微波技術(shù)基礎(chǔ)第26次課講義課件

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,微波技術(shù)基礎(chǔ),徐銳敏 教授,電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,地點(diǎn)：清水河校區(qū)科研樓,C309,電話：,61830173,電郵：,內(nèi)容,周期結(jié)構(gòu)、,Floquet,定律、,空間諧波,色散特性、,布里淵圖,慢波結(jié)構(gòu),（相速）,左手材料,（,E,，,H,，,K,關(guān)系也即相速與群速關(guān)系）,鐵氧體,非互易網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn),不可逆元件,電磁波在鐵氧體中傳播的一般性質(zhì),鐵氧對電磁波作用的三個旋磁效應(yīng)為：,a,鐵磁諧振效應(yīng)、,b,場移效應(yīng)、,c,法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng),鐵氧體元件,以及分別利用了什么效應(yīng),隔離器、環(huán)行器、移相器,微波周期結(jié)構(gòu)用途,周期結(jié)構(gòu)對電磁波具有獨(dú)特的響應(yīng)。,因此，周期結(jié)構(gòu)在微波領(lǐng)域具有較好的利用價值，能廣泛應(yīng)用在微波行波管、濾波器、移相器和天線等裝置中。,1,、微波周期結(jié)構(gòu)的基本性質(zhì),平移對稱性與周期系統(tǒng),將系統(tǒng)沿一定方向移動一個距離，若移動后的系統(tǒng)與原系統(tǒng)重合，則稱該系統(tǒng)在該方向上具有,平移對稱性,。,若移動距離是任意的，平移對稱性都能得到滿足，則稱系統(tǒng)為,連續(xù)平移對稱系統(tǒng),；,若移動距離必須是某個值的整數(shù)倍，才能滿足平移對稱性，則稱系統(tǒng)為,離散平移對稱系統(tǒng),，,或稱為周期性系統(tǒng),最小移動距離就是周期系統(tǒng)的空間周期長度,p,。,微波周期結(jié)構(gòu),Floquet,定律,（回顧）,規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng),或均勻?qū)邢到y(tǒng)（,前面章節(jié)介紹的）,：,電磁波傳輸方向（設(shè)為,z,方向）滿足連續(xù)平移對稱性，系統(tǒng)的,橫截面形狀,、,尺寸,和,材料,沿,z,不變，即,邊界條件沿,z,方向是均勻的。,在任意兩個截面上，場沿橫截面的分布函數(shù)相同，僅在振幅和相位上有所差別。,Floquet,定律,非規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng),，是指邊界條件沿電磁波傳輸方向不滿足連續(xù)平移對稱的導(dǎo)行結(jié)構(gòu)。其中最常用的是,周期性導(dǎo)行系統(tǒng),，如前所述，周期系統(tǒng)的邊界條件沿電磁波傳輸方向,滿足離散平移對稱性。,可以證明在周期系統(tǒng)中，是,z,的周期為,p,的周期函數(shù)。,空間諧波,n,同一頻率在周期性邊界激勵起的不同高次模的模式號,空間諧波。