第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
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微波铁氧体课件
二、铁磁共振线宽△H
定义: 当 ω一定,调节外加磁场,产生铁磁共振，则 代表损耗的磁导率虚部μ达到最大 μ max，这种现象 称为铁磁共振。当μ=(1/2) μmax 所对应两个磁场分 别为Ha和Hb，则定义△H = Ha - Hb 为铁磁共振吸 收线宽。
1．△H愈窄,谐振点吸收愈大,如谐振式隔离器的优 值 R (4ω/ r△H)2 ；远离谐振点，吸收往往愈小(与 电损耗有关)即尾巴小，因此希望△H小好;
2 ．但如应用f0↑,Hi大,如3公分(f = c/λ =1010Hz)低场 器件, △H较宽,也无多大影响，因随f↑,谐振Hi ↑,谐振 峰远离低场区;
三、居里温度 Tc
居里温度影响微波铁氧体的温度稳定性,在高功率 或高温环境中应用时，必须考虑材料的居里温度。 大多数单元石榴石的居里温度都在550~560K左右。
本课完 （谢谢大家合作）
四、基本磁化曲线及磁滞回线
对于在低场区应用的旋磁材料，可能由于磁化尚 未饱和，材料的磁化强度将信赖于外加恒磁场， 其变化关系即为静态基本磁化曲线。在此情况下， 基本磁化曲线是旋磁材料的一个指标。
五、微波铁氧体材料的损耗
旋磁损耗分类：磁损耗（共振损耗，低场损耗）， 电损耗（介电损耗）
损耗机理：
2.Sm.Ho,Dy,Yb,Tb等的R3Fe15O12由于L≠ 0, S--L耦合 存在,表现出高k1,特别在低温具有很大的k1,这些离 子称为快弛豫离子；
3.Co2+的L≠ 0为正k1,在微波中为快弛豫离子,低功率 器件要避免；
4.为了降低石榴石铁氧体的K1值，常采用加入适量 的非磁性离子In3+,Zr4+,Sn4+, Ti4+,Ge4+,V5+ 等取代 Fe3+；
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
6.1－2铁氧体材料的基本性质
(1)单电子的在均匀磁场H0中的自旋进动
当偏置磁场H0↑ 就有更多偶极子与H0排成一线一直增加到全
部偶极子排成一线为止，M达到上线此时材料达到饱和，用 Ms表示饱和磁化强度值从300到5000高斯。低于饱和的情况 在微波频率损耗很大。因此铁氧体通常工作在饱和状态下。
Ms与材料的温度T有关T↑， Ms↓，在一定温度下TC（居里温度） Ms为零。
arc tg
Ey Ex arc tg E ym Exm
显然，ө将是一个固定值，不会随时间而变，合成场E的端点轨迹将是一直 线，它随时间的变化实际上就只是随Ex、Ey大小的变化作相应升长或缩短
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件 §6.1微波在铁氧体中的传播特性 (2)圆极化
Exm Eym E0
按 幅值是否相等与 x y 为不同的值，将电磁波分为电 磁波的极化分为直线极化、圆极化与椭圆极化。
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
§6.1微波在铁氧体中的传播特性
(1)、直线极化
x y
0,
任何瞬时的合成电场 波的直线极化
E Exm2 Eym2 cos(t kz )
6.1－2铁氧体材料的基本性质
(2)单电子的在恒定磁场H0与高频磁场H共同作用 中的自旋进动磁导率张量[]
只有高频磁场的横向分量Hx、Hy才对铁氧体的交变磁化强度有 贡献，而高频磁场的纵向分量Hz并不引起交变磁化强度。 而且，当高频磁场的频率ω=ω0=γ0H0时，就会出现铁磁共振 . 高频磁场H与H0垂直，处于xy平面内 必须条件：顺H0正方向看为右旋圆极化时才会产生铁磁谐振现 象.
