【正文】 可見 ， 它構(gòu)成了 “ ① ” → “ ② ” → “ ③ ” 。 同樣由分支 “ ② ” 輸入時(shí) , 分支 “ ③ ” 有輸出 , 而分支 “ ① ” 無輸出 。 當(dāng)設(shè)計(jì)成 θ=30176。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 33 環(huán)行器及其場(chǎng)分布 H030176。 當(dāng)信號(hào)從分支線 “ ① ” 輸入時(shí) , 就會(huì)在鐵氧體結(jié)上激發(fā)如圖 5 33（ b）所示的磁場(chǎng) , 由于分支 “ ② 、 ③ ” 條件相同 , 信號(hào)是等分輸出的 。 的角對(duì)稱分布的分支線構(gòu)成 。 （ 3） 隔離比 R 將反向衰減量與正向衰減量之比定義為隔離器的隔離比 , 即 ??? aaR （ 4） 輸入駐波比 ρ 在各端口都匹配的情況下 ， 我們將輸入端口的駐波系數(shù)稱為輸入駐波比 ， 記作 ρ, 111111ssp???第 5章 微波元器件 對(duì)于具體的隔離器 , 希望 ρ值接近于 1。 一般希望 α+越小越好 。 3) 隔離器是雙端口網(wǎng)絡(luò) , 理想鐵氧體隔離器的散射矩陣為 ? ? ???????1000s第 5章 微波元器件 圖 5 – 32 場(chǎng)移式隔離器 y( a )( b )H0EE吸收片正向反向xzEE第 5章 微波元器件 可見 ［ S］ 矩陣不滿足幺正性 , 即隔離器是個(gè)有耗元件 , 又由于隔離器是一種非互易元件 , 故 ［ S］ 不具有互易性 。 第 5章 微波元器件 它在鐵氧體片側(cè)面加上衰減片 , 由于兩個(gè)方向傳輸所產(chǎn)生場(chǎng)的偏離不同 , 使沿正向 （ z方向 ） 傳輸波的電場(chǎng)偏向無衰減片的一側(cè) , 而沿反向 （ +z方向 ） 傳輸波的電場(chǎng)偏向衰減片的一側(cè) , 從而實(shí)現(xiàn)了正向衰減很小而反向衰減很大的隔離功能 , 如圖 5 32所示 。 另外 , 由于波導(dǎo)部分填充鐵氧體 , 主模 TE10的場(chǎng)會(huì)有所變化 , 因此實(shí)際鐵氧體的位置與計(jì)算的略有差異 。 第 5章 微波元器件 應(yīng)該指出的是 ， 若在波導(dǎo)的對(duì)稱位置 x=x2=ax1處放置鐵氧體 , 則沿 +z方向傳輸?shù)牟ㄒ驖M足圓極化諧振條件而被強(qiáng)烈吸收 , z方向傳輸?shù)牟▌t幾乎無衰減地通過 。m/A, 為電子旋磁比 。 當(dāng)在某個(gè)位置 x1上有 |Hx|=|Hz|時(shí) , 合成磁場(chǎng)是圓極化的 , 即 11 c oss i n xaxaa ???? ?于是有 aaax g2tan1 ???? ??第 5章 微波元器件 解得 aax g2a rc t a n1??? 進(jìn)一步分析表明 , 對(duì) TE10模來說 ,在 x=x1處沿 +z方向傳輸?shù)膱A極化磁場(chǎng)不與恒定磁場(chǎng)方向成右手螺旋關(guān)系 , 即為左旋磁場(chǎng) , 而沿 z方向傳輸?shù)膱A極化磁場(chǎng)則是右旋磁場(chǎng) 。 在矩形波導(dǎo)寬邊中心處 , 磁場(chǎng)只有 Hx分量 , 即磁場(chǎng)矢量是線極化的 , 且幅度隨時(shí)間周期性變化 , 但其方向總是 x方向 。 圖 5 31 所示的矩形波導(dǎo)在 x=x1處放置了鐵氧體 , 下面來確定鐵氧體片放置的位置 。 鐵氧體諧振式隔離器正是利用了鐵氧體的這一特性制成的 。 而對(duì)圓極化磁場(chǎng)來說 ， 左 、 右旋極化磁場(chǎng)具有不同的磁導(dǎo)率 , 從而兩者也有不同的吸收特性 。 另一方面 ，鐵氧體具有鐵磁諧振效應(yīng)和圓極化磁場(chǎng)的諧振吸收效應(yīng) 。 1) 由于鐵氧體具有各向異性 , 因此在恒定磁場(chǎng) Hi作用下 , 與 Hi方向成左 、 右螺旋關(guān)系的左 、 右圓極化旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)具有不同的導(dǎo)磁率 （ 分別設(shè)為 μ和 μ+） 。 第 5章 微波元器件 1. 如前所述 , 隔離器也叫反向器 , 電磁波正向通過它時(shí)幾乎無衰減 , 反向通過時(shí)衰減很大 。 