,對于周期系統(tǒng)，場沿橫截面的分布函數(shù),F,（,x,，,y,，,z,）,沿傳輸方向,z,呈周期性變化，是,z,的周期函數(shù)，故可以用傅里葉分析，將其按周期,p,展開為傅里葉級數(shù)：,空間諧波的相速與群速度,可見,各次空間諧波的相速度不同，而群速度卻是相同的,；,n,越大，相速度越小，即,隨著諧波次數(shù)升高，空間諧波的相速度越慢。,由于各次諧波的相速度不同，在傳播過程中，各空間諧波之間的相位關(guān)系將會不斷發(fā)生變化，由它們疊加而成的總場在傳播過程中會發(fā)生相位畸變，即波形在不斷變化。,色散特性,電磁波,相移常數(shù)與頻率的關(guān)系。,周期系統(tǒng)中空間諧波的相移常數(shù),n,與基波相移常數(shù),的關(guān)系為,空間諧波的相移常數(shù),n,都可以由上式求出,。把基波的,曲線沿,軸,平移,n,p,（或,k,p,p,曲線沿,p,軸平移,n,）就可以得到各次空間諧波的色散圖形，因此,周期系統(tǒng)的,圖是一個周期性曲線。,切點(diǎn)斜率表群速,斜率表,相速,曲線,實(shí)際的周期系統(tǒng)對于電磁波存在許多通帶,，在這些通帶之間是阻帶，處于阻帶頻率的電磁波無法在周期結(jié)構(gòu)中傳播。,每一個通帶對應(yīng)結(jié)構(gòu)中的一種傳播模式,，每個模式都是由各個空間諧波疊加而成的沿,z,呈非正弦分布的行波。,快波區(qū),慢波區(qū),慢波區(qū),周期結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,1,、電磁帶隙結(jié)構(gòu)（,EBG,）,FSS,，頻率選擇表面,電磁帶隙結(jié)構(gòu)是周期結(jié)構(gòu)，具有周期結(jié)構(gòu)的共性，對電磁波的響應(yīng)既有通帶也有阻帶。分析方法仍以數(shù)值計(jì)算仿真為主，通過全波分析軟件，可以直接得到,EBGs,的,S,參數(shù)、色散關(guān)系等參量。,濾波器，天線等,周期結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,2,、慢波結(jié)構(gòu),微波周期結(jié)構(gòu)的另一個重要應(yīng)用。,利用傳輸系統(tǒng)的,電磁場與電子或其他荷電粒子相互作用,的裝置或器件，例如行波管放大器，粒子加速器，以及在電磁波與較低速度的波（聲波、靜磁波等）相互作用的器件中，為了使相互作用在較長距離和較長時間內(nèi)持續(xù)進(jìn)行，需要使傳輸系統(tǒng)的電磁波相速低于空間光速，這種傳輸系統(tǒng)就是慢波系統(tǒng)。,周期結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,3,、,左手材料,是人工合成的特殊材料或媒質(zhì)，呈現(xiàn)出自然界中的材料不易或不能實(shí)現(xiàn)的某些特殊屬性。具體來說，它是能夠同時呈現(xiàn)出,負(fù)介電常數(shù),和,負(fù)磁導(dǎo)率,的材料，即所謂“雙負(fù)媒質(zhì)”，又稱,超材料,。這種“雙負(fù)”特性造成了很多獨(dú)特的、具有與自然界中的右手材料不同的物理現(xiàn)象。,年，,Victor Veselago,首先從,理論上證明了左手材料滿足麥克斯韋方程組,。,年,J,B,Pendry,實(shí)驗(yàn)證明了,分裂環(huán)諧振器,（,SRR,）在其諧振頻率附近，,具有負(fù)的磁導(dǎo)率,，這是第一個非鐵氧體負(fù)磁導(dǎo)率的超材料。