e m0 P P m
微波技术基础微波元器件第六章
上式取模为
1
2 2 Z Z 0 L 1 sec ZL Z0 12
在中微波技术》
ZL Z0 2 Z0 ZL
cos
6-2 变换元件---阻抗变换器
当 = 0时，此时反射系数的模达到最大值，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 Γ m 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。
《微波技术》
6-2 变换元件---阻抗变换器
当 m时
m arccos
2 1
m 2 m
Z0 ZL
Z L Z0
通常用分数带宽Wq表示频带宽度，Wq与 m有如下关系
f 2 f1 2 1 π m m 4 Wq 2 m f0 0 π2 π
当已知ZL 和Z0，且给定频带内容许的 m 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 m，计算中 m取小 于/2的值。
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。 《微波技术》
当Γ0, Γ1, … 等值给定时, 上式右端为余 弦函数cosθ的多项式, 满足|Γ|=0的cosθ 有很多解, 亦即有许多λg使|Γ|=0。这就 是说，在许多工作频率上都能实现阻抗匹 配, 从而拓宽了频带。显然, 阶梯级数越 多, 频带越宽。
6-2 变换元件---阻抗变换器
三、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
微波铁氧体ppt课件
2 ．但如应用f0↑,Hi大,如3公分(f = c/λ =1010Hz)低场 器件, △H较宽,也无多大影响，因随f↑,谐振Hi ↑,谐振 峰远离低场区;
.
三、居里温度 Tc
居里温度影响微波铁氧体的温度稳定性,在高功率 或高温环境中应用时，必须考虑材料的居里温度。 大多数单元石榴石的居里温度都在550~560K左右。
3>.YGdIG: Gd3+(4f7)取代Y,主要目的下降4πMs(室 温),且|△M /△T |小→稳定性好;由于无轨道L, △H, BiGaVIG; 1.与YAlIG相比,如4πMs相同, Tc↑ ，△H↓高功率特性
较好; 2.掺入V可降低 T烧; 3.Ca、V代Y降低成本; 1>. YCaVIG:加In3+离子分布为: {Y3-2xCa2-x}[Fe2-yIny]
.
综合以上因素，微波铁氧体材料应满足的基本要 求为： 高的旋磁比、低的损耗、宽频频、高的功率负荷 及良好的温度稳定性； 基础磁特性： 饱和磁化强度4πΜs：200~5500×10-4T 居里温度Tc：100~600℃ 在微波频段其介电常数约为：8~16
.
第二讲 尖晶石、石榴石系微波铁氧体
一、尖晶石系微波铁氧体： ①4πMs高, Tc高,成本低,应用范围广泛, △H由几十到
.
二、铁磁共振线宽△H
定义: 当 ω一定,调节外加磁场,产生铁磁共振，则代 表损耗的磁导率虚部μ达到最大 μ max，这种现象称 为铁磁共振。当μ=(1/2) μmax 所对应两个磁场分别 为Ha和Hb，则定义△H = Ha - Hb 为铁磁共振吸收 线宽。
1．△H愈窄,谐振点吸收愈大,如谐振式隔离器的优 值 R (4ω/ r△H)2 ；远离谐振点，吸收往往愈小(与 电损耗有关)即尾巴小，因此希望△H小好;
.
三、居里温度 Tc
居里温度影响微波铁氧体的温度稳定性,在高功率 或高温环境中应用时，必须考虑材料的居里温度。 大多数单元石榴石的居里温度都在550~560K左右。
3>.YGdIG: Gd3+(4f7)取代Y,主要目的下降4πMs(室 温),且|△M /△T |小→稳定性好;由于无轨道L, △H, BiGaVIG; 1.与YAlIG相比,如4πMs相同, Tc↑ ，△H↓高功率特性
较好; 2.掺入V可降低 T烧; 3.Ca、V代Y降低成本; 1>. YCaVIG:加In3+离子分布为: {Y3-2xCa2-x}[Fe2-yIny]
.
综合以上因素，微波铁氧体材料应满足的基本要 求为： 高的旋磁比、低的损耗、宽频频、高的功率负荷 及良好的温度稳定性； 基础磁特性： 饱和磁化强度4πΜs：200~5500×10-4T 居里温度Tc：100~600℃ 在微波频段其介电常数约为：8~16
.
第二讲 尖晶石、石榴石系微波铁氧体
一、尖晶石系微波铁氧体： ①4πMs高, Tc高,成本低,应用范围广泛, △H由几十到
.
