杨金城 （127389226@163.com）　2007.05

本文是1978年3月投第一届全国科学大会的论文的缩写稿，在原稿基础上减少了数学推导内容，使整个论文篇幅减少了40％左右。但理论基础和实验结果基本上保留下来，对研究场移式隔离器件，仍然具有完整的作用。

前 言

矩形波导场移式样隔离器，由于结构紧凑而且轻巧，频带宽，外加磁场小，隔离比大，对波导系统的稳定性要求不高，制造容易，在超高频技术领域获得广泛地应用。

本文从波导理论出发，对场移式样隔离器的基本原理，结构型式，实验结果进行了研究。建立起草了矩形波导场移式隔离器的基本理论，并提出设计制造铁氧体场移隔离器方法，为超高器件的研究打下基础。

一 横向磁化铁氧体在矩形波导中的作用

铁氧体是亚铁磁性物质。根据量子力学原理，当铁氧体受到外加恒定磁场，及其垂直方向上的电磁波共同作用时，铁氧体将呈现出两种旋磁特性，如[图1—1]A所示。

其一、当电磁波高频磁场的旋转方向，与铁氧体中电子的自旋磁矩进动的方向相同时，它们可能产生谐振，导磁率呈现μ_右特性，如[图1—1]B所示。；其二、当电磁波高频磁场的旋转方向，与铁氧体中电子自旋矩的进动方向相反时，它们就不可能产生谐振，如[图1—1]C所示。

从[图1—1]A可知，当外加恒定磁场较小（几百奥）时，导磁率μ_右 将小于1，而导磁率μ_左 将大于1。这样一来，铁氧体片对正向传播的电磁波起排斥作用，让电磁波无衰减地通过；对反向传来的回波，起聚集电磁波的作用，若在铁氧铁片上涂上吸收物质，就可将回波吸收掉，这就起到了隔离的作用，这就是场移式隔离器的基本理论论。

二 单片铁氧体场移式隔离器的设计制造原理

[图2—1]是一个单片铁氧体隔离器示意图，a 为波导宽，b为波导高，g是铁氧体片离波导壁的距离，t是铁氧体片的厚度，H₀是外加恒定磁场。电磁波在波导中传播，遵守麦克斯韦方程的规律。

[图2—2]是电磁波在波导中传输时场分布的示意图，直波表示正向传输的波，回波表示反射波。从图上可见，直波衰减很少，回波衰减很大，这就实现了电磁波传输的隔离作用。

我们从麦克斯韦理论出发，解边值型麦克斯韦方程，来建立矩形波导内的边界型电磁场方程。求解此电磁场方程，来确定铁氧体片的尺寸及其在波导中的位置，以此作为设计制造铁氧体场移式隔离器依据。

假设波导壁是理想的良导体，杂散电流为0。在此条件下，波导中的高频电场和高频磁场取下列数学形式：

把（2—1）式和（2—2）式，代入电场和磁场的麦克斯韦方程中的旋度方程得：

ω是角频率，c是电磁波的传播速度，r是传播常数，y是电磁波的传输方向。

把（2—3）式化成笛卡尔坐标分量表达式，左边是

把（2—3）式的右边化成笛卡尔坐标分量表达式

利用（2—5）和（2—6）相等，得（2—3）式的分量表达式：

采用处理（2—3）式类似的方法，处理（2—4）式得直角坐标分量表达式如（2—8）式

（2—7）和（2—8）是一个整体。在波导中的场与坐标轴无的情况下，这时（2—7）和（2—8）可以分解成两个独立的系统。（2—7）式为波，由组成；（2—8）为波，由组成。

将边界条件代入上列分量方程，波导壁视为理想良导体，，电磁场与坐标轴无关，即。应用边界条件在X=0，X=a，Z=0，Z=b处，E_Y=0 ；在Z=0 ， Z=b处，E_X= 0 ；在X=0，X=a处，E_Z= 0 。在此条件下，TM_n0型波不满足边界条件，所以它不存在。只有TE_n0型波存在，取下列形式：

