微波電真空器件重點實驗室（電子科技大學(xué)）

這種器件在微波電路中對微波信號或能量起隔離、環(huán)行、方向變換、相位控制、幅度調(diào)制或頻率調(diào)諧等作用，廣泛用于雷達(dá)、通信、無線電導(dǎo)航、電子對抗、遙控、遙測等微波系統(tǒng)以及微波測量儀器中。隔離器和環(huán)行器是1951年由C.L.霍根發(fā)明的。隨后許多新型線性器件，如相移器、開關(guān)、調(diào)制器等相繼出現(xiàn)。1957年H.蘇耳發(fā)明了微波鐵氧體參量放大器，發(fā)展了非線性器件,雖然未能達(dá)到實用,但對其他參量器件的發(fā)展起了促進(jìn)作用。60年代初，磁調(diào)濾波器、磁調(diào)振蕩器等研制成功，在電子對抗技術(shù)和微波測量儀器中得到應(yīng)用。以后各種微波鐵氧體器件繼續(xù)發(fā)展，成為一類重要的微波器件。

基本原理 微波鐵氧體器件是利用鐵氧體的旋磁效應(yīng)制成的。鐵氧體的旋磁效應(yīng)來自電子自旋運動。一個帶有負(fù)電荷的電子作自旋運動必然同時具有角動量及磁矩。如這個電子的角動量為P，磁矩為M,則磁矩與角動量的比值稱為旋磁比，用γ代表

M/P=-γ (1)

在圖1中,電子自旋磁矩M受到直流恒定磁場H0的作用時，磁矩的進(jìn)動方程式為

dM/dt=-γM×H0 (2)

M圍繞H0按右旋方向進(jìn)動, 這種進(jìn)動也稱拉莫爾進(jìn)動。進(jìn)動角頻率為

ω0=γH0 (3)

由于進(jìn)動有能量損耗，M與H0的夾角θ會逐漸變小，最后M完全重合在H0的方向上。如果在垂直于H0的方向上加一高頻交變磁場h，則能彌補進(jìn)動的能量損耗,使M的進(jìn)動可以維持下去。當(dāng)交變磁場的頻率ω與M進(jìn)動頻率ω0相等時，進(jìn)動的幅度達(dá)到最大。這就是鐵磁共振現(xiàn)象。這時高頻交變磁場的頻率稱為鐵磁共振頻率。 旋磁介質(zhì)材料在產(chǎn)生鐵磁共振時，它的磁導(dǎo)率是一個張量，可寫為

(4)

式中μ、k是M、γ、H0以及ω的函數(shù)。而交變磁感應(yīng)強度b和交變磁場強度h的關(guān)系為

b=0μh

式中稱為旋磁張量磁導(dǎo)率，也稱坡耳德爾張量。它的物理意義是在沒有磁化的情況下，旋磁介質(zhì)可以近似地認(rèn)為是均勻的各向同性的,在外加直流恒定磁場H0的作用下,它就變?yōu)楦飨虍愋缘?。這時沿著x軸方向的磁場強度h所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度b的方向并不單純沿著x軸方向，它除具有x方向的分量μnx外，同時還具有y方向的分量jkhx。μ項可以認(rèn)為是h直接對b的貢獻(xiàn)，而k項可以認(rèn)為是一個耦合項，它把高頻能量由一種極化轉(zhuǎn)換為另一種極化。

由于旋磁介質(zhì)具有各向異性的特性，電磁波在這種介質(zhì)中傳播就會產(chǎn)生一系列新的效應(yīng)，如極化面旋轉(zhuǎn)效應(yīng)(法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng))、非互易場移效應(yīng)、共振吸收以及張量磁導(dǎo)率的改變等，利用這些效應(yīng)可制成多種類型的微波鐵氧體器件。

材料 各種微波鐵氧體器件的功能不同、工作頻率不同，因而對微波鐵氧體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損耗。表征材料性能的主要參數(shù)有:飽和磁化強度及其溫度系數(shù)、居里點、鐵磁共振線寬、有效共振線寬、自旋波線寬、介電常數(shù)、介電損耗角正切等。微波鐵氧體材料有許多品種，根據(jù)材料的成分和晶體結(jié)構(gòu)分類，有石榴石型、尖晶石型和磁鋁石型(六角晶系)等。根據(jù)材料的制造工藝和形態(tài)又分多晶材料、單晶材料和薄管膜材料。多晶鐵氧體材料一般采用陶瓷工藝制造;微波鐵氧體單晶用助熔劑法或提拉法生長;單晶薄膜材料用液相外延或氣相外延工藝生長。

分類 微波鐵氧體器件種類很多:按功能分，有隔離器、環(huán)行器、開關(guān)、相移器、調(diào)制器、磁調(diào)濾波器、磁調(diào)振蕩器、磁表面波延遲線等;按結(jié)構(gòu)形式分，有波導(dǎo)式、同軸式、帶線式及微帶式;按工作方式分，有法拉第旋轉(zhuǎn)式、共振式、場移式、結(jié)式等;按所用材料分，有多晶鐵氧體器件，單晶鐵氧體器件，薄膜鐵氧體器件。

