.1,微波衰减器,1.,吸收式衰减器,构成：由一段传输线内置吸波装置而成,优缺点：优点是频带宽，功率容量大，起始衰减量小，稳定性好，缺点是精度较差。,图,4-6-1,吸收式衰减器,（,a,）固定式 （,b,）可变式,4.6.1,微波衰减器,2.,旋转式衰减器,构成：由两段同向放置的矩形波导和一段圆波导构成，内置衰减片。,工作原理：基于衰减片只衰减电场平行分量的原理。,优缺点：优点是频带宽，精度高，起始衰减量小；缺点是结构复杂，较昂贵。,图,4-6-2,旋转式衰减器及其工作原理,4.6.1,微波衰减器,3.,截止式衰减器,工作原理：利用波导的截止状态制作而成。,工作波长范围,衰减量,优缺点：优点是频带宽，精度高，可用作标准衰减器；缺点是起始衰减量太大。,dB,4.6.2,微波滤波器,1.,微波低通滤波器,构成：由粗细跳变的同轴线内导体构成，由于形状似葫芦，俗称糖葫芦滤波器。,该等效电路是集中参数低通滤波器的原型电路。,图,4-6-3,糖葫芦滤波器及其等效电路,(a),结构,(b),等效电路,4.6.2,微波滤波器,2.,微波高通滤波器,构成：由若干段芯线及与之并联的短路分支线构成，芯线段之间留有间隙并用聚四氟乙烯介质填充。,该等效电路是集中参数高通滤波器的原型电路。,图,4-6-4,微波高通滤波器,(a),结构,(b),等效电路,4.6.2,微波滤波器,3.,微波带通滤波器,构成：由若干间距相等的电感膜片和调谐螺钉构成，螺钉置于相邻电感膜片之间且位于波导宽壁中央。,该等效电路是集中参数带通滤波器的原型电路。,图,4-6-5,直接耦合式微波带通滤波器,(a),结构,(b),等效电路,4.6.2,微波滤波器,4.,微波带阻滤波器,构成：由主线和若干并联分支线构成，分支线长度为 ，分支线间距也为 。,该等效电路是集中参数带阻滤波器的原型电路。,图,4-6-6,分支线式微波带阻滤波器,(a),结构,(b),等效电路,4.6.3,微波周期性结构简介,结构,（,1,）电抗加载周期性结构。,（,2,）介质加载周期性结构。,（,3,）频率选择表面（,FSS,），即通过将表面周期性地分区使之具有频率选择性。,4.6.3,微波周期性结构简介,分析步骤,（,1,）写出电抗加载单元电路的 矩阵,图,4-6-7,电抗加载单元电路,4.6.3,微波周期性结构简介,（,2,）写出电抗加载单元电路的色散方程,若上式存在非零解，当且仅当系数矩阵的行列式等于零,4.6.3,微波周期性结构简介,（,3,）对色散方程进行讨论,通带条件,阻带条件,4.7,微波铁氧体器件,4.7.1,概述,1.,什么是铁氧体,铁氧体是一种非金属磁性材料，由氧化铁与其它金属氧化物混合烧结而成。,分子式为 ，,其中，,M,表示二价金属分子，在微波波段通常指,Mg,Mn,、,Mg,Mn,Al,、,Ni,Zn,、,Ni,Co,、,Li,等。,4.7.1,概述,2.,微波铁氧体的特点,（,1,）电阻率很高（达,10,11,cm,），接近于绝缘体，因此电磁波可以在其中传播。,（,2,）磁导率随外加直流磁场的变化而变化，因而磁导率可以电调。,（,3,）具有磁各向异性，即它的磁导率不再是标量，而需要用张量来描述，称为张量磁导率。因此微波铁氧体器件一般是非互易器件。,4.7.2,铁氧体的张量磁导率,1.,铁氧体的磁化,外加恒定磁场,图,4-7-1,磁化强度,的进动,铁氧体的本征进动频率或拉摩进动频率,实际的铁氧体存在损耗，使 在很短时间内与 的方向趋于一致，这一现象称为铁氧体被磁化。,4.7.2,铁氧体的张量磁导率,2.,无耗铁氧体的张量磁导率,定义,外加磁场,当工作在小信号状态时,4.7.2,铁氧体的张量磁导率,3.,关于张量磁导率的讨论,（,1,）在与 垂直的方向，不仅对 有贡献，而且对 也有贡献。亦然。称这种性质为磁各向异性。,（,2,）为一特殊方向，该方向的 只与 有关，即在 方向铁氧体与磁导率为标量的介质无异。