Mw-6微波课件

1、第第6章章研究对象：研究对象： 无源微波器件无源微波器件(有限长、不均匀的传输线及其组合，它是对微波进行各种变换的装置.)； (典型的)射频传输系统射频传输系统。研究方法研究方法 ： 依据结构，用 “场”、“路”(长线理论、网络理论)的方法进行定性分析，介绍器件的功能。 无源微波器件的分类：无源微波器件的分类：按传输形式分：同轴元件、波导元件、微带元件等按工作模式分：单模元件、多模元件按端口多少分：一口元件，二口元件，多口元件按变换性质分：线性互易元件，线性非互易元件， 非线性元件等按填充介质分：一般介质填充器件，铁氧体器件等. 本章将按功能分类进行讲授。讲授内容：6.1（ 6.2 ） 连接元

2、件和变换元件6.3 分支元件6.4 终端元件6.5 衰减器和移相器6.6 定向耦合器6.7 微波滤波器6.8 微波铁氧体器件（隔离器、环行器）ch6微波技术微波技术ch6微波技术微波技术有：连接元件、终端元件、匹配元件、有：连接元件、终端元件、匹配元件、 衰减与相移元件、分路元件、滤波元件等。衰减与相移元件、分路元件、滤波元件等。 测量测量信号源信号源隔离器隔离器衰减器衰减器相移器相移器定向定向耦合器耦合器负载负载滤波器滤波器ch6微波技术微波技术(1).接头接头 1.1.连接元件连接元件 在微波技术中，把相同类型传输线连接在一起的装置统称为接头。常用的接头有同轴接头和波导接头两种。把不同类型

3、的传输线连接在一起的装置称为转接元件，又称作转换接头。常用的有同轴线与波导、同轴线与微带线、波导与微带线间的转接元件。 对接头的基本要求是：连接点接触可靠，不引起电磁的反射，输入驻波比尽可能小，一般在1.2以下；工作频带要宽；电磁能量无泄漏；结构牢固，装拆方便，易于加工等。 6.1 连接元件连接元件ch6微波技术微波技术波导抗流式法兰接头波导抗流式法兰接头4结构：结构：由一个刻有扼流槽的波导凸缘和一个平面凸缘构成，扼流槽成圆形，深/4，槽口至宽边中点也是/4（如上图所示）。 特点：特点：功率容量大，频带较窄，接触表面光洁度要求不高。应用：应用：厘米波段。ch6微波技术微波技术 抗流原理：抗流原

4、理：由于A点短路(AB+BC)的长度为/2，因此C点的输入阻抗为零，使两段波导的电气接触良好；又因B点向A点看去的输入阻抗为,电流为零，故即使两凸缘间稍有接触不良，也不产生功率损失。ch6微波技术微波技术抗流式同轴线接头抗流式同轴线接头ch6微波技术微波技术(2).转接元件转接元件 在将不同类型的传输线或元件连接时，不仅要考虑阻抗匹配，而且还应该考虑模式的变换。 A A、同轴线同轴线波导转换器波导转换器 连接同轴线与波导的元件，称为同轴线波导转换器，其结构如图所示。B B、波导波导微带转接器微带转接器 通常在波导与微带线之间加一段脊波导过渡段来实现阻抗匹配。 同轴线同轴线波导波导 波导波导微带

5、微带 ch6微波技术微波技术C、同轴线同轴线微带转接器微带转接器 同轴线微带转接器的结构如图所示。与微带连接处的同轴线内导体直径的选取与微带线的特性阻抗有关，通常使内导体直径等于微带线宽度。 D D、矩形波导矩形波导圆波导模式变换器圆波导模式变换器 矩形波导圆波导模式变换器，大多采用波导横截面的逐渐变化来达到模式的变换。 矩形波导矩形波导圆波导模式变换器圆波导模式变换器同轴线同轴线微带微带ch6微波技术微波技术6.2 变换元件变换元件1、方向变换、方向变换2、阻抗变换、阻抗变换ch6微波技术微波技术有波导接头、拐角、有波导接头、拐角、弯曲、扭转元件等。弯曲、扭转元件等。方向变换方向变换ch6微

6、波技术微波技术 阻抗变换器阻抗变换器 为了消除不良反射现象，可在其间接入一阻抗变换器，以获得良好的匹配。 常用的阻抗变换器有两种：一种是由四分之一波长传输线段构成的阶梯阻抗变换器(包括单节和多节)；另一种是渐变线阻抗变换器。 1 1、单节、单节 /4阻抗变换器阻抗变换器 如右图所示，若主传输线的特性阻抗为Z0，终端接一纯电阻性负载ZL ，但ZL Z0，则可以在传输线与负载之间接入一特性阻抗为Z01、长度l=p0/4的传输线段来实现匹配。 ch6微波技术微波技术设此时T0面上的反射系数为，则ZZZZj Z ZlLLL0002tg 上式取模为1120021 2Z ZZZLLsec在中心频率附近，上

