铁氧体微带结环形器理论介绍及eda设计

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1、第28卷第3期集成电：路通讯：V01．28No．32010年9月．JICHENGD1ANLUTONGXUNSep．20l0铁氧体微带结环形器理论介绍及EDA设计张剑周峻霖程怀宇(中国兵器工业第214研究所蚌埠233042)摘要介绍了微波铁氧体特性，一般铁氧体环形器的工作原理、l，结环形器的工作原理，铁氧体环形器设计的要点。并在此基础上，进行了Ku波段的l，结环形器的小型化设计。关键词旋磁性磁导率张量结形环行器五类：软磁、永磁、旋磁、矩磁、压磁铁氧体。所谓l引言微波铁氧体一般指旋磁性的铁氧体。旋磁性是指，铁氧体结环行器是一种结构简单、紧凑的铁当外加稳恒磁场(或材料本

2、身的各向异性场)存氧体器件，其主要特征是它对于不同方向传输的在时，对于高频磁场而言，铁氧体的磁导率是一·张电磁波呈现出不同的特性，使得电磁波按某一环量形式并不对称，因而导致了铁氧体的非互易特行方向传输，若反环行方向传输，则有很大的衰性。与这种旋磁性相关的电磁波波段，通常从米波减。铁氧体结环行器这种非互易特性的根本原因到毫米波段。铁氧体在微波波段具有许多特别的在于环行结中有恒定磁场作用下的铁氧体媒质。性质和效应，最主要的有下面四种：由于非互易特性，使得铁氧体结环行器广泛应用a．磁导率的张量性：当各向同性的铁氧体处于微波、毫米波工程当中。如在毫米波系统、相控在直流磁场

3、和微波磁场的同时作用下，其磁导率阵天线及高性能元器件中都需要环行器(和隔离变为反对称张量，而且该张量的各分量均是复数。器)来实现双工及开关的功能，在微波通信中分b．铁磁共振：对于一定的磁性介质，当微波隔多路通信不同频率的信号等等。场的频率与直流磁场的强度满足一定的条件时，磁性介质便会从微波场中强烈地吸收能量，这便2微带铁氧体环行器的基本理论介绍是铁磁共振(吸收)现象。如果磁性介质尺寸较2．1微带铁氧体环形器的两种结构形式大或所处的微波场不均匀，共振情况还会变得复a．嵌入式：将铁氧体圆盘嵌人非磁性的陶瓷杂。基片中。g．法拉第旋转效应：当线偏振电磁波通过纵b．全铁氧体

4、式：全部使用铁氧体基片，并在向磁化铁氧体时，其偏振面会发生一定程度的旋其上制作适当的导体图形。转。旋转角度一般说来是样品的尺寸、磁化强度和c．用淀积铁氧体薄膜的方法制成铁氧体环介电常数等的函数。形器。d．高功率现象：当微波场强增大到一定程度d．用边导波传输模式制成的微带环形器。以后，又会发生一些新的现象，例如铁磁共振曲线2．2微波铁氧体特性的峰值降低(称为饱和效应和宽度变宽，新的共铁氧体是一种兼有磁性、电性与光效应的材振峰出现等等)。料。按照铁氧体的特性和用途，可以把铁氧体分成以上这些效应是各种各样的铁氧体微波器件集成电路通讯第28卷第3期的物{琏刚而可以肯定：Ⅱ

5、易的三端器件不能成为环行器。然2．3无耗铁氧体旋磁性而。对于一个无耗非互易对称三端结，若三端口同磁导率张谜是磁感应强发b和磁场强度h时实现了匹配．则这个结一定是个环行器。关系的表述，这关系意味荇菜一方向的磁场环行器的外部性能参数会产生与它丰『J垂A的方向．L的磁感应和与它相平r反射损耗=一20loglSI1l行方向上的磁感应即所谓旋磁性。{传输损耗(1—2)=一20logIs21l(3)如果恒定磁场在方向，可得磁导率张奄为：【传输损耗(1—3)=一20logIS31Ir0jh-74微波铁氧体的选择=l0l0I(1)一0j4．1铁氧体基片的介质损耗和磁耗必须很小如果

6、恒定磁场在方向，可得磁导牢张量为：前者可与微波介质的损耗相比较；后者是频r00]率的函数。当用非磁化铁氧体做基片时，为了使磁=l0l一l(2)耗减小，应按f>y(4orMs+Ha)的条件选择材0j料。式中厂是工作频率(MHz)，r是有效旋磁比(=2．8兆赫／奥)，4~rMs是饱和磁化强度(高斯)，Ha3铁氧体环行器工作原理是各向异性磁场强度(奥)。在制作器件时，为了使无源线性器件如用普通的导体、电介质和磁磁耗减至最小，应满足下列条件：0．4s0．7，介质制成，器件将是互易的，这样的器件不能成为(环行器；如果器件中加人像铁氧体这样的旋磁介式中，∞=2’，=2，而=3

7、~4~rMs为本征铁质，则一般将获得非互易性，如能设法使各端匹磁谐振频率。应用低功率的基片，可选0．7；应配，便有希望制得环行器了。对于一个无耗的无源线性器件，根据能量守用高功率0．4。(恒定律，输入功率一定等于输出功率，首先可以指典型的永磁体和铁氧体材料的主要电气特性出，若是一个无耗互易、对称的三端结，要达到各见表1、表2。端口匹配是不可能的。铁氧体材料的谐振线宽△越小，磁耗越低，互易对称三端口结不可能满足匹配条件。因表1常用的永磁体材料材料成分B，(Oe)(G)(BH)⋯(G—Oe)X10铝镍钴5f，】~．Co，Cu12OoO7205．0铝镍钴8f，Ⅳ，Co，

8、Cu，Ti