,年，,D,R,Smith,等人根據(jù),Pendry,的理論模型，將細(xì),金屬線（,Rod,）和金屬諧振環(huán)（,SRR,）有規(guī)律地排列在一起,，制成了第一個等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率同時為負(fù)值的,左手材料,。,年用“棱鏡實(shí)驗(yàn)”演示電磁波斜入射到左手材料和常規(guī)介質(zhì)的分界面時，折射波與入射波處于分界面法線的同側(cè)，揭示出材料具有負(fù)折射特性，證明了左手材料的存在。,應(yīng)用：隱身衣,8.6,鐵氧體元件,8.6.1,微波在鐵氧體中的傳播特性,鐵氧體的一般性質(zhì),鐵氧體是由金屬氧化物混合燒結(jié)而成的磁性材料。其化學(xué),表示一般為,MO,Fe,2,O,3,，其中,M,代表二價金屬如：錳、鎂、鋅、,鎳、鎘等或者是它們的混合物。,鐵氧體的相對介電常數(shù)在,10,20,之間,r,較大,;,鐵氧體是良好的絕緣體，,很小即介質(zhì)損耗 很低，,約在,10,-3,10,-4,之間，故可用于微波波段。,外加磁場下，,各向異性,，具有回旋媒質(zhì)特性，為旋磁媒質(zhì)。各向異性（不同方向具有不同特性）材料，有非互易特性，所制作的微波元件必定是,非互易,S,ij,S,ji,鐵氧體元件,磁化鐵氧體的張量磁化率和張量磁導(dǎo)率,電子的進(jìn)動及進(jìn)動方程,電子自旋在其自旋軸的兩個方向上產(chǎn)生一個機(jī)械矩（或,稱動量矩）和一個,磁矩,（又稱玻爾磁子），它們的,大小為,假定上述電子位于一均勻的恒磁場 中，則 會對電子,磁矩 發(fā)生作用而產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩矢量 。,鐵氧體元件,普朗克常量,旋磁比,由于電子有自旋運(yùn)動，外加轉(zhuǎn)矩的作用使 圍繞著,不斷地轉(zhuǎn)動，稱為拉摩進(jìn)動。忽略阻尼作用時，磁矩的,進(jìn)動為自由進(jìn)動。如圖所示：,鐵氧體元件,磁化強(qiáng)度微擾外恒磁場 的進(jìn)動方程為,實(shí)際上鐵氧體材料總是存在損耗的，損耗使自旋磁矩進(jìn),動受到阻尼，此時進(jìn)動方程改寫為：,鐵氧體元件,張量磁化率與張量導(dǎo)磁率,鐵氧體的磁化率是一個三階張量，用 表示：,鐵氧體元件,鐵氧體的,張量磁導(dǎo)率,為,式中,0,進(jìn)動角頻率；,m,M,s,；表征鐵氧體飽和磁化強(qiáng)度的重要參數(shù)是,4,M,s,，一般,300,5000,高斯。,鐵氧體元件,平面電磁波在鐵氧體中傳播特性,假定鐵氧體媒質(zhì)均勻充滿無限大空間，,平面電磁波的傳,播方向,z,與 一致,。沿,z,傳播的平面波的電磁波為,利用麥克斯韋方程，可求得,鐵氧體元件,若取 ，可得：,該式代表一正旋圓極化或右旋圓極化波，即順著外加恒,磁場方向看去，,Ht,隨時間以固定振幅順時針轉(zhuǎn)的波,，如,圖所示：,鐵氧體元件,若取 ，可得：,該式代表為負(fù)旋圓極化或左旋圓極化波，即順著外加恒,磁場方向看去，,Ht,隨時間以固定振幅反時針轉(zhuǎn)的波,，如,圖所示：,鐵氧體元件,上述結(jié)果表明：,1.,在鐵氧體中沿恒定磁場方向傳播的平面波，是,圓極化,TEM,波,；,2.,對于圓極化波，鐵氧體的導(dǎo)磁率不在為張量而為標(biāo)量，,這意味著,磁化鐵氧體媒質(zhì)對圓極化波表現(xiàn)為各向同性,，,但,導(dǎo)磁率的大小與圓極化波的旋轉(zhuǎn)方向有關(guān),。,8.6.2,旋磁效應(yīng)、微波鐵氧體元件,有三種旋磁效應(yīng),1.,鐵磁諧振效應(yīng),鐵氧體元件,當(dāng) 時，由,得知：,正旋圓極化波的相速為零，波不傳播，這種現(xiàn)象稱為鐵,磁諧振。