7、式可近似为ZZZ ZLL002cosch6微波技术微波技术当 = 0时，此时反射系数的模达到最大值，由式(5-7)可以画出 随 变化的曲线，如图所示。 随 (或频率)作周期变化，周期为。如果设 为反射系数模的最大容许值，则由/4阻抗变换器提供的工作带宽对应于图中限定的频率范围。由于当 偏离时曲线急速下降，所以工作带宽是很窄的。ch6微波技术微波技术当 时 mmmLmLZ ZZZarccos21020通常用分数带宽Wq表示频带宽度，Wq与 m有如下关系Wfffqmmm210210224当已知ZL 和Z0，且给定频带内容许的 时，则由式可计算出相对带宽Wq值；反之，若给定Wq值，也可求出变换器的

8、，计算中 m取小于/2的值。mm对于单一频率或窄频带的阻抗匹配来说，一般单节变换器提供的带宽能够满足要求。但如果要求在宽频带内实现阻抗匹配，那就必须采用下面要讨论的多节阶梯阻抗变换器或渐变线阻抗变换器。ch6微波技术微波技术2、多节阶梯阻抗变换器多节阶梯阻抗变换器 多节阶梯阻抗变换器具有宽频带特性，现以下图所示的两节/4阶梯阻抗变换器为例进行分析。令变换器两端所接传输线的特性阻抗分别为Z0和ZL，并假设ZL Z0。每一节具有同样的长度l = p0/4，当工作于中心频率f0时，电长度 = l = /2。T0、T1及T2为各阶梯处的参考面，0、1及2分别为对应参考面上的局部电压反射系数。设两节/4

9、传输线段的特性阻抗分别为Z1和Z2，且ZL Z1 Z2 Z0，则局部电压反射系数分别为01010ZZZZ12121ZZZZ222ZZZZLLch6微波技术微波技术T0参考面上， UUU eU eriijij01224T0面上总的电压反射系数为UUeerijj01224然而在多节阶梯的情况下，由于多节突变面数目增多，参与抵消作用的反射波数量也增多，从而在m相同的条件下，使工作频带增宽。对于N节阶梯变换器 2201eNNjNcoscos 其模值为2201coscosNN ch6微波技术微波技术3 3、渐变线阻抗变换器、渐变线阻抗变换器 所谓渐变线，是指其特性阻抗按一定规律平滑地由一条传输线的特性阻

10、抗过渡到另一条传输线的特性阻抗。 只要增加/4阶梯阻抗变换器的节数，就能增宽工作频带。然而，节数的增加，导致变换器的总长度也随之增加。如果选用渐变线，则既可增宽频带又不致使变换器尺寸过大。 渐变线可以看作是由阶梯数目无限增多而每个阶梯段长度无限缩短的阶梯变换器演变而来，如图所示。 渐变线输入端总的反射系数in为inlinjzldedZ zdzdz02012 ln( )ch6微波技术微波技术6.3 分支元件分支元件应用应用：阵列天线馈电的重要器件1 1同轴型功分器同轴型功分器A A、二分支等功分器二分支等功分器：结构：结构：主线、两路支线和一个并联补偿式阻抗变换器。原理：原理：2001ZZch6

11、微波技术微波技术二分支不等功分器 同轴型可调功分器 ch6微波技术微波技术某雷达的功分器 ch6微波技术微波技术0012ZZl2.2.微带型功分器微带型功分器( (威尔金森功分器威尔金森功分器) ) 二等分功分器：二等分功分器： 通过OA和OB两个 /4 阻抗变换器来使主线匹配,时两支路呈等功率馈电； 跨接在A、B两点上的电阻R的作用是使两输出口、之间相互隔 离，调整 的长度是用来克服电阻R引线长度的影响ch6微波技术微波技术3.3.矩形波导分支接头矩形波导分支接头(1).(1).T T型接头型接头 功能：功能：将一路微波信号分成几路或将几路微波信号合成一路， 也可以作为微波加法器和减法器。波

12、导型波导型T型接头：型接头：单T分为：ET和HT； 双T（魔T）和折迭双T ch6微波技术微波技术AE-T： 结构：结构：如图6.3-7(a),由两旁臂和一个分支臂（E臂）构成，平面T为其对称面。 特点：特点：E臂中的电场与对称面T垂直。 等效电路：等效电路：平行双线串联分支单元电路。图图6.3-7 E-T接头及其等效电路接头及其等效电路E臂臂ch6微波技术微波技术E-T接头具有如下特性接头具有如下特性:（假定各端口只有TE10模） 当信号由端口1输入时，端口2和3都有输出； 当信号由端口2输入时，端口1和3都有输出； 当信号由端口3输入时，端口端口1和和2有等幅有等幅反相反相输出输出； 当信