,（,3,）当 ，即交变磁场的频率接近于拉摩进动频率时，有 ，。称这种现象为铁氧体的铁磁谐振效应。在铁磁谐振状态下，铁氧体强烈吸收交变磁场的能量。,4.7.3,微波铁氧体的正负圆极化磁导率,1.,正圆极化磁场及正圆极化磁导率,（,1,）正圆极化磁场,与恒定磁场 呈右手螺旋关系,（,2,）正圆极化磁导率,4.7.3,微波铁氧体的正负圆极化磁导率,2.,负圆极化磁场及负圆极化磁导率,负圆极化磁场,与恒定磁场 呈左手螺旋关系,负圆极化磁导率,4.7.3,微波铁氧体的正负圆极化磁导率,3.,关于正负圆极化磁导率的讨论,（,1,）正圆极化磁导率曲线可分成三段,为铁磁谐振点。,对应曲线的左半支，这时 ，为低场区。,对应曲线的右半支，这时 ，为高场区。,（,2,）负圆极化磁导率曲线比较平坦。,图,4-7-2,正负圆极化磁导率曲线,4.7.4 SUPW,在无耗均匀铁氧体中的传播,1.,纵向磁化情形和法拉第效应,（,1,）时,SUPW,在无耗均匀铁氧体中的传播,对,SUPW,有,结论：对纵向磁化情形，,SUPW,被分解成两部分，一部分是正圆极化的,SUPW,，以相速度 传播；另一部分是负圆极化的,SUPW,，以相速度 传播。,4.7.4 SUPW,在无耗均匀铁氧体中的传播,1.,纵向磁化情形和法拉第效应,（,2,）法拉第效应,特点：,工作在低场区时，的旋向与 呈右手螺旋关系。,工作在高场区时，的旋向与 呈左手螺旋关系。,是一种非互易效应。,图,4-7-3,法拉第旋转角,法拉第旋转角,4.7.4 SUPW,在无耗均匀铁氧体中的传播,2.,横向磁化情形和双折射效应,时,SUPW,被分裂成两部分，一部分是,TEM,波，它的相速度 与铁氧体的磁化状态无关，称为寻常波或,o,波；另一部分是椭圆极化波，它的相速度 与铁氧体的磁化状态有关，称为非寻常波或,e,波。,双折射效应：横向磁化时,SUPW,被分裂成,o,波和,e,波的现象。,4.7.5,隔离器,1.,旋转式隔离器,构成：由两段圆方波导和内置铁氧体棒的圆波导段构成，圆波导段外壁装有永久磁铁，用来提供纵向偏置磁场。图中，波导,1,和波导,2,呈 夹角，铁氧体棒的法拉第旋转角也是 。,图,4-7-4,旋转式隔离器,4.7.5,隔离器,工作原理,（,1,）电磁波向右传输时，波导,1,中,TE,10,波经圆方波导后转换成圆波导的,TE,11,波。由法拉第效应，电场方向右旋。到达波导,2,时与其所需的,TE,10,波的电场方向一致，因此，信号顺利输出。,（,2,）电磁波向左传输时，,TE,10,波从波导,2,传输至波导,1,的过程中，电场方向仍然右旋，到达波导,1,时与其所需的,TE,10,波的电场方向正交，因此，波导,1,无输出。,图,4-7-5,旋转式隔离器的工作原理,4.7.5,隔离器,2.,场移式隔离器,场移式隔离器由内置铁氧体片和衰减片的矩形波导段构成。图中，铁氧体片置于,TE,10,波的圆极化磁场处，衰减片紧贴在铁氧体片上，安装有永久磁铁用来提供横向偏置磁场，并使铁氧体工作在 的低场区。,图,4-7-6,场移式隔离器,4.7.5,隔离器,（,1,）场移效应,TE,10,波传入纸面的情况。铁氧体片处存在左圆极化磁场，是正圆极化磁场，使合成磁场削弱。这一现象好像是铁氧体片将,TE,10,波的场转移到了其外部空间。,TE,10,波传出纸面的情况。铁氧体片处存在右圆极化磁场，是负圆极化磁场，对磁场分布的影响不明显。由于铁氧体的介电常数较大，使铁氧体内的电场增强。这一现象好像是铁氧体片将,TE,10,波的场向其内部有所集中。,铁氧体的这种改变场分布的作用称为场移效应。场移效应是一种非互易效应。,图,4-7-7,铁氧体的,场移效应,4.7.5,隔离器,（,2,）场移式隔离器的工作原理,由于衰减片的作用使得：,当,TE,10,波穿入纸面传输时，铁氧体处的场很弱，衰减片不起作用，因此，,TE,10,波顺利传输。