微波技术的一大突破

六、微波技术的一大突破

上世纪中叶，微波技术中的一大突破是微波铁氧体的发现。利用在直流磁场和微波场共同作用下呈现出的旋磁效应，制成了微波铁氧体器件，如环行器、隔离器等。在第二次世界大战中，解决了雷达设备的级间隔离、阻抗以及天线共用等一系列实际问题，极大地提高了雷达系统的战术性能，成为其中的关键和致命器件。其后微波铁氧体器件技术获得了飞速发展，80%以上都用在军事上，如精密制导雷达、舰载雷达、机载及远程警戒预警雷达、导航和炮瞄雷达等所采用的相控阵天线。在近年的海湾战争中，美国威力显赫的“爱国者”导弹主要依靠了相控阵雷达技术，而铁氧体移相器则是相控阵技术的关键元件之一。在AV/MPQ导弹系统中使用了5161个X波段铁氧体移相器，它可以同时监视100个目标，跟踪8个目标，并能同时制导8枚导弹。冷战结束后，美、俄等国家也都实行了“军转民”战略，微波铁氧体器件开始大量向民用方面转移，所以在卫星通信、微波通信、微波能应用、工农医疗等方面获得了广泛应用，市场日益扩大。

铁氧体是微波系统中经常用到的各向异性材料，它是呈黑褐色的陶瓷，相对介电系数为10～20，电阻率很高（大于l0⁶Ω·cm），因而微波损耗很小。铁氧体是非线性、各向异性的磁性材料，其磁导率与外加磁场有关，并呈现非线性，在恒定磁场下，铁氧体在不同方向上的磁导率不同（各向异性）。在微波系统中常用的铁氧体材料主要有镍-锌、镍-镁、锰-镁铁氧体以及钇铁石榴石（YIG）等。铁氧体的磁导率随外加磁场而变，为非线性张量磁导率。铁氧体对于微波电磁场呈现铁磁谐振、谐振吸收性，在各个方向上的磁导率是不同的（各向异性）（如图6-28所示）。在恒定的偏置磁场下具有法拉第极化旋转效应等非互易特性。

利用微波铁氧体的上述特性，可以做成各种具有非互易特性的微波元件，广泛应用于雷达、通信、电子对抗、微波测量等设备中，环行器是一种非互易的多分支传输元件，Y型环行器是其中最常用的一种，其结构如图6-29所示。Y型环行器由三个以120°夹角对称配置的分支构成，其中心结区放置一个圆形磁化铁氧体，恒定偏置磁场H，其方向与圆形磁化铁氧体的轴线平行。环行器的功能是使微波功率单向循环传输，如从端口①输入的微波功率将全部从端口②输出，即①→②，同样有②→③和③→①，而相反的方向是被隔离的。

图6-28　铁氧体的磁导率与恒定偏置磁场H0的关系曲线

图6-29　Y环行器示意图及其等效网络

随着移动通信技术的不断发展，要求所用环行器/隔离器具有低插入损耗、高隔离度、宽频带、高功率、高温度稳定性、小型轻量以及低成本，尤其是用于手机中的环行器，小型轻重与低成本显得尤其重要。手持式数字电话系统的环行器/隔离器同样是用做天线共用器和发射功率放大器输出隔离去藕。其原理框图如图6-30、图6-31所示。

图6-31　隔离器在数字手机中的应用实例