13、号由端口1和2同相输入时，在端口3的对称面上可得到电场的驻波波腹,端口3的输出最小；若1,2口信号等幅,则端口3输出为零. 当信号由端口1和2等幅反相输入时，在端口3的对称面上可得到电场的驻波波节, 端口3输出最大.123图图6.3-5 E-T力力线线ch6微波技术微波技术E-T 接头的输入输出特性接头的输入输出特性ch6微波技术微波技术专用术语：专用术语：偶模激励：当两旁臂输入的TE10波等幅同相时，我们称之为偶模激励;奇模激励：当等幅同相时称之为奇模激励.对称场：当左半的镜象与右半的电力线完全重合时称之为对称场 （H-T中的H臂是这种情形）。反对称场：以E-T的对称面T为镜面将E臂中的电力

14、线分成两段，当左半 段的镜象与右半段方向相反时，我们称之为反对称场.ch6微波技术微波技术用专用术语讲用专用术语讲:E-T的特性：的特性：被偶模激励时E臂无输出； 被奇模激励时E臂输出反对称场。禁戒规则：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。E-T的较理想的应用：的较理想的应用： 功率从E臂输入，使之从两旁臂等分输出, 此时两旁臂的输出信号等幅反相。ch6微波技术微波技术 02221121121TESS矩阵可以写成：矩阵可以写成：ch6微波技术微波技术B. H-T： 结构：结构：如图6.3-7(b),由两旁臂

15、和一个分支臂（H臂）构成，平面T为其对称面。 特点：特点：H臂的场与其对称面T平行。 等效电路：等效电路：平行双线并联分支单元图图6.3-76.3-7 H-T H-T接头及其等效电路接头及其等效电路(b)H臂臂ch6微波技术微波技术H-T接头具有如下特性接头具有如下特性:（假定各端口只有TE10模） 当信号由端口1输入时，端口2和3都有输出； 当信号由端口2输入时，端口1和3都有输出； 当信号由端口3输入时，端口端口1和和2有等幅有等幅同相同相输出；输出； 当信号由端口1和2同相输入时，在端口3的对称面上可得到电场的驻波波节,端口3的输出最大； 当信号由端口1和2等幅反相输入时，在端口3的对称

16、面上可得到电场的驻波波腹, 端口3输出为零.ch6微波技术微波技术禁戒特性： 对称面T而言，H臂中的电场是对称场，所以由奇模激励的反对称场被禁戒 02221121121THS S矩阵可以写成：矩阵可以写成：ch6微波技术微波技术C、 魔魔T-双双T(四口网络四口网络)结构：结构： 如图5.3.4所示，它可以看成是由E-T和H-T组合而成。 为消除各端口的反射波，接头处置入匹配装置（匹配块、膜片和销钉、两个销钉等），如图6.3-89。 图图 6.3-8 （魔魔T）双双T接头接头ch6微波技术微波技术图图6.3-9(a) （魔魔T）双双T接头接头ch6微波技术微波技术魔魔T的特性：的特性：匹配性匹

17、配性： 即当各端口外接匹配源或匹配负载时，一旦使魔T的E臂H臂实现端口匹配，则旁臂1和2 自动实现端口匹配；均分性均分性： 即无论从哪个端口输入功率，经过魔T后均由相邻臂等分输出。隔离性隔离性： 即魔T的相对端口（指端口1、2或3、4）之间无能量输出. 即当端口1输入时，端口3、4输出，端口2被隔离。ch6微波技术微波技术例例：当端口1有信号 输入时，我们说，由匹配性，端口1无反射， ；由均分性由隔离性 。1a01b; 14321abb02b 001100111100110021TMS S矩阵可以写成：矩阵可以写成：ch6微波技术微波技术 折迭双折迭双T 结构：结构： 如图6.3-9(b)(c

18、)所示，可以看成是魔T的变形。按折叠方向的不同分为E折双T(b)和H折双T(c)两种。 E折双折双T：将魔T的两旁臂在E面上折弯90而成 H折双折双T：将两旁臂在H面上折弯90而成 注：注：E面是指波的电场方向与传播方向所决定的平面；H面是指波的磁场方向与传播方向所决定的平面。 优点：优点：折迭双T的结构紧凑，频带较宽，便于和外界电路连接，实际中多用此结构。 图图6.3-9(b) 折叠折叠双双T接头接头ch6微波技术微波技术图图6.3-9(c) 折叠折叠双双T接头接头ch6微波技术微波技术T形接头在雷达中的应用形接头在雷达中的应用例：两个魔T组成的平衡式收发开关图图5.3.7 雷达的平衡式收发