二、铁磁共振线宽△H
定义: 当 ω一定,调节外加磁场,产生铁磁共振，则代 表损耗的磁导率虚部μ达到最大 μ max，这种现象称 为铁磁共振。当μ=(1/2) μmax 所对应两个磁场分别 为Ha和Hb，则定义△H = Ha - Hb 为铁磁共振吸收 线宽。
1．△H愈窄,谐振点吸收愈大,如谐振式隔离器的优 值 R (4ω/ r△H)2 ；远离谐振点，吸收往往愈小(与 电损耗有关)即尾巴小，因此希望△H小好;
电磁场课件-第四章微波铁氧体元
在应用方面，镍锌铁氧体主要 用于制作微波器件，如滤波器 、耦合器、隔离器等，对提高 通信设备的性能和稳定性具有 重要作用。
石榴石型铁氧体
石榴石型铁氧体是一种具有优异磁性 能的铁氧体材料，广泛应用于微波领 域。
石榴石型铁氧体的制备方法包括固相 反应法、化学共沉淀法、溶胶-凝胶法 等，不同的制备方法对材料的结构和 性能有一定影响。
03
微波铁氧体元材料
锰锌铁氧体
锰锌铁氧体是一种具有优异磁性能的 铁氧体材料，广泛应用于微波领域。
锰锌铁氧体的制备方法包括固相反应 法、化学共沉淀法、溶胶-凝胶法等， 不同的制备方法对材料的结构和性能 有一定影响。
它具有较高的磁导率、较低的损耗和 良好的温度稳定性，能够在较宽的频 率范围内保持稳定的电磁性能。
利用微波铁氧体材料的非线性磁 导率特性，实现对特定频率的微 波信号进行选择性的吸收、反射
或传输。
应用
用于雷达、通信、卫星等领域， 实现对特定频率信号的选择性处
理。
微波铁氧体元耦合器
定义
微波铁氧体元耦合器是一 种利用微波铁氧体材料制 成的耦合器，它能够实现 微波信号的定向传输。
工作原理
利用微波铁氧体材料的磁 导率特性，实现对微波信 号的定向传输或分路。
量。
工作原理
当直流电通过微波铁氧体材料时， 会产生磁化现象，导致微波铁氧体 元发生共振，从而产生微波振荡。
应用
广泛应用于雷达、通信、导航等领 域，作为产生微波信号的关键器件。
微波铁氧体元滤波器
定义
微波铁氧体元滤波器是一种利用 微波铁氧体材料制成的滤波器， 它能够实现对微波信号的选择性
过滤。
工作原理
集成化
将微波铁氧体元件与其他电子元件集成在同一芯片上，实现多功能化，提高电子设备的 性能和可靠性。
石榴石型铁氧体
石榴石型铁氧体是一种具有优异磁性 能的铁氧体材料，广泛应用于微波领 域。
石榴石型铁氧体的制备方法包括固相 反应法、化学共沉淀法、溶胶-凝胶法 等，不同的制备方法对材料的结构和 性能有一定影响。
03
微波铁氧体元材料
锰锌铁氧体
锰锌铁氧体是一种具有优异磁性能的 铁氧体材料，广泛应用于微波领域。
锰锌铁氧体的制备方法包括固相反应 法、化学共沉淀法、溶胶-凝胶法等， 不同的制备方法对材料的结构和性能 有一定影响。
它具有较高的磁导率、较低的损耗和 良好的温度稳定性，能够在较宽的频 率范围内保持稳定的电磁性能。
利用微波铁氧体材料的非线性磁 导率特性，实现对特定频率的微 波信号进行选择性的吸收、反射
或传输。
应用
用于雷达、通信、卫星等领域， 实现对特定频率信号的选择性处
理。
微波铁氧体元耦合器
定义
微波铁氧体元耦合器是一 种利用微波铁氧体材料制 成的耦合器，它能够实现 微波信号的定向传输。
工作原理
利用微波铁氧体材料的磁 导率特性，实现对微波信 号的定向传输或分路。
量。
工作原理
当直流电通过微波铁氧体材料时， 会产生磁化现象，导致微波铁氧体 元发生共振，从而产生微波振荡。
应用
广泛应用于雷达、通信、导航等领 域，作为产生微波信号的关键器件。
微波铁氧体元滤波器
定义
微波铁氧体元滤波器是一种利用 微波铁氧体材料制成的滤波器， 它能够实现对微波信号的选择性
过滤。
工作原理
集成化
将微波铁氧体元件与其他电子元件集成在同一芯片上，实现多功能化，提高电子设备的 性能和可靠性。
微波技术与天线第6章复习
第6章1、简述天线的功能（概念+4个功能）在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波，或将无线电波转变为导波能量，原来辐射和接收无线电波的装装置称为天线。