,当,TE,10,波穿出纸面传输时，铁氧体处的场较强，在传输过程中这些功率被衰减片吸收，因此，,TE,10,波不能顺利传输。,3.,谐振吸收式隔离器,图,4-7-8,谐振吸收式隔离器,4.7.6,环行器,结构,由互成,120,的,Y,形板线、两块圆饼状铁氧体和永久磁铁（钡铁）构成，铁氧体上下夹住板线的芯线形成结区，永久磁铁用于提供横向偏置磁场。,工作特性,从端口,1,输入的功率全部从端口,2,输出，端口,1,无反射，端口,3,被隔离，余类推。这一工作特性简记为,1231,。,图,4-7-9 Y,结环形器的结构,图,4-7-10 Y,结环形器的工作特性,4.7.6,环行器,1.Y,结环行器的,S,矩阵,（,1,）若无耗三口网络的所有端口均为端口匹配，它必然是一个理想的三端口环行器。,环行方向为,1231,环行方向为,1321,（,2,）若无耗三口网络是一个理想的三端口环行器，它的所有端口必然是端口匹配状态。,4.7.6,环行器,2.Y,结环行器的工作原理,图,a,是不加偏置磁场的情况。铁氧体不呈各向异性，信号从端口,2,、,3,等分输出。,图,b,是加偏置磁场的情况。铁氧体工作于低场区时，线极化波在铁氧体中以,e,波模式传播，通过铁氧体后极化方向正好旋转,30,。信号从端口,2,输出，端口,3,无输出。铁氧体工作于高场区时，可使,e,波通过铁氧体后极化方向旋转,150,。信号从端口,3,输出，端口,2,无输出。,a,）,b,）,图,4-7-11 Y,结环行器的环行原理,4.7.6,环行器,环行方向与,H,0,的关系,Y,结环形器工作在低场区时二者成左手螺旋关系（环行方向为,1-2-3-1,）。,Y,结环形器工作在高场区时二者成右手螺旋关系（环行方向为,1-3-2-1,）。,4.7.7,移相器,移相器的功用是使通过的微波信号产生预定的相移量。,锁式移相器由内置铁氧体块的矩形波导段构成。,图,4-7-12,锁式移相器的构成,a,）横截面结构,b,）磁滞回线,4.7.7,移相器,图,a,表示通过选择不同的铁氧体长度，移相器以 为步长实现二进制移相；,图,b,表示当穿心导线上的脉冲电流沿,z,方向时，铁氧体横截面上的偏置磁场为左上右下，若,TE,10,波的传输方向也沿,z,方向，则左右两边的圆极化磁场均为正圆极化磁场，即 较小；,图,c,是表示穿心导线上的脉冲电流沿,-,z,方向的情况，这时铁氧体的 较大。于是，可以通过改变激励电流的方向得到差相移。,图,a,表示通过选择不同的铁氧体长度，移相器以 为步长实现二进制移相；,图,b,表示当穿心导线上的脉冲电流沿,z,方向时，铁氧体横截面上的偏置磁场为左上右下，若,TE,10,波的传输方向也沿,z,方向，则左右两边的圆极化磁场均为正圆极化磁场，即 较小；,图,c,是表示穿心导线上的脉冲电流沿,-,z,方向的情况，这时铁氧体的 较大。于是，可以通过改变激励电流的方向得到差相移。,a,）,b,）,c,）,图,4-7-13,四位数字式移相器及其工作原理,4.7.8,磁调滤波器,1.,一般概念,构成：由,YIG,小球、偏置磁场,H,0,和,2,个相互正交的导体圆环构成。其中，,YIG,小球由,YIG,单晶制成，直径约,1 mm,。导体圆环中，一个是激励环，置于,yz,平面；一个是输出环，置于,xz,平面,。,YIG,滤波器是一种谐振型带通滤波器。,图,4-7-14 YIG,滤波器,4.7.8,磁调滤波器,2.YIG,小球的工作特性,YIG,小球的工作特性指的是图中金属圆环输入端的阻抗特性,图,4-7-15 YIG,小球电路,a),结构,b),等效电路,4.7.8,磁调滤波器,3.YIG,滤波器的工作原理,交流信号从端口,1-1,进入激励环，在,YIG,小球处产生磁场 。由于铁氧体的磁导率是张量，磁场 在,YIG,小球中不仅会产生分量 ，还会产生分量 。由法拉弟电磁感应定律，分量 会在与之垂直的输出环上产生感应电动势，使端口,2-2,有输出。,圆环,和圆环,相互正交是为了避免圆环间的直接耦合。,