19、开关雷达的平衡式收发开关ch6微波技术微波技术1 1全匹配负载全匹配负载： 技术要求技术要求：驻波比小，频带宽，无泄漏，稳定性好 类型类型：波导型；同轴型 应用应用：微波测量（小功率）；大功率等效天线（俗称假负载）图图 6.4-1 波导型小功率全匹配负载波导型小功率全匹配负载 图图 6.4-2 大功率全匹配负载大功率全匹配负载6.4 终端元（终端元（一口网络）一口网络）ch6微波技术微波技术图图.平面阵列天线系统原理框图平面阵列天线系统原理框图终端匹配负载终端匹配负载ch6微波技术微波技术2短路活塞：常接于微波电路终端通过对微波的全反射提供一个可 调电抗 类型：直接接触式；抗流式-“机械上不接

20、触，电器上接触良好”。（a）直接接触式 (b) 扼流式ch6微波技术微波技术6.5 矩形波导中的衰减器和移相器矩形波导中的衰减器和移相器 衰减衰减与与相移相移元件分别是是用来改变导行系统中电磁场元件分别是是用来改变导行系统中电磁场的的幅度幅度和和相位相位的。的。 衰减器和相移器衰减器和相移器联合联合使用，可以调节导行系统中电磁使用，可以调节导行系统中电磁波的波的传播常数传播常数。(在衰减器或相移器段在衰减器或相移器段)ch6微波技术微波技术00lleeS刀形吸收式衰减器刀形吸收式衰减器 吸收式衰减器吸收式衰减器 理想衰减器理想衰减器(对相移不要求对相移不要求)的散射矩阵：的散射矩阵：有耗有耗2

21、1lea-吸收吸收片片ch6微波技术微波技术吸收式衰减器 ch6微波技术微波技术截止截止式式衰减器衰减器ch6微波技术微波技术式中式中 为相移器的相移量。为相移器的相移量。l00jjeeS理想相移器（要求不引入附加的衰减）的散射矩阵为理想相移器（要求不引入附加的衰减）的散射矩阵为介质移相器：利用低损耗的介质薄片介质移相器：利用低损耗的介质薄片( (一般为聚苯乙烯一般为聚苯乙烯) ) 介质片介质片ch6微波技术微波技术定向耦合器定向耦合器: : 是按一定比例从微波系统中提取能量提取能量，使之沿一沿一定方向输出定方向输出( (定向传输特性定向传输特性) )的四口元件。 它常用来测量和监视微波系统的

22、工作状况。 例如:用定向耦合器可以测量传输线上的入射波和反射波，从而测量反射系数。6.6.16.6.1定向耦合器的一般特性定向耦合器的一般特性 定向耦合器是四端口网络，它由主线和副线两部分组成，主副线间通过一定结构(如金属片、小孔、缝隙)互相耦合。6.6 定向耦合器定向耦合器ch6微波技术微波技术主要参数：主要参数： 耦合度：耦合度：是副线对主线中信号的耦合强弱的量度，定义式为 (5.5.1) 式中, Pi是主线上的入射功率，Pt 是沿副线正方向传输的功率。Kt 越大表示耦合越弱，通常， 约为2030dB。 方向性：方向性：表示耦合信号定向传输的程度，其定义式为 (5.5.2) 式中,Pu 是

23、沿副线反方向传输的功率. 在理想情况下Pu =0 ,KD；通常KD 30dB，即 为Pt 的千分之一。)(lg10dBPPKtit)(lg10dBPPKutDch6微波技术微波技术 按照耦合功率与入射功率传输方向的关系，定向耦合器分为正向耦合、反向耦合、90耦合等清况。 将上述概念用于三分贝电桥可知，三分贝电桥也是一种定向耦合器，称为3dB定向耦合器.6.6.2同轴定向耦合器同轴定向耦合器 同轴型定向耦合器，常用在米波和分米波雷达中，用于监视主同轴线中的入射波和反射波，从而测量传输线的反射系数及雷达的传输功率、工作频率、脉冲频谱脉冲包络形状等信息。 工作原理工作原理 如图所示。ch6微波技术微

24、波技术两芯线可看成一电容EHS0图图. HnJsch6微波技术微波技术 如上图，功率传输方向从左向右，假定某一瞬间，两芯线间电场方向朝副线，则在副线外表面磁场方向穿出纸面。 因此： (1). 图a中的电耦合可看成：是通过两芯线间的电容耦合实现的，耦合电容将微波能量分流，在副线上形成电流 i1和 i2，分别指向左方和右方； (2). 图b中的磁耦合在副线上形成电流 i3，其方向可由 式 JS = n H 判断，这时i3 指向左方。 (3). 图c为两种耦合成分互相迭加的情况: 在副线左边, i1与 i3 同相, 合成电流是i1 + i3； 在副线右边, i2 与 i3 反相,合成电流是i3 -