①天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量.这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统, 其次要求天线与发射机或接收机匹配.②天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上, 或对确定方向的来波最大限度的接受, 即天线具有方向性.③天线应能发射或接收规定极化的电磁波, 即天线有适当的极化.④天线应有足够的工作频带.2、名词解释:什么是天线？①作用：在发射部分，将高频导行波转换为空间电波，在接收端，空间电波转换为导行波。
②性能：是能量转换器件、具有定向辐射能力、频率选择特性、极化特性。
③结构：开放。
3、把天线和发射机或接收机连接起来的系统为馈线系统，天线和馈线系统统称天线馈线系统，简称天馈系统。
4、点电基本振子近区场又为准静态场；离天线较远时，近似为0；电场磁场相位差90°，为感应场。
远区场中电基本振子的的远区场是沿着径向外传的横电磁波，远区场又称辐射场。
E/H=120pi，远区场具有与平面波相同的特性。
随着距离增加，辐射场减小。
4、电，磁基本振子具有相同的方向函数，空间相互正交，相位差90°5、天线的电参数有哪些？①主瓣宽度:主瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。
在场强方向图中，等于最大场强两点间的宽度，称为半功率波瓣宽度；或将头两个零点之间的角度作为主瓣宽度，即零功率波瓣宽度。
②旁瓣电平: 旁瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平, 一般以分贝表示。
③前后比: 前后比是指最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后向）电平之比, 通常以分贝为单位。
④方向系数:方向系数定义为: 在离天线某一距离处, 天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度Smax与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度S0之比,记为D, 即天线方向系数的一般表达式为6、要使天线方向系数大，不仅要求主瓣窄，还要全空间的旁瓣电平小。
中北大学微波技术第6章
第六章 微波元件
6.4 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。 6.4.1 单节/4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。
对匹配负载的基本要求是：
（1）有较宽的工作频带， （2) 输入驻波比小和一定
的功率容量。
第六章 微波元件
(二）短路负载
短路负载又称 为短路器，它的 作用是将电磁能 量全部反射回去。 将同轴线和波导 终端短路，即分 别成为同轴线和 波导固定短路器。
第六章 微波元件
6.3 衰减器和移相器
衰减器和移相器均属于二端口网络。
6.5.1 定向耦合器的技术指标
定向耦合器一般属于四端口网 络，它有输入端、直通端、耦 合端和隔离端，分别对应右图 所示的1、2、3和4端口。 定向耦合器的主要技术指标有耦合度、隔离度(或方向性)、输入 驻波比和工作带宽。 (一) 耦合度C 耦合度C定义为输入端的输入功率P1与耦合端的输出功率P3之比的 分贝数，即 P C 10 log 1（dB) P3
第六章 微波元件
设此时T0面上的反射系数为，则
Z L Z0 2 j
Hale Waihona Puke Z L Z0 Z0 Z L tg l
上式取模为
1
2 2 Z Z 0 L 1 sec Z L Z0 12
在中心频率附近，上式可近似为
电磁场微波铁氧体元件
• 环流器由三个完全相同旳波导互成配置成Y 形结，在结中心安顿一块圆柱形或圆盘形 铁氧体块，在外加恒定磁场旳作用下，若 铁氧体尺寸及恒定磁场值选用合适，就构 成了环流器。
理想旳Y形结环流器旳传播特征
• 当微波信号从端口1输入时，端口2输出而端口3 无输出；当微波信号从端口2输入时，端口3输出 而端口1无输出；当微波信号从端口3输入时，端 口1输出而端口器
一 微波铁氧体旳物理特征