在铁氧体片分界面上有：下式中角标有0者，表示空波导中的场分量；角标无01者，表示铁氧体片中的场分量。

将边界条件（2—9）式，入（2—7）式，得方程组

解方程组（2—10），并用E_z来表示H_x和H_Y，

由（2—10）第一个方程得 -----（2—11） ；

由（2—10）第二个方程得 ------（2—12）

经过代换整理得： --------（2—13）

--------（2—14）

将（2—13）和（2—14）代入（2——10）（c）得：

-----（2—15）

令 ，并将它代入（2—14）式得：

-----（2—16）

再令 --------（2—17）

将（2—17）代入（2—16）得铁氧体片中电磁场变化方程，与空波导中电磁场变化方程

片中的变化方程是 ----（2—18）；

空波导中变化方程 -----（2—19）

方程（2—18）和（2—19），电磁波的传播常数r有两个特征根：

铁氧体片中； 空波导中------（2—20）

空波导中处，；在处，-----（2—21）

在铁氧体片中 ---------（2—22）

代入边界条件并定积分常数，得到片中的E_Z和空波导中的E_0Z。

再经过一系统的数学处理，最后得到铁氧体片的厚度t，与在波导中安放位置关系（2—23）和（2—24）式。

------（2—23） 式中

-------（2—24）式中

式中

传播常r中“+”表示正向传播，“-”表示反射回波。（2—23）和（2—24）的关系，绘于下列二图之中。

三 双片场移式隔离器的设计制造原理

双片场移式样隔离器，就是在单片移式样隔离器的基础上，在波导横截面的对称位置上，增加一片铁氧体构成。这样一来，对正向传输的电磁波影响不大，对反向电磁波的衰减大增强，提高了移式隔离器的隔离比。

1 双片场移式隔离器的理论基础

波导横截面与单片铁氧体隔器一 样，宽是面性α=23㎜，高b=10㎜。双片铁氧体隔离器，只是在波导中对称位置上，加放一片铁氧体片， 增加一个反向磁场，其它条件与单片铁氧体隔离器一样。

经过比较复杂数学变换处理，得到一个超越方程组：

方程组（3—2）描述奇次场特性；方程组（3—3）描写偶次场特性。在常用雷达，无线电导航，无线电通信都采用TE型厅次场院。所以，重点解方程组（3—2）。

由（3—2）（a）得，将它代入（b），则（3—2）就变成三个方程的方程式组：

（3—4）式是以D、F、G为未知数的方程组，令系数行列式为0，解得t和g的表达式

----(3—5)

利用与将此二式代入（3—5）

式，并用遍除各项得：---（3-6）

再利用积化和差

将上两式代入（3—6）得：-----（3—7令（3—7）式中：，，

（3—7）变为：------（3—8）

方程（3—8）的解是：------（3—9）

由（3—9）可以得出双片铁氧体在波导中的位置与片子厚度的关系

以上两式对应TE₁₀奇次场。偶次场的解为：

2 双片场移式隔离器的实验结果

A 对称双片场移式隔离器的实验结果

所谓对移双片，就是将两片铁氧体，放入波导管横截面的对称位置上。实验结果是：

①对称双片铁氧体场移式隔离器，α^-与Η₀的实验结果表明，外加磁场不能太大，一般在500—700奥为隹。

②铁氧体片不能太厚，也不能太薄，一般在3·3—3·6㎜为好。

③铁氧体片在波导中的位置，以靠波导壁0·8——1·0㎜为好。

B 非对称双片铁氧体场移式隔离器的实验结果

超高频实验系统，采用的频率f=9375MC，铁氧体片的4πΜ_S =2800高斯，2ΔH = 380奥斯特，ρ= ⒉05×10⁶ Ω-㎝。实验条件g=0． 8mm，t=3． 3mm，h=6．8mm，l=53mm。实验结果表明：

3 非对称双片场移式隔离器实验结果的分析

1 非对称双片场移式隔离器，片子的尺寸与对称双片场移式样隔离器一样，片子在波导中安放的最隹位置也与对称双片场移式隔离器一样，外加磁场大小也一样，性能优良就是前或后移动一个片子的位置就行了，制造起来很容易。

2 非对称双片场移式隔离器，比对称双片场移式隔离器性能好得多，而且性能更加稳定。因为两个片子不放在波导的对称位置上，场的移位优势得到加强，劣势得到削弱的结果，真正发挥了场移性能的优点。

3 非对称双片隔离器，片子放置的位置要求也不很严格，双片铁氧体在波导纵向方向上，前后错开距离只有两厘米左右，不改变波导的尺寸结构，保持了场移式隔离器结构紧凑的特点。

四 结 论

1 铁氧场移式隔离器，是一种优良的微波器件。性能稳定，隔离比高，制作容易，结构紧凑，尤其是发现了非对称双片场移式隔离器，使这种超高频器件得到迅速地发展。

2 实验结果表明，场移式隔离器的理论是正确的。这就告诉我们，微波领域的科学研究工作，也要遵循理论指导研究的原则，可使器件的研究更快的获得成功。

3 单片铁氧体场移式样隔离器，要求铁氧体片厚t=3·3㎜—3·6㎜，片子在波导中的位置g=0·7—1·0㎜，外加磁场H₀=600奥——800奥，可以获得优良性能器件。对称双片场移式隔离器，片厚t=3·3—3·6㎜，g=0·6—0·8㎜，H₀=500奥——700奥，可以获得优良性能器件。

4 非对称双场移式隔离器，片厚t=3·3—3·6㎜，g=0·6—0·8㎜，H₀=500奥—700奥，两个铁氧体片前后移位2㎝左右，可以获得者优良性能器件。铁氧体片用泡沫塑料作支架，片子中央涂上50％的石墨作回波的吸收材料。

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