隔離器 一種非互易的兩端口微波鐵氧體器件。它只容許電磁波單向通過，反方向傳輸?shù)碾姶挪〞a(chǎn)生很大的衰減,常用于振蕩器與負(fù)載的隔離,消除電磁波反射造成的頻率漂移等影響。對器件性能的主要要求是:正向衰減小(一般不超過0.5~1分貝)，反向隔離大(一般大于20~30分貝),電壓駐波比小(一般不大于1.10~1.25),有一定的頻帶寬度，此外還應(yīng)規(guī)定承受功率和工作溫度等。

①法拉第旋轉(zhuǎn)式隔離器:利用電磁波在縱向磁化的鐵氧體棒中傳播時極化面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)(即法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng))制成的隔離器。這種隔離器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，承受功率低，工作頻帶窄，多用于毫米波段。

②共振式隔離器:利用鐵氧體的鐵磁共振特性(即對右圓極化波的高頻磁場有共振吸收現(xiàn)象，而對左圓極化波不存在共振吸收)制成的隔離器。它又分為波導(dǎo)式、同軸式或帶線式。這種隔離器體積小，可承受較大的功率，但頻率很高時制作困難。

③場移式隔離器:當(dāng)矩形波導(dǎo)中部分充填橫向磁化的鐵氧體時，則波導(dǎo)中電磁場的分布即與磁化方向和傳播方向有關(guān)。這就是場移效應(yīng)。利用這種效應(yīng)可以制成場移隔離器，主要用在厘米波段。但所能承受的功率低，多用于低駐波、高隔離的精密微波測試系統(tǒng)中。

④邊導(dǎo)模隔離器:當(dāng)以橫向磁化的鐵氧體為介質(zhì)的帶線或微帶中心導(dǎo)體寬度遠(yuǎn)大于鐵氧體的厚度時，電磁波傳播的主模式是邊導(dǎo)模。這種模式的主要特點是當(dāng)電磁波沿某一方向傳播時，能量集中于帶線的一邊，當(dāng)沿相反方向傳播時，則能量集中于另一邊。而且這種能量的集中與頻率無關(guān)。利用這種模式可以制成邊導(dǎo)模隔離器。這種隔離器結(jié)構(gòu)簡單，頻帶極寬，可以達(dá)到多倍頻程。

⑤集總元件隔離器:一種各端口內(nèi)部都與集總元件網(wǎng)絡(luò)相連的隔離器。主要用于微波低頻段和甚高頻段，可以顯著縮小隔離器的尺寸。

環(huán)行器 一種非互易的多端口微波鐵氧體器件。在這種器件中輸入任一端口的功率，都會按照一定順序傳輸?shù)较乱粋€端口。圖2為四端環(huán)行器，以1→2,2→3,3→4，4→1順序傳輸;如果外加磁場反向,環(huán)行順序也相反。環(huán)行器在微波電路中可用作雙工器(在一個天線上同時進(jìn)行接收和發(fā)射的雙重操作)和單端放大器(如二極管參量放大器)的輸入和輸出間的隔離。環(huán)行器的主要性能要求與隔離器相似。 ①法拉第旋轉(zhuǎn)式環(huán)行器:利用極化面旋轉(zhuǎn)效應(yīng)(法拉第效應(yīng))制成的環(huán)行器。它是早期應(yīng)用的一種波導(dǎo)鐵氧體微波器件，后來逐漸被結(jié)環(huán)行器所取代，但在毫米波段仍有應(yīng)用。

②相移式環(huán)行器:由雙T、方向耦合器和鐵氧體相移器等組成(圖3)。兩個雙T之間聯(lián)結(jié)波導(dǎo)的電長度是相等的，而相移器僅對從左面輸入的信號產(chǎn)生180°的相移。這樣，由1臂輸入的信號到達(dá)雙 T時是同相，從2臂輸出;從2臂輸入的信號到達(dá)雙 T時是反相，從 3臂輸出。依此類推，即能實現(xiàn)1→2，2→3，3→4，4→1的環(huán)行。這種環(huán)行器可承受較高的功率。 ③結(jié)環(huán)行器:在一個三端 120°軸對稱的波導(dǎo)或帶線結(jié)的中心放置鐵氧體片，并垂直加上恒定磁場即構(gòu)成一個 Y型結(jié)環(huán)行器。它具有結(jié)構(gòu)簡單、性能良好等優(yōu)點。它可做成T型，為了滿足微波集成電路的需要,可做成微帶結(jié)環(huán)行器。

④集總參數(shù)環(huán)行器:在較低的微波頻段,可以在Y型環(huán)行器的帶線中心導(dǎo)體結(jié)處構(gòu)成集總參數(shù)的電感，同時在各臂加上適當(dāng)數(shù)值的電容來分別調(diào)諧各個臂。這樣，就可用結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的集總參數(shù)元件來代替分布參數(shù)的帶線，使環(huán)行器的體積大大減小。