• 铁氧体是铁和其他元素构成旳具有铁磁性旳复合 氧化物，是电信技术中广泛应用旳磁性材料。
• 它旳主要化学成份是FeOFe2O3，其中二价铁也能 够是其他二价金属，如锰（Mn）、镁（Mg）、 镍（Ni）、锌（Zn）等。
• 铁氧体呈黑褐色，其机械性能类似于陶瓷硬而脆， 具有很高旳电阻率（达10旳8次方Ω/cm），是一 种低损耗旳介质材料。
• 主要旳是铁氧体是一种磁旋介质。
1 磁旋介质电子进动模型
• 磁旋介质中，因为电子自旋磁矩（宏观）存在，使 得电子在强外磁场旳作用下发生进动，总旳磁矩和 外场方向有一定旳夹角。
• 当铁氧体在恒定磁场和电磁波作用下,铁氧体中旳 自旋电子不但作自旋运动和轨道运动,还将围绕恒 定磁场作旋转运动,这种双重旳旋转运动称为电子 进动。因为电子旳进动,使铁氧体呈现各向异性,这 时铁氧体旳导磁率μ为张量。
• 最有代表性旳微波铁氧体元件有场移式隔 离器和环流器，它们分别具有传播单向性 和传播端口旳顺序性，因而在微波系统中 得到广泛旳应用。
§4.7 微波铁氧体元件
• 微波铁氧体器件是一类非互易器件，需要采用非 互易旳铁氧体制造。
• 在微波系统中, 负载旳变化对微波信号源旳频率和 功率输出会产生不良影响, 使振荡器性能不稳定。
• 为了处理这么旳问题, 最佳在负载和信号源之间接 入一种具有不可逆传播特征旳器件。这种器件具 有单向通行、反向隔离旳功能, 所以称为单向器或 隔离器。另一类非互易器件是环行器, 它具有单向 循环流通功能。
理想旳Y形结环流器旳传播特征
• 当微波信号从端口1输入时，端口2输出而端口3 无输出；当微波信号从端口2输入时，端口3输出 而端口1无输出；当微波信号从端口3输入时，端 口1输出而端口器
一 微波铁氧体旳物理特征
• 铁氧体是铁和其他元素构成旳具有铁磁性旳复合 氧化物，是电信技术中广泛应用旳磁性材料。
• 它旳主要化学成份是FeOFe2O3，其中二价铁也能 够是其他二价金属，如锰（Mn）、镁（Mg）、 镍（Ni）、锌（Zn）等。
• 铁氧体呈黑褐色，其机械性能类似于陶瓷硬而脆， 具有很高旳电阻率（达10旳8次方Ω/cm），是一 种低损耗旳介质材料。
• 主要旳是铁氧体是一种磁旋介质。
1 磁旋介质电子进动模型
• 磁旋介质中，因为电子自旋磁矩（宏观）存在，使 得电子在强外磁场旳作用下发生进动，总旳磁矩和 外场方向有一定旳夹角。
• 当铁氧体在恒定磁场和电磁波作用下,铁氧体中旳 自旋电子不但作自旋运动和轨道运动,还将围绕恒 定磁场作旋转运动,这种双重旳旋转运动称为电子 进动。因为电子旳进动,使铁氧体呈现各向异性,这 时铁氧体旳导磁率μ为张量。
• 最有代表性旳微波铁氧体元件有场移式隔 离器和环流器，它们分别具有传播单向性 和传播端口旳顺序性，因而在微波系统中 得到广泛旳应用。
§4.7 微波铁氧体元件
• 微波铁氧体器件是一类非互易器件，需要采用非 互易旳铁氧体制造。
• 在微波系统中, 负载旳变化对微波信号源旳频率和 功率输出会产生不良影响, 使振荡器性能不稳定。
• 为了处理这么旳问题, 最佳在负载和信号源之间接 入一种具有不可逆传播特征旳器件。这种器件具 有单向通行、反向隔离旳功能, 所以称为单向器或 隔离器。另一类非互易器件是环行器, 它具有单向 循环流通功能。
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铁氧体的相对介电常数为10~20,
它是一种非线性各向异性磁性物质, 它的磁导率随外加磁场而 变; 在加上恒定磁场以后, 它在各方向上对微波磁场的磁导率 是不同的, 就是说其具有各向异性的。
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
由于这种各向异性, 当电磁波从不同的方向通过磁化铁氧体 时, 便呈现一种非互易性。利用这种效应, 便可以做成各种非互 易微波铁氧体元件，最常用的有隔离器和环行器。由于磁化铁 氧体对电磁波的效应与波的极化密切相关，因此我们有必要先
Exm Eym E0 y x 90o 左旋圆极化
y x 90o,右旋圆极化
Ex E0 cos(t kz x ) Ey mE0 sin(t kz x )
E Ex2 Ey2 E0 常数