由于這種各向異性 , 當(dāng)電磁波從不同的方向通過磁化鐵氧體時(shí) , 便呈現(xiàn)一種非互易性 。 鐵氧體的相對(duì)介電常數(shù)為 10~20, 更重要的是 , 它是一種非線性各向異性磁性物質(zhì) , 它的磁導(dǎo)率隨外加磁場(chǎng)而變 , 即具有非線性 。 實(shí)際上隨著材料研究的進(jìn)步 , 后來發(fā)展的某些鐵氧體并不一定含有鐵元素 。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 30 單向器的連接 信號(hào)源 負(fù)載單向器第 5章 微波元器件 在非互易器件中 , 非互易材料是必不可少的 , 微波技術(shù)中應(yīng)用很廣泛的非互易材料是鐵氧體 。 這樣當(dāng)負(fù)載不匹配時(shí) , 從負(fù)載反射回來的信號(hào)不能到達(dá)信號(hào)源 , 從而保證了信號(hào)源的穩(wěn)定 , 這種器件具有單向通行 、 反向隔離的功能 , 因此稱為單向器或隔離器 。 例如 , 在微波系統(tǒng)中 , 負(fù)載的變化對(duì)微波信號(hào)源的頻率和功率輸出會(huì)產(chǎn)生不良影響 , 使振蕩器性能不穩(wěn)定 。 反之 , τ越小 , 耦合越松 , 有載品質(zhì)因數(shù) Ql越接近無載品質(zhì)因數(shù) Q0。 不管是哪種激勵(lì)和耦合 , 對(duì)諧振器來說 , 外接部分要吸收部分功率 , 因此品質(zhì)因數(shù)有所下降 , 此時(shí)稱之為有載品質(zhì)因數(shù)記作Ql , 由品質(zhì)因數(shù)的定義得 1010101 )11( ??????? ee PPWwPWwQ式中 , Pl′=Pl+Pe, Pe為外部電路損耗的功率 , Qe稱為有載品質(zhì)因數(shù) 。 對(duì)波導(dǎo)型諧振器的激勵(lì)方法與第 2章中波導(dǎo)的激勵(lì)和耦合相似 , 有電激勵(lì) 、 磁激勵(lì)和電流激勵(lì)三種 , 而微帶線諧振器通常用平行耦合微帶線來實(shí)現(xiàn)激勵(lì)和耦合 , 如圖 5 29 所示 。 通常 QrQdQc, 因此微帶線諧振器的品質(zhì)因數(shù)主要取決于導(dǎo)體損耗 。 微帶諧振器的損耗主要有導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗 , 其總的品質(zhì)因數(shù) Q0為 10 )111( ????rdC Qc, Qd, Qr分別是導(dǎo)體損耗 、 介質(zhì)損耗和輻射損耗引起的品質(zhì)因數(shù) , Qc和 Qd可按下式計(jì)算 : gcC aQ ??gcred aQ ??? ?第 5章 微波元器件 式中 ， αc為微帶線的導(dǎo)體衰減常數(shù) (dB/m)。 由于實(shí)際上微帶諧振器短路比開路難實(shí)現(xiàn) , 所以一般采用終端開路型微帶諧振器 。 根據(jù)串聯(lián)諧振條件 Zin=0, 于是有 0g?第 5章 微波元器件 1244)12( 0???plplgog ?? 或 由此可見 , 長度為 整數(shù)倍的兩端開路微帶線構(gòu)成了 微帶諧振器 。TEM模式 , 對(duì)于終端開路的一段長為 l的微帶線 , 由傳輸線理論 , 其輸入阻抗為 Zin=jZ0 tanβl 式中 , , λg為微帶線的帶內(nèi)波長 。 ?? /u?第 5章 微波元器件 allacf2220??式中 , c為自由空間光速 , 對(duì)應(yīng)諧振波長為 2202laal??? (2) 品質(zhì)因數(shù) Q0 由 TE101模的場(chǎng)表達(dá)式可得 )1(82 2222202akZEuabldvHuwTEv ????? ?而 ZTE= , β=β10= , 代入上式整理得 22 )/( ak ????k208 Eablw ??第 5章 微波元器件 導(dǎo)體損耗功率為 )22(82 222021 allaabllabERdsHRP StSS ????? ???于是品質(zhì)因數(shù) Q0為 333323100 2212)(allablbaRbk alPWWQS ????? ? ? 3. 微帶電路型諧振器的結(jié)構(gòu)形式很多 , 主要有傳輸線型諧振器 (如微帶線節(jié)諧振器 )和非傳輸線型諧振器 (如圓形 、 環(huán)行 、 橢圓形諧振器 ), 這幾種微帶諧振器分別如圖 5 28(a)、 (b)、 (c)、 (d)所示 。