25、i2 。故能量在副线中的传输具有定向性（指向左方）。 在工程中总是使主线和副线呈适当交角，尽可能保证，i3 i2 = 0 , 从而改善该器件的方向性。 从主线输入和副线输出的方向看，这是一种反向耦合器反向耦合器。ch6微波技术微波技术图图例例：某雷达的定向耦合器ch6微波技术微波技术6.6.3波导型定向耦合器波导型定向耦合器 波导型定向耦合器有多种类型，这里介绍双孔型、单孔型和十字型。 1.波导型双孔定向耦合器波导型双孔定向耦合器 结构结构: 波导型双孔定向耦合器如图5.5.4a所示，它由主波导和副波导构成，在公共窄壁上开有两个耦合小孔，小孔间距为g/4 以实现良好的定向性。图图 波导型双孔定

26、向耦合器波导型双孔定向耦合器ch6微波技术微波技术图图 5.5.4 波导型双孔定向耦合器波导型双孔定向耦合器双孔定向耦合器的工作原理双孔定向耦合器的工作原理: 如图5.5.4b所示。当信号从1口输入时，分别从小孔1和小孔2以磁耦合方式耦合到副线并在副线中向左右两个端口传输。其中，向右传输的一支的波程相同，同相迭加，向左传输的一支的波程相差g/2，反相相减，于是便有了定向性。它是一种正向耦合器。ch6微波技术微波技术 2.波导型单孔定向耦合器波导型单孔定向耦合器 结构结构: 波导型单孔定向耦合器如图5.5.5所示，它由主波导和成一定交角的副波导构成，在公共宽壁上开有一个耦合小孔，由小孔的电磁耦合

27、特性而实现良好的定向性。图图 5.5.5ch6微波技术微波技术 波导型单孔定向耦合器的工作原理波导型单孔定向耦合器的工作原理: 由图可见， 图图 当TE10 波沿主线从左向右传输时，如果某一瞬间电场的方向在耦合孔处是向上的，则磁场的方向应从纸面向外。 通过小孔的电场耦合在副线中产生的电场在小孔的两侧是同向的，方向均向下，如图a所示。由磁场耦合产生的电场在小孔的两侧是反向的，这是因为，小孔在波导宽壁中央，流经耦合孔的只有纵向电流，而纵向电流被该孔截断后，分别从孔的右侧流入副线合从孔的左侧流出副线，如图b所示. ch6微波技术微波技术 因此，小孔两侧的电场为右边向上，左边向下。电场耦合和磁场耦合共

28、同作用的结果，在副线左边的电场同向加强，右边的电场反向削弱，如图c所示。 这样，副线中便有了方向性，它是一种反向耦合器。图图 ch6微波技术微波技术 主副线之间有一定夹角是为了改善定向性。如图5.5.7所示，H代表主线内小孔处的横向磁场，Hx和Hz是它沿副线的宽边和轴向的两个分量，三者有如下关系：sincosHHHHZX 由于沿副线轴向的磁场份量，对耦合无贡献，所以只需考虑沿副线宽边的磁场分量。只要角选择适当，副线中右侧经磁场耦合和经电场耦合所产生的电场就能彼此抵消，从而改善副线中的方向性。ch6微波技术微波技术 3.波导型十字缝定向耦合器波导型十字缝定向耦合器 结构结构: 波导型十字缝定向耦

29、合器如图所示，它由相互垂直的主、副波导构成，在公共宽壁上正方形的对角线适当处开有十字缝形耦合小孔，由于字缝的圆极化耦合作用而实现良好的定向性。图图 ch6微波技术微波技术 判断法则判断法则: 过十字缝作一条对角线，则主线输入到达对角线前折弯90度能与对角线相交的地方就是副线中耦合信号的传输方向，如图5.5.11所示。我们称十字缝向耦合器为垂直耦合器。 为增强耦合，可以在一条对角线上开两个十字缝（见5.5.12a），还可以增加缝隙长度,这样做时通常将十字缝旋转45度（见5.5.12b）图图ch6微波技术微波技术三分贝电桥三分贝电桥-3dB电桥电桥 功能：把一路信号分成振幅相等、相位不同的两路信号

30、，也可以把振幅相等相位成一定关系的两路信号合并成一路信号输出并使两输入支路互不干扰。衰减量：若三分贝电桥的输入功率为 ，输出功率为 和 ，则应有 ,每已支路对输入功率的衰减是类型：分支线电桥、环行电桥、波导裂缝电桥分析方法：三分贝电桥是四口网络，可用奇偶模分析法来分析它的特性。1P2P3P2132PPPdBPPA3lg1021ch6微波技术微波技术一、分支线三分贝电桥一、分支线三分贝电桥1二分支三分贝电桥二分支三分贝电桥分类 导型：同轴型，微带型，波按传输线型式分分支，多分支按结构分：二分支，三ch6微波技术微波技术原理： 奇偶模分析法，当偶模激励时对称面处为开路状态，它将电桥分为完全对称的两