Ex2 E02
Ey2 E02
1
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
§6.1微波在铁氧体中的传播特性
E，xm Eym x y
Ex Exm cos( x ) Ey Eym cos( x )
Ex2 E xm 2
2Ex Ey cos
Exm Eym
Ey2 E ym 2
sin2
当>0时，它按逆时针方向旋转（右旋）
当<0时，它按顺时针方向旋转（左旋）
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
|E|与x轴的夹角
tg
Ey Ex
mtg(t
kz
x)
m(t kz x )
可见，合成场的大小不随时间改变，但方向却随时在改 变，其矢量端点在一个圆上以角速度ω旋转
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
§6.1微波在铁氧体中的传播特性
(3)椭ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ极化
最一般的情况是电场的两个分量振幅和相位都不相等
6.1－2铁氧体材料的基本性质
1 磁导率张量[]
(1)单电子的在均匀磁场H0中的自旋进动（铁氧体的磁化过程）
一种材料的磁性是由于磁偶极矩的存在，磁偶极矩主要是由每 个分子含有一个未成对的电子自旋引起的，按量子力学考虑， 这些电子自旋运动，就会在自旋轴的两个方向上产生一个自旋 角动量矩P和一个磁矩m0，P和m0之间的关系为：
复习一下有关电磁波极化的基本知识。
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
§6.1微波在铁氧体中的传播特性 1、电磁波的极化
波的极化：指电场或磁场矢量端点运动轨迹的形状、取向 和旋转方向，而且规定观察者沿着波传播方向观察到的电 场或磁场矢量端点旋转方向为极化旋转方向 。
对于平面电磁波，若波沿Z轴传播，则电场将存在Ex、Ey两个分量
如对一个直线极化场可以分解成两个幅值相等旋转方向相反 的圆极化的合成. (一般是对恒定磁场（顺着磁场方向分为右 旋与左旋圆极化波）
E
z 0
xE0
E0 2
x
jy
E0 2
x
jy
6.1－2铁氧体材料的基本性质
材料的性质主要通过， ， 等参数体现对铁氧体的 性质主要通过体现。 一般材料的磁导率为标量，在铁氧体中某些情况下也 为标量，大多数情况下为张量[]
Ex Exm cos(t kz x )
Ey
E ym
cos(t
kz
y
)
按 幅值是否相等与 x y 为不同的值，将电磁波分为电
磁波的极化分为直线极化、圆极化与椭圆极化。
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
§6.1微波在铁氧体中的传播特性
(1)、直线极化
0,
x y
任何瞬时的合成电场
在非互易器件中, 微波技术中应用很广泛的非互易材料是 铁氧体。
铁氧体是一种黑褐色的陶瓷, 最初由于其中含有铁的氧化物而 得名。现发展为铁氧体并不一定含有铁元素。 目前常用的有 镍 - 锌、镍 - 镁、 锰 - 镁铁氧体和钇铁石榴石（YIG）等。
微波铁氧体的电阻率很高, 比铁的电阻率大1012~1016倍, 当微波 频率的电磁波通过铁氧体时, 导电损耗是很小的。
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
单向器
信号源
负载
图 单向器的连接
本章将介绍这类最重要的微波元件 非互易元件：由于包含具有各向异性特性的铁氧体材料而使 元件呈现非互易性，如铁氧体隔离器、环行器等。
非线性元件：因元件中包含有半导体器件而具有非线性特性 ， 主要介绍检波器。
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
本章内容： 微波铁氧体材料的微观性质； 波在磁化铁氧体中传播特性； 铁氧体材料的非互易特性：法拉第效应；铁磁谐振效应；
场移效应； 非互易的微波元件：隔离器，环形器； 非线性元件：检波器
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件