,注意：,左旋波的旋轉(zhuǎn)方向與進(jìn)動方向相反，在任何頻率,上都無法同步，故不發(fā)生諧振。,因此，,鐵磁諧振僅對右,旋波而言,。,鐵氧體元件,2.,法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng),定義：,線性極化波,在縱向磁化鐵氧體內(nèi)傳播過程中極化,而發(fā)生旋轉(zhuǎn)的效應(yīng)。,產(chǎn)生機(jī)理：,一個線性極化波可以分解為兩個旋轉(zhuǎn)方向相,反的圓極化波，而這兩個圓極化波在縱向磁化的鐵氧體,媒質(zhì)中傳播的相速不同,(,相位常數(shù)不同,),，因此，傳播途,中不同距離上兩圓極化波合成的線極化波的極化方向不,同，即極化面發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。,如下圖所示：,鐵氧體元件,應(yīng)當(dāng)指出，由于線性極化波是恒定磁場,(,順著磁場方向,),分為右旋和左旋圓極化波，因此，只要恒定磁場方向不,變，無論波沿,+z,方向或沿,-z,方向傳播，極化面旋轉(zhuǎn)方向,是不變的。這一特性稱為,法拉第旋轉(zhuǎn)的非互易性。,鐵氧體元件,3.,場移效應(yīng),定義：場移效應(yīng)是對放入導(dǎo)波系統(tǒng)中的鐵氧體，,外加橫,向橫磁場,(,垂直于波的傳播方向,),時，使導(dǎo)波場的分布產(chǎn),生橫向移動的效應(yīng)。,微波鐵氧體元件,隔離器,常用于微波源與負(fù)載之間，使全部功率傳至負(fù),載而反射功率不到微波源。,場移式隔離器,鐵氧體元件,鐵氧體側(cè)面上貼一薄電阻片,(,或電阻膜層,),，電阻片可將,反向波吸收掉而只傳輸正向波，從而構(gòu)成了一個隔離器，,如圖：,缺點(diǎn)：因靠電阻片吸收反射波，故僅適用于低功率。,鐵氧體元件,E,正,E,反,H0,對,Hz,作用,諧振式隔離器,利用鐵氧體對右旋圓極化波產(chǎn)生諧振吸收的特性可作成,諧振式隔離器。,可用于高功率系統(tǒng)。,鐵氧體元件,法拉第旋轉(zhuǎn)式,隔離器,它由一段扭轉(zhuǎn),45,的矩形波導(dǎo)和一段,45,法拉第旋轉(zhuǎn)圓波,導(dǎo)相連，圓波導(dǎo)的另一端為圓到矩形變換器。,鐵氧體元件,鐵氧體非互易移相器,利用鐵氧體導(dǎo)磁率隨外加恒磁場,而變化的特性使輸入和輸出端口之間產(chǎn)生給定相移的兩,端口元件。,法拉第旋轉(zhuǎn)式移相器,使用,90,矩形扭波導(dǎo)和,90,法拉第旋轉(zhuǎn)圓波導(dǎo)段，輸入,和輸出波導(dǎo)中沒有電阻片。,結(jié)構(gòu)如下圖所示：,鐵氧體元件,圓極化式移相器,將矩形波導(dǎo),TE,10,模經(jīng)極化變換器變換為圓波導(dǎo)中的圓極,化波，再利用圓極化波在鐵氧體中相位常數(shù)隨外恒磁場,H,0,的變化而獲得給定相移。,鐵氧體元件,環(huán)行器,使電磁波按一定順序從一個端口傳向另一個端,口。,三端口環(huán)行器,由互成,120,角的三分支矩形波導(dǎo)構(gòu)成,Y,型結(jié)構(gòu)，在,H,面,Y,結(jié)中心處置有一橫向磁化鐵氧體柱。外恒磁場,H,0,垂直,H,面,。,鐵氧體元件,四端口環(huán)行器,下圖是由一個法拉第旋轉(zhuǎn)倒相器和兩個魔,T,構(gòu)成的四端,口環(huán)行器。,鐵氧體元件,鐵氧體元件,