31、半，每一半都有主线和两段/8开路分支线构成， 开路分支线在主线处的输入导纳是： 001)8(jYtgjYY等效电路是由两个并联导纳和一个传输线段等三个单元电路级联而成 ch6微波技术微波技术奇模激励时对称面处为短路状态，它将电桥也分为完全对称的两半，每一半都有主线和两段 短路分支线构成短路分支线在主线处的输入导纳是0028jYctgjYY8等效电路也有三个单元电路级联而成 ch6微波技术微波技术5.89 微波铁氧体器件微波铁氧体器件(Ferrite Devices) 铁氧体铁氧体(Ferrite) 是一种非金属磁性材料，常由氧化铁与其它金属氧化物混合烧结而成。分子式可表示为MOFe2O3，其中

32、M表示二价金属分子，在微波波段通常指MgMn、MgMnAl、NiZn、NiCo、Li等。 特点特点: (1).电阻率很高接近于绝缘体，电磁波可在其中传播； (2).具有磁各向异性磁各向异性，表现出铁磁谐振效应、出铁磁谐振效应、Faraday 效效应、场移效应应、场移效应。 因此，不同方向的微波信号通过时将呈现不同的响应。利用这些效应,可制作隔离器、环行器、移相器ch6微波技术微波技术一、铁氧体的磁各向异性和铁磁谐振效应一、铁氧体的磁各向异性和铁磁谐振效应 1朗道栗弗西兹方程朗道栗弗西兹方程理想无耗铁氧体的朗道栗弗西兹（Landau-Lifshitz）方程是 dM / dt = （MH） M-铁

33、氧体的磁化强度H-施加于铁氧体的磁场强度-旋磁比，且有 2.21 105 （弧度米 / 秒安）ch6微波技术微波技术2铁氧体的张量导磁系数铁氧体的张量导磁系数（1）当只有外加磁场，是沿z轴的恒定磁场，即 H H0k时，朗道栗弗西兹方程的分量形式是：000dtdMMHdtdMMHdtdMzxyyx1000000sincosMMMMMMzyx其解是：0-铁氧体的本征进动频率或拉摩（Larmar）进动频率 0 H0物理意义物理意义：在恒定磁场作用下，磁化强度M与H0的夹角保持不 变，称为铁氧体被磁化。 ch6微波技术微波技术（2）如果外加磁场为恒定磁场H0和交变磁场h的共同作用，即H H0k + h

34、ejth hxi + hyj + kzk将磁化强度也分为两部分：M M0k + mejtm mxi + mj + mk 在小信号状态，即 h H0，m M0 时，朗道栗弗西兹方程的解为：022000022020002200002202000zxyyyxxmhjHMhHMmhjHMhHMmch6微波技术微波技术由磁感应强度的定义: b = 0（ h + m ） 可得:zzyxyyxxhbhjkhbjkhhb33式中 2200000220200001HMkHM矩阵形式是： b h 330000jkjk-张量导磁系数张量导磁系数 ch6微波技术微波技术3. 磁各向异性磁各向异性：从张量导磁系数可见H

35、0为一特殊方向，这一方向上bz33hz，即铁氧体与普通的介质 无异；在与H0垂直的方向（x，y方向），沿x方向的磁场分量hx不仅对x 方向的磁感应强度bx有贡献，而且还对y方向的 磁感应强度by有贡献， hy亦然。铁磁谐振效应铁磁谐振效应：由（5.8.14）式，当0时， ，k，我们称这种现象为铁氧体的铁磁谐振效应铁磁谐振效应。在铁磁谐振状态下将伴随对交变磁场能量的强烈吸收，据此可以制成谐振式铁氧体器件。ch6微波技术微波技术4铁氧体的正负圆极化导磁系数铁氧体的正负圆极化导磁系数 正圆极化场正圆极化场：以恒定磁场H0为基准，我们将与之成右手螺旋关系的磁场称为正圆极化磁场，记为h+（t）； 负圆极

36、化场负圆极化场：与H0成左手螺旋关系的磁场称为负圆极化磁场，记为h（t）。将正负圆极化的概念用于（5.8.13）式，可得：0)()(zyyxxbhkbhkbch6微波技术微波技术 即b和h成正比例关系，已不是张量关系：b （）h h式中表示铁氧体对正、负圆极化磁场的导磁系数，且有)20. 8 . 5(1)19. 8 . 5(10000000000HMkHMkch6微波技术微波技术 曲线讨论如下：(1)0时称为磁共振点，这时H0=/，铁氧体处于铁磁谐振状态。(2)0时H0/称为低场区，这对应 r 曲线的左半支。(3)0时H0/称为高场区，这对应 r 曲线的右半支。结论结论：通过改变H0可以改变铁