前面介绍的各种微波元件, 都是线性、互易的(元件的性能与 入射波方向无关) , 但在许多情况下, 我们却需要具有非互易性 的器件。例如, 在微波系统中, 负载的变化对微波信号源的频 率和功率输出会产生不良影响, 使振荡器性能不稳定。
m0
e m
P
P
e 1.759 1011C / kg
m
称为回磁比或旋磁比。e为电子 电荷，m为电子电量。
6.1－2铁氧体材料的基本性质
1 磁导率张量[]
波的直线极化
E Exm2 Eym2 cos(t kz )
arc tg Ey arc tg Eym
Ex
Exm
显然，ө将是一个固定值，不会随时间而变，合成场E的端点轨迹将是一直 线，它随时间的变化实际上就只是随Ex、Ey大小的变化作相应升长或缩短
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件 §6.1微波在铁氧体中的传播特性 (2)圆极化
§6.1微波在铁氧体中的传播特性 前面讨论的直线极化和圆极化都可以看作椭圆极化的特例。
而直线极化可以分解成两个幅值相等旋转方向相反的圆极化 的合成; 一， 个圆极化电场也可以分解成两个幅值相等，相位相差90° 的线极化电场。所谓直线极化、圆极化以及椭圆极化只是它 们在垂直传播方向的平面上的投影的形状。
为了解决这样的问题, 最好在负载和信号源之间接入一个 具有不可逆传输特性的器件,即微波从振荡器到负载是通行的 反过来从负载到振荡器是禁止通行的。这样当负载不匹配时, 从负载反射回来的信号不能到达信号源, 从而保证了信号源的 稳定, 这种器件具有单向通行、反向隔离的功能, 因此称为单 向器或隔离器。
另一类非互易器件是环行器, 它具有单向循环流通功能。
它是一种非线性各向异性磁性物质, 它的磁导率随外加磁场而 变; 在加上恒定磁场以后, 它在各方向上对微波磁场的磁导率 是不同的, 就是说其具有各向异性的。
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由于这种各向异性, 当电磁波从不同的方向通过磁化铁氧体 时, 便呈现一种非互易性。利用这种效应, 便可以做成各种非互 易微波铁氧体元件，最常用的有隔离器和环行器。由于磁化铁 氧体对电磁波的效应与波的极化密切相关，因此我们有必要先
Exm Eym E0 y x 90o 左旋圆极化
y x 90o,右旋圆极化
Ex E0 cos(t kz x ) Ey mE0 sin(t kz x )
E Ex2 Ey2 E0 常数
Ex2 E02
Ey2 E02
1
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§6.1微波在铁氧体中的传播特性
E，xm Eym x y
Ex Exm cos( x ) Ey Eym cos( x )
Ex2 E xm 2
2Ex Ey cos
Exm Eym
Ey2 E ym 2
sin2
当>0时，它按逆时针方向旋转（右旋）
当<0时，它按顺时针方向旋转（左旋）
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|E|与x轴的夹角
tg
Ey Ex
mtg(t
kz
x)
m(t kz x )
可见，合成场的大小不随时间改变，但方向却随时在改 变，其矢量端点在一个圆上以角速度ω旋转
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§6.1微波在铁氧体中的传播特性
(3)椭ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ极化
最一般的情况是电场的两个分量振幅和相位都不相等
6.1－2铁氧体材料的基本性质
1 磁导率张量[]
(1)单电子的在均匀磁场H0中的自旋进动（铁氧体的磁化过程）
一种材料的磁性是由于磁偶极矩的存在，磁偶极矩主要是由每 个分子含有一个未成对的电子自旋引起的，按量子力学考虑， 这些电子自旋运动，就会在自旋轴的两个方向上产生一个自旋 角动量矩P和一个磁矩m0，P和m0之间的关系为：
复习一下有关电磁波极化的基本知识。
