铁氧体非互易器件新结构及其特性研究

论文摘要

利用铁氧体材料的旋磁特性制作的非互易器件是射频、微波/毫米波电子设备和系统中不可或缺的基础元器件。鉴于微波/毫米波系统对可靠性以及低成本制造技术的要求,微波/毫米波元部件和子系统一直在沿着波导电路→混合集成电路→单片集成电路方向向前发展。而目前采用横向磁化铁氧体制作的非互易器件皆为分立元件,很难实现平面集成。同时,随着频率的升高,传统的Y结环行器的尺寸越来越小,器件在制作上面临一定的困难;并且频率越高,发生铁磁共振的恒磁场要求也越高。尤其当频率进入到亚毫米波和毫米波的范围时,共振场已经超过了10,000Oe以上,为了产生这么大的恒磁场,要求的永久磁钢已经很难得到。本论文针对传统铁氧体非互易器件面临的上述问题,以适合平面集成、尺寸相对较大且对外偏置磁场需求较小的纵向磁化铁氧体耦合线(FCL)结构为主要研究对象,以扩展其应用频段为目的,从材料和电路结构两方面入手,对拓展新型FCL非互易器件的工作频段进行了创新性和探索性研究。主要内容为:1.采用微波网络理论研究了FCL的散射特性,得出了相位非互易FCL结构最优化的散射矩阵条件。2.采用耦合模理论对FCL进行了详细地分析与探讨,对前人的工作进行了补充和完善,给出了铁氧体加载耦合微带线或其他非TEM传输线结构具备最大非互易行为的约束条件。3.对纵向磁化铁氧体基片上的均匀直线型微带线进行了分析与研究。得出的结论,可以很好的为设计全铁氧体基片FCL环行器及其他组件提供指导。4.对纵向磁化铁氧体基片加载的均匀直线型耦合微带线进行了深入地研究,给出了提高标准微带形式的均匀直线型FCL工作频率的两种方案:一是采用高饱和磁化强度的铁氧体材料;二是采用覆盖介质结构。5.从电路结构入手,采用不依赖板材且制作简单的非均匀锯齿结构来拓展均匀直线型FCL的工作频段。为验证铁氧体作基片的非均匀锯齿型FCL结构可以工作在更高频率上的这一特性,对铁氧体作覆盖层的非均匀锯齿型FCL在低频段的应用也进行了分析和探讨。6.分别采用饱和磁化强度为1820Gauss和3040Gauss的铁氧体设计、制作了中心频率分别为6.2GHz和10.3GHz的均匀直线型FCL微带三端口环行器,同时,在饱和磁化强度均为1820Gauss的铁氧体基片上设计、制作了中心频率均为10.3GHz的均匀直线型和非均匀锯齿型FCL微带三端口环行器。测试结构和仿真结果基本吻合,验证了相关设计的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 微波铁氧体材料的发展概况
• 1.2.1 石榴石型微波铁氧体的研究现状
• 1.2.2 尖晶石型微波铁氧体的研究现状
• 1.2.3 磁铅石型微波铁氧体的研究现状
• 1.3 微波铁氧体器件的发展概况
• 1.3.1 铁氧体环行器的种类
• 1.3.2 铁氧体隔离器的种类
• 1.3.3 铁氧体移相器的种类
• 1.3.4 现有技术的不足
• 1.4 本文的主要内容及结构安排
• 第二章 微波铁氧体中电磁波传播的基本理论
• 2.1 微波铁氧体的张量磁导率
• 2.1.1 磁矩的进动方程
• 2.1.2 内张量磁导率
• 2.1.3 外张量磁导率
• 2.2 均匀平面波在无限大铁氧体中的传播特性
• 2.2.1 纵向磁化铁氧体中平面波的传播效应
• 2.2.2 横向磁化铁氧体中平面波的传播效应
• 第三章 铁氧体耦合线（FCL）的传输特性及其理论分析
• 3.1 FCL结构的传输特性
• 3.1.1 耦合传输线及其奇偶模分析
• 3.1.1.1 耦合传输线的基本结构
• 3.1.1.2 耦合传输线的奇偶模分析
• 3.1.2 铁氧体耦合传输线（FCL）
• 3.1.2.1 信号在FCL中传输的基本规律
• 3.1.2.2 FCL型非互易器件的基本结构
• 3.2 FCL的散射矩阵理论分析
• 3.2.1 FCL环行器的散射矩阵
• 3.2.2 FCL非互易条件推导
• 3.3 FCL的耦合模理论
• 3.3.1 耦合模理论的发展及其特点
• 3.3.1.1 耦合模理论的发展概况
• 3.3.1.2 耦合模理论的基本特点
• 3.3.2 耦合模理论处理旋磁波导问题的基本思想
• 3.3.3 FCL的耦合模方程
• 3.3.3.1 耦合模方程的推导
• 3.3.3.2 FCL中的耦合模分析
• 3.3.3.3 耦合模理论分析FCL过程的补充
• 3.4 本章小结
• 第四章 均匀直线型FCL的特性分析
• 4.1 铁氧体加载均匀直线型微带线结构
• 4.1.1 铁氧体微带线的特性阻抗
• 4.1.2 铁氧体微带线的相移特性
• 4.2 铁氧体加载均匀直线型耦合微带线结构
• 4.2.1 铁氧体耦合微带线几何参数的确定
• 4.2.2 各向异性介质基片上耦合微带线的传播常数
• 4.2.2.1 求解耦合微带线传播常数的准静态分析方法
• 4.2.2.2 求解耦合微带线传播常数的全波分析方法
• 4.2.3 铁氧体基片加载均匀直线型耦合微带线的特性
• 4.2.3.1 理论分析
• 4.2.3.2 数值结果
• 4.2.4 铁氧体基片加载有介质覆盖的均匀直线型耦合微带线的特性
• 4.2.4.1 理论分析
• 4.2.4.2 数值结果
• 4.3 本章小结
• 第五章 非均匀锯齿型FCL的特性分析
• 5.1 均衡奇偶模传播速度的几种方法
• 5.2 非均匀锯齿型耦合微带线的基本分析方法和设计公式
• 5.2.1 非均匀锯齿型耦合微带线的谱域法分析
• 5.2.2 非均匀锯齿型耦合微带线的近似设计公式
• 5.3 铁氧体非均匀锯齿型耦合微带线结构的传输特性
• 5.3.1 铁氧体介质作为基片的非均匀锯齿型FCL的特性
• 5.3.2 铁氧体介质作为覆盖层的非均匀锯齿型FCL的特性
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于FCL的非互易器件的设计、制作与测试
• 6.1 FCL环行器的设计
• 6.2 FCL环行器电路的制作
• 6.2.1 厚膜电路的工艺流程
• 6.2.2 薄膜工艺的加工流程
• 6.3 FCL环行器的测试及讨论
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果