读书报告—自旋波器件及其在微波技术中的应用.doc

基于自旋波的微波铁氧体器件
前言
就目前而言，我们通常使用和制造的微波铁氧体器件，大都是利用铁氧体中磁离子的磁矩围绕外磁场一致进动，而对射频磁场呈张量导磁率的特性所制成的。例如隔离器、环形器、相移器、开关器件、单晶滤波器等等。
事实上，一致进动仅仅是磁矩运动的一种形式。相邻磁矩间相位、振幅不相等，也不恒定的非一致进动也是存在的。
这种非一致进动形式，一般称之为自旋波。它是一种比一种进动更复杂的运动方式。在通常的微波铁氧体器件设计中，自旋波是力求避免产生的，因为它将导致器件性能变坏。
随着研究的深入，人们发现自旋波具有独特的传播特性，如它的传播波长、传播速度等，均可在很大的范围内变动，并且受到频率和偏置磁场的制约。
这样，如果我们将微波电磁场转换成自旋波，在铁氧体中传播，就可以构成一种具有特殊功能，而且可由外加磁场控制的新型固态器件。由于自旋波的波长很短，比同频率电磁波的波长小很多，这种器件也将是微小型化的。
就发表的许多文章来看，许多发达国家，如俄、美、英、日等，都投入了不少人力无力进行研究。取得一定的进展，也有一些具体的应用。但总的来说，这还是铁氧体的一个新领域，有待进一步开发。
一、 自旋波
自旋波是考虑了量子力学中的交换场和磁偶极场的结果。它实质上是量子力学中磁振子的经典类比，其性质与玻色子相似，用它来描述磁矩的非一致进动。
一般来说，自旋波的波长要小于自由空间电磁波的传播波长。这时，电磁场分量且磁场分量小得多，近似于可以忽略。如果同时不计电磁波传播时的推迟作用，并且认为介质是理想的无损耗的，那么自旋波是满足麦克斯韦方程的：

式中位交变磁场，位交变磁场强度。从式子中可以看出，自旋波可以看成是“纯”电磁波。所以在传播过程中，能量主要是依靠电子自旋进动的传播而传播的，能量仅集中于磁性介质内部而几乎不向外辐射。
二、 自旋波器件及其应用
自旋波器件包括磁弹波延迟线、表面波隔离器等，下面主要介绍几种静磁波器件及它们的应用。
1. 静磁波延迟线
通过静磁波延迟线的基本结构我们可以看出，当讯号从微带线输入时，由于激励电流的引入，磁性薄膜中的磁矩便产生一个扰动，于是自旋波被激励，这个波经过一段时间传播到输出端，在输出导体中感应出相应的电讯号。这就形成了一个最简单的延迟线。它的延迟时间可由外加磁场进行控制。
静磁波延迟线的色散关系一般说来是非线性的。但是如果需要的话，我们还是能够通过特殊的设计，来构成线性的频率响应。例如可以采用多层结构及特殊设计的接地板来改善频率响应的线性。而我们在实际中往往也需要非色散型的器件。要做到这点也是不难，只要采用二个斜率相同，方向相反的线性频响的延迟线串接起来就可以巧妙的构成一个非色散延迟线。
2. 静磁滤波器
静磁滤波器的带宽可以通过改变导体的设计来加以控制，例如采用多条棚状导体，可做成窄带低损耗滤波器，在S、C、X及K波段，可获得窄于15MHz的带宽。
而对于一个七条栅条，距接地板254μm的器件，它从3—7GHz频率响应低于0.1dB。
3. 讯噪比增强器
这是一种对很小的噪声电平呈现高衰减，而对超过临界门槛值的讯号呈现低的衰减的特殊器件。它与限幅器的特性正好相反。
从它的基本结构我们可以看出，当讯号输入后，在YIG薄膜中产生静磁波。对于小讯号输入，大部分能量用来激发静磁波，这样就使输出讯号衰减很大。而当大的讯号输入时，用来激发静磁波的能量仅占总能量的很小一部分，所以讯号只经过低的衰减后输出。这就是它的基本原理。
4. 静磁波倍频器
现在通常是用阶跃二极管对输入讯号产生谐波来进行倍频的。使用一个YIG单晶滤波器来选择需要的谐波频率。
但是这种方式存在两个主要问题。首先会碰到的困难是需要解决阶跃二极管的微带输出与环绕YIG小球的耦合回路的联接问题。其次是YIG单晶滤波器大的样品有时会有抑制谐波的产生。采用静磁波延迟线滤波器则没有这个问题。例如一个输入讯号1,682GHz的倍频器，用静磁波滤波器选择二次谐波输出，其余谐波抑制达到50dB。三次谐波输出时，谐波抑制仍可达到50dB。
以上介绍了一些器件的工作原理和应用。由于表面声波在500MHz以上传播损耗随频率的平方增加，而自旋波的损耗随频率线性增加，所以自旋波器件在微波技术，尤其是在微波脉冲压缩，信号编码，贮存等数据处理技术中有着许多用途，现在尽管在器件的研制和应用方面取得了一些进展，但还是存在着不少问题，有待今后进一步开发和利用。