鐵氧體開關(guān) 利用鐵氧體的旋磁效應(yīng)制成的微波電路開關(guān)。常用環(huán)行器構(gòu)成，通過改變外磁場方向來完成開關(guān)作用。波導(dǎo)式和同軸式鐵氧體開關(guān)比較成熟，按磁路結(jié)構(gòu)它們又可分為內(nèi)回路式和外回路式。前者開關(guān)能量低，速度快;后者頻帶較寬。鐵氧體開關(guān)一般采用鎖式(或稱數(shù)字式)，開關(guān)時間可達(dá)微秒級，能承受較大的功率，插入損耗較小，多用于雷達(dá)、通信和其他微波系統(tǒng)中。

鐵氧體相移器 利用鐵氧體材料的磁化強度或張量磁導(dǎo)率隨外加磁場的變化來改變傳輸電磁波相位的微波器件。微波鐵氧體相移器的種類很多:按結(jié)構(gòu)可分為波導(dǎo)式、同軸式、帶線式或微帶式相移器;按互易性可分為互易和非互易相移器;按工作方式(激勵方式)可分為連續(xù)(模擬)和步進(jìn)(數(shù)字)相移器;按功率容量可分為高功率和低功率相移器等。鐵氧體相移器最主要的參數(shù)是品質(zhì)因數(shù)(或稱優(yōu)值)，以度/分貝表示,即1分貝衰耗時能達(dá)到的相移量。各種鐵氧體相移器可用于相控陣?yán)走_(dá)天線各單元的相位控制，在通信系統(tǒng)中也有廣泛的應(yīng)用。

鐵氧體調(diào)制器 利用交變外磁場控制鐵氧體材料旋磁效應(yīng)，對電磁波進(jìn)行調(diào)制的微波器件，如調(diào)相器、調(diào)幅器等。

鐵氧體調(diào)相器用于對微波信號進(jìn)行相位調(diào)制。它是在矩形波導(dǎo)中沿軸線方向放置一根鐵氧體棒，波導(dǎo)外面繞上線圈而構(gòu)成。當(dāng)微波信號通過波導(dǎo)時，其相位即受由載流線圈產(chǎn)生的徑向磁場而磁化的鐵氧體棒的影響而發(fā)生變化。載流線圈的安匝數(shù)越大,相位改變也越大;反之越小。當(dāng)線圈中通以交變電流時，則傳輸?shù)奈⒉ㄊ艿秸{(diào)制而成為交變調(diào)相波。

鐵氧體調(diào)幅器用于對微波信號進(jìn)行幅度調(diào)制，其結(jié)構(gòu)與調(diào)相器類似，不同的是在鐵氧體中間夾有平行于波導(dǎo)寬邊的噴涂鎳鉻合金電阻薄膜的云母片。當(dāng)微波信號通過波導(dǎo)時，因受到磁化的鐵氧體中電阻薄膜的影響而產(chǎn)生衰耗,衰耗量與載流線圈的安匝數(shù)成比例。因此,輸出的微波信號的幅度也就隨著衰耗大小而變化，成為微波調(diào)幅波。

磁調(diào)濾波器 釔鐵石榴石等單晶具有很低的微波損耗，用釔鐵石榴石單晶小球或圓盤作諧振器具有很高的Q值。諧振頻率靠調(diào)諧外磁場而改變。利用這種現(xiàn)象制成的濾波器稱為磁調(diào)濾波器或釔鐵石榴石調(diào)諧濾波器。磁場的調(diào)諧往往用改變電流的方法來實現(xiàn)，因此又稱電調(diào)濾波器。這種器件的特點是:調(diào)諧速度快且無機械運動，調(diào)諧線性好，調(diào)諧頻率范圍寬，主要用于電子對抗和微波儀器中。

磁調(diào)振蕩器 利用釔鐵石榴石單晶小球諧振器作為諧振回路元件的固體振蕩器，通常又稱釔鐵石榴石調(diào)諧振蕩器。它的主要特點是體積小，可在寬頻帶內(nèi)磁調(diào)諧。主要用于電子對抗和微波儀器中。

微波鐵氧體器件的應(yīng)用日漸增多。大部分器件還需要提高性能、降低價格和進(jìn)一步小型化、集成化、發(fā)展的重點將是電子對抗用的寬頻帶快速調(diào)諧器件、相控陣?yán)走_(dá)用的相移器和通信衛(wèi)星系統(tǒng)用的低損耗器件等。研究的重點是在具有信號處理功能的靜磁波器件和高頻段的毫米波器件方面。

參考書目

向仁生著:《微波鐵氧體線性器件原理》，科學(xué)出版社，北京，1979。

B.Lax and K.J.Button,Microwave Ferrites and Ferrimagnetics,McGraw-Hill,New York,1962.