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 27 矩形諧振器及其坐標(biāo) 1zxyab第 5章 微波元器件 其中主模為 TE101模 , 其場(chǎng)分量表達(dá)式為 lzaxEEey?? s i ns i n?lzaxZjEHTEX?? c oss i n0??lzaxakEjHz???? s i nc os0??0??? xxy EEH 式中 ， ， 可見各分量與 y無關(guān) , 電場(chǎng)只有 Ey分量 , 磁場(chǎng)只有 Hx和 Hz, 沿 x, z方向均為駐波分布 。 2. 矩形空腔諧振器是由一段長為 l、 兩端短路的矩形波導(dǎo)組成 ， 如圖 5 27 所示 。 因此上述公式只能對(duì)少數(shù)規(guī)則形狀的諧振器才是可行的 。 (3) 等效電導(dǎo) G0 等效電導(dǎo) G0是表征諧振器功率損耗特性的參量 , 若諧振器上某等效參考面的邊界上取兩點(diǎn) a, b, 并已知諧振器內(nèi)場(chǎng)分布 , 則等效電導(dǎo) G0可表示為 ??0?第 5章 微波元器件 220)( ???? batSSdlEdsHRG 可見等效電導(dǎo) G0具有多值性 , 與所選擇的點(diǎn) a和 b有關(guān) 。 第 5章 微波元器件 ② 因諧振器線尺寸與工作波長成正比即 V ∝ λ30, S , 故有 Q0 ∝ λ0δ, 由于 δ僅為幾微米 , 對(duì)厘米波段的諧振器 ,其 Q0值將在 104~105量級(jí)。 為粗略估計(jì)諧振器內(nèi)的 Q0值 , 近似認(rèn)為 H|=Ht|, 這樣式 (5 3 9)可近似為 SVQ?2? 式中 ， S、 V分別表示諧振器的內(nèi)表面積和體積 。 于是有 第 5章 微波元器件 ???? ??s tvs tvdsHdvHdsHdvHuwQ2222002?式中 ， δ為導(dǎo)體內(nèi)壁趨膚深度 。 (2) 品質(zhì)因數(shù) Q0是表征微波諧振器頻率選擇性的重要參量 , 它的定義為 第 5章 微波元器件 102 2 pWwWWQT?? ? 式中 ， W為諧振器中的儲(chǔ)能 , WT為一個(gè)周期內(nèi)諧振器損耗的能量 , Pl為諧振器的損耗功率 。 對(duì)于金屬空腔諧振器 , 可以看作一段金屬波導(dǎo)兩端短路 , 因此腔中的波不僅在橫向呈駐波分布 , 而且沿縱向也呈駐波分布 , 所以為了滿足金屬波導(dǎo)兩端短路的邊界條件 , 腔體的長度 l和波導(dǎo)波長 λg應(yīng)滿足 ,...)2,1(2 ?? ppl g?于是有 lp?? ?由規(guī)則波導(dǎo)理論得 222 )2()2(cguw ????? ??第 5章 微波元器件 故諧振頻率為 21220 ])2()[(2 clpvf???? ?? 式中 ， v為媒質(zhì)中波速 ， λc為對(duì)應(yīng)模式的截止波長 。 但是在微波諧振器中 , 集總參數(shù) L、 R、 C已失去具體意義 , 所以通常將諧振器頻率 f0、 品質(zhì)因數(shù) Q0和等效電導(dǎo) G0作為微波諧振器的三個(gè)基本參量 。 對(duì)于諧振腔而言 , 已經(jīng)無法分出哪里是電感 、 哪里是電容 , 腔體內(nèi)充滿電磁場(chǎng) , 因此只能用場(chǎng)的方法進(jìn)行分析 。 繼續(xù)把構(gòu)成電容的兩極拉開 , 則諧振頻率進(jìn)一步提高 , 這樣就形成了一個(gè)圓盒子和方盒子 , 如圖 5 26(e)所示 , 這也是微波空腔諧振器的常用形式 。 如果頻率進(jìn)一步提高 , 可以將多個(gè)單匝線圈并聯(lián)以減小電感 L, 如圖 5 26(c)所示 。 它的諧振頻率為 當(dāng)要求諧振頻率越來越高時(shí) , 必須減小 L和 C。 因此本節(jié)只介紹這類諧振器 。 在微波頻率上 , 也有上述功能的器件 , 這就是微波諧振器件 , 它的結(jié)構(gòu)是根據(jù)微波頻率的特點(diǎn)從 LC回路演變而成的 。 在放大器中用作諧振回路 。 根據(jù)以上分析 , 魔 T各散射參數(shù)有以下關(guān)系 : 21 21第 5章 微波元器件 網(wǎng)絡(luò)是無耗的 , 則有 ［ S］ +［ S］ =［ I］ (5 2 36) T 的 ［ S］ 矩陣為 ? ? 21?s