37、氧体的导磁系数，因此也常称H0为偏置磁场。线极化磁场正、负圆极化的迭加平面电磁波（线极化磁场）：先将它分解成 h再分析。 00rr低场区低场区高场区高场区ch6微波技术微波技术二、平面波在无耗铁氧体中的传播平面波在无耗铁氧体中的传播(Propagation of SUPW in Ferrite)1纵向磁化情形和法拉第效应纵向磁化情形和法拉第效应当外加磁场H0与平面波传播方向k相一致时称为纵向磁化情形。电磁场分量是：xyxyzxjHHjEEHE0上式表明： 电磁场的解是正、负圆极化的，且电场的极化特性与磁场的相同； 上式还表明，在纵向磁化情形，TEM波被分解为正负圆极化波.ch6微波技术微波技术

38、正负圆极化波的传播特性正负圆极化波的传播特性：当它们在铁氧体中传播某一距离l后，正负圆极化磁场所合成的新的线极化磁场被旋转一个角度，-法拉第旋转效应法拉第旋转效应1gk1gk lltlt212121ch6微波技术微波技术法拉第旋转效应的特点法拉第旋转效应的特点： 1. 是一种非互易效应是一种非互易效应：由于h 是以 H0为基准定义的，故当TEM波的传播方向反向后，的转向不会改变。 例如，当波沿z轴行进l后再返回原处时，法拉第旋转角是2。 2. 的转向与的转向与 H0 的关系是的关系是： 在低场区（0rr）时与H0呈右手关系右手关系， 在高场区（rr）时与H0成左手关系左手关系。 ch6微波技术

39、微波技术2横向磁化情形和双折射效应横向磁化情形和双折射效应横向磁化情形：当外加磁场H0与平面波传播方向k相垂直时称为横向 磁化情形电磁场的解是：zxyxzyHEHHEE333300yxyzzyxeHkjHHkjEHEE0或：式中 称为有效导磁系数22kch6微波技术微波技术规律：规律：横向磁化时横向磁化时, ,铁氧体也将铁氧体也将TEM波分解为两种模式的波波分解为两种模式的波 寻常波或o波： （5.8.29）式表示的是TEM波，它的0与铁氧体的磁化状态无关，故称为寻常波或o波；非寻常波或e波， （5.8.30）式表示的是TE波，它的e与铁氧体的磁化状态有关，故称为非寻常波或e波；0曲线与图5.

40、8.4中的+r0曲线十分相似。 双折射效应双折射效应：横向磁化铁氧体中传播的TEM波被分裂为o波和e波的现象 称为双折射效应，有时也借用光学中的术语称为卡登冒登效应。 ch6微波技术微波技术三、铁氧体隔离器三、铁氧体隔离器 隔离器隔离器: 是一种单向传输器件，它使正向传输的电磁波顺利通过，而使反向传输的电磁波被衰减。 主要技术参数：主要技术参数： 正向损耗一般为0.20.3dB； 反向衰减一般在25dB以上。 输入驻波比一般小于1.2，要求较高的场合则小1.1； 频带宽度根据工程需要从百分之几至百分之几十。 ch6微波技术微波技术1旋转式隔离器旋转式隔离器-根据法拉第效应制作的一种纵向纵向 磁

41、化磁化元件 结构：结构：如图5.8.7.图5.8.7 450旋转式隔离器的结构 ch6微波技术微波技术图5.8.8 450旋转式隔离器的工作原理 工作原理工作原理 : 如图5.8.8,(1).波导1输入TE10波，E宽边；经过圆波导段后极化方向右旋450；正好 与波导2中的TE10波的场结构一致，从波导2输出；(2).波导2输入TE10波，经过圆波导段后极化方向仍然右旋450，与波导2中的 TE10波的电场方向正交，故波导1没输出。TE10ch6微波技术微波技术2场移式隔离器场移式隔离器-场移式隔离器是一种场移效应制成 的横向磁化横向磁化元件 结构：由铁氧体和衰减片构成，铁氧体置于TE10 波

42、的圆极化磁场处，通过介质片固定在波导窄壁上，衰减片贴在铁氧体片的另一侧，安装在上下窄壁上的永久磁铁用来提供横向偏置磁场。图5.8.9 隔离器（横向磁化） ch6微波技术微波技术A:左圆极化左圆极化B:右圆极化右圆极化ch6微波技术微波技术场移效应：图a是电磁波穿入纸面的情形，由于铁氧体片处于TE10波的磁场是左圆极化的，所以对外加磁场H0 而言是正圆极化的，选择低场区的H0值使正圆极化导磁系数0，这意味着它比空气中的0小的多，因此使电磁波集中在空气填充部分传播，这时铁氧体的作用就好像是将电磁能量往外排斥一样，使铁氧体与空气的界面处电场分量 Ey很小；图b是电磁波穿出纸面的情形，这时铁氧体处TE