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§6.1微波在铁氧体中的传播特性 1、电磁波的极化
波的极化：指电场或磁场矢量端点运动轨迹的形状、取向 和旋转方向，而且规定观察者沿着波传播方向观察到的电 场或磁场矢量端点旋转方向为极化旋转方向 。
对于平面电磁波，若波沿Z轴传播，则电场将存在Ex、Ey两个分量
如对一个直线极化场可以分解成两个幅值相等旋转方向相反 的圆极化的合成. (一般是对恒定磁场（顺着磁场方向分为右 旋与左旋圆极化波）
E
z 0
xE0
E0 2
x
jy
E0 2
x
jy
6.1－2铁氧体材料的基本性质
材料的性质主要通过， ， 等参数体现对铁氧体的 性质主要通过体现。 一般材料的磁导率为标量，在铁氧体中某些情况下也 为标量，大多数情况下为张量[]
Ex Exm cos(t kz x )
Ey
E ym
cos(t
kz
y
)
按 幅值是否相等与 x y 为不同的值，将电磁波分为电
磁波的极化分为直线极化、圆极化与椭圆极化。
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§6.1微波在铁氧体中的传播特性
(1)、直线极化
0,
x y
任何瞬时的合成电场
在非互易器件中, 微波技术中应用很广泛的非互易材料是 铁氧体。
铁氧体是一种黑褐色的陶瓷, 最初由于其中含有铁的氧化物而 得名。现发展为铁氧体并不一定含有铁元素。 目前常用的有 镍 - 锌、镍 - 镁、 锰 - 镁铁氧体和钇铁石榴石（YIG）等。
微波铁氧体的电阻率很高, 比铁的电阻率大1012~1016倍, 当微波 频率的电磁波通过铁氧体时, 导电损耗是很小的。
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单向器
信号源
负载
图 单向器的连接
本章将介绍这类最重要的微波元件 非互易元件：由于包含具有各向异性特性的铁氧体材料而使 元件呈现非互易性，如铁氧体隔离器、环行器等。
非线性元件：因元件中包含有半导体器件而具有非线性特性 ， 主要介绍检波器。
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本章内容： 微波铁氧体材料的微观性质； 波在磁化铁氧体中传播特性； 铁氧体材料的非互易特性：法拉第效应；铁磁谐振效应；
场移效应； 非互易的微波元件：隔离器，环形器； 非线性元件：检波器
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前面介绍的各种微波元件, 都是线性、互易的(元件的性能与 入射波方向无关) , 但在许多情况下, 我们却需要具有非互易性 的器件。例如, 在微波系统中, 负载的变化对微波信号源的频 率和功率输出会产生不良影响, 使振荡器性能不稳定。
m0
e m
P
P
e 1.759 1011C / kg
m
称为回磁比或旋磁比。e为电子 电荷，m为电子电量。
6.1－2铁氧体材料的基本性质
1 磁导率张量[]
波的直线极化
E Exm2 Eym2 cos(t kz )
arc tg Ey arc tg Eym
Ex
Exm
显然，ө将是一个固定值，不会随时间而变，合成场E的端点轨迹将是一直 线，它随时间的变化实际上就只是随Ex、Ey大小的变化作相应升长或缩短
第六章 微波铁氧体元件与非线性元件 §6.1微波在铁氧体中的传播特性 (2)圆极化
§6.1微波在铁氧体中的传播特性 前面讨论的直线极化和圆极化都可以看作椭圆极化的特例。
而直线极化可以分解成两个幅值相等旋转方向相反的圆极化 的合成; 一， 个圆极化电场也可以分解成两个幅值相等，相位相差90° 的线极化电场。所谓直线极化、圆极化以及椭圆极化只是它 们在垂直传播方向的平面上的投影的形状。
为了解决这样的问题, 最好在负载和信号源之间接入一个 具有不可逆传输特性的器件,即微波从振荡器到负载是通行的 反过来从负载到振荡器是禁止通行的。这样当负载不匹配时, 从负载反射回来的信号不能到达信号源, 从而保证了信号源的 稳定, 这种器件具有单向通行、反向隔离的功能, 因此称为单 向器或隔离器。
另一类非互易器件是环行器, 它具有单向循环流通功能。