43、10 波的磁场是右圆极化的，所以对外加磁场H0而言是负圆极化导磁系数略大于空气中的0 ，又由于铁氧体的介电常数比空气中的0大许多，因而电磁波集中在铁氧体内传输，铁氧体的作用就好像是把电磁能量往里集中一样。铁氧体的这种改变场分布的作用就称为场移效应。 （a）（b）ch6微波技术微波技术 铁氧片体贴上衰减片后，当电磁波穿入纸面时，衰减片处电场Ey很小，因而衰减很小，电磁波顺利通过；当电磁波穿出纸面时，衰减片处Ey电场很大，可以形成大的衰减。ch6微波技术微波技术 3谐振吸收式隔离器谐振吸收式隔离器谐振吸收式隔离器是根据铁磁谐振效应制成的一种横向磁化元件。它的结构与场移式隔离器相似，不同之处是没有衰

44、减片 当电磁波从A端传至B端时：铁氧体处是负圆极化磁场，衰减很小，电磁能量顺利通过；当电磁波从B端传至A端时：铁氧体处是正圆极化磁场，铁氧体呈现强烈的谐振吸收，造成很大衰减，起到反向隔离作用。ch6微波技术微波技术三种铁氧体隔离器的适用范围：谐振式隔离器具有较大的散热效率，适用于中功率；场移式隔离器由于衰减片较薄，散热效果较差，只适用于小 功率；旋转式隔离器的结构较复杂，体积较大，又较难外加偏置磁 场，故较少应用。ch6微波技术微波技术 四四、移相器、移相器功用：对通过它的微波信号产生它的微波信号产生预定的相移量。它是相控阵雷达的关键部件，也是微波测量中必不可少的元件技术参数： 移相精度：它是

45、指工作频带内相移量的最大误差 | max与标称值0之比，通常 | max能做到几度至十几度。 移相速度：指移相器转换相移值的速度，一般非锁式移相器可达毫秒量级，锁式移相器可达微秒量级。 类型：相移量固定式，连续可调的模拟式和可调变的数字式等ch6微波技术微波技术1矩形波导互易移相器矩形波导互易移相器结构：由矩形波导内放置纵向磁化的铁氧体圆棒或方杆构成，在矩形波导外面绕有励磁线包作控制相移量用。特点：结构简单、偏置磁场小、相移量大等优点应用：在AN / FPS33 相控阵雷达中被使用。ReggisaSpencer 移相器 原理： 改变激励电流 H0改变改变改变相移量改变ch6微波技术微波技术2场

46、移式移相器场移式移相器结构：与场移式隔离器基本相同，只是没有衰减片。原理：铁氧体放置的位置分别处于两个波导的正负圆极化点上。由于 正、负向传输时电磁波的值相差很大，因此可以构成差移相 器。原理：。电磁波沿z 方向传输时，波导中的波比中的滞后90；沿z 方向传输的反向波，则正好相反，波导中的波比中的超前90。ch6微波技术微波技术3锁式铁氧体移相器锁式铁氧体移相器-数字式应用：相控阵雷达中以实现波束在空间的快速扫描。结构特点：采用一种磁滞回线近于矩形的块状铁氧体材料，将它 放置在矩形波导中，中央沿轴向穿一导线，利用通入导线 的脉冲电流来实现移相。原理：由于磁滞回线近于矩形，剩磁很大，故脉冲过后铁

47、氧体上 能维持所激励的直线磁化强度，直至下一脉冲电流来改变其 状态为止，因而称锁式。 当穿心导线上脉冲电流沿z方向时，铁氧体横截面上磁场H0 为左上右下，这样它的结构就类似于前述场移式差相移器的基本 结构 指标：正向损耗（插入损耗）约为0.51dB，隔离度大于20dB。ch6微波技术微波技术ch6微波技术微波技术五、环形器环形器-环形器又称环流器功率流向：功率流向： 1231（图4.7.15）技术指标技术指标： 正向损耗（插入损耗）约为0.51dB 隔离度大于20dB。 三端环形器示意图 ch6微波技术微波技术1Y结环形器结环形器-Y结环形器是一种三口网络 原理：适当选择H0的大小（如低场区）

48、和铁氧体的直径使30，就可以使能量全部从2口输出，也就是说使之具有环形方向1231（图4.7.18c）。可见，这时的环形方向与H0成左手螺旋关系。在铁氧体工作于高场区时，旋转角一般要大些，如角为150时就可能使1口输出的能量全部从3口输出，这时的环形方向为1321，与H0成右手螺旋关系。ch6微波技术微波技术结区入射场的极化状态 Y结环形器的环形原理 ch6微波技术微波技术警XX雷达中由两个Y结构成的四端环形器的四端环形器 原理： 1口接天线收发开关，2口接参量放大器，3口接混频器，4口接匹配负载。来自天线的信号进入端口1时，从2口输出至参放，经参放放大后的信号又输入到2口，从3口输出至混频器；由于匹配不理想，而由混频器反射的信号会进入3口，经4口输出至匹配负载，不会会费奥参放