微波铁氧体器件的非互易性和非线性问题研究

作     者：岳峰 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张重雄;黄宏伟

授予年度：2012年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：进动 张量磁导率 非互易性 数值积分 HFSS 开关环行器 移相器 非线性效应 三阶互调 

摘      要：微波铁氧体的非互易性和非线性问题是两个技术关键问题,本文从磁矩进动方程出发,描述了铁氧体材料的旋磁特性,即磁导率张量特性及磁共振特性。以及电磁波在选磁介质中传播产生非互易传播特性。另一方面磁矩进动过程中,电子自旋磁矩的相互作用,导致了非线性效应,进动过程产生振动、晃动（障动）,导致了材料高功率非线性损耗出现和倍频、混频和互调信号的激发等非线性问题的出现。 本论文的主要工作是应用上述微波铁氧体的基本原理,建立了微波在旋磁介质中传播的非互易方程和非线性方程,以高频电磁场结构仿真软件（HFSS）为平台,结合各种微波铁氧体器件的设计为实例,定量地或定性地研究了它们的性能。 第三章和第四章讨论了铁氧体器件的非互易性问题,微波铁氧体器件的非互易性有两类：幅度的非互易性,即正／反向传播时产生不同的损耗,与此相关的微波铁氧体器件有各种结构的Y形结环行器,如波导结环行器,带线和微带环行器,集总参数环行器等。通过一系列仿真设计结果和通过非互易方程的积分结果进行比较。通过上述一系列器件仿真结果来看,可以证明非互易方程的正确性,非互易原理可以指导铁氧体器件的设计工作。 另一类非互易性为相位非互易性问题,不同传播方向或不同磁化方向传播产生不同的相位差值,可以设计成移相器和差相移环行器。 除上述设计工作以外,对微波铁氧体非互易性机制的讨论至关重要,关系到旋磁性的张量磁导率和非互易传输特性相关,为了深入对非互易性基本概念的理解,非互易方程中的场积分包括场分布和张量特性关系,通过一些设计实例,如Y形带线和微带环行器,波导Y形结环行器和铁氧体开关,对此用非互易性机理进行了详尽的研究和设计计算。本文应用了归一化非互易性方程,其积分计算结果和仿真结果相比较十分吻合。 第五章研究了铁氧体器件的非线性问题：非线性问题有两类：第一类非线性问题为高功率非线性问题,当微波功率大于临界功率后材料产生非线性损耗,损耗迅速增大,其来源于自旋波激发。通过仿真设计,对场强分布的观察,估量出临界功率的大小,解决高功率器件设计问题。 第二类非线性问题为进动轨迹的扭曲产生的障动,或振动与晃动（摆动）。这在微波铁氧体器件应用到通讯技术中,同时出现两个主频f1,f2时,不仅有倍频效应2f1,2f2,还有混频效应,两者的复合效应便产生三阶互调信号：2f1-f2及2f2-f1,此信号对通讯中主频信号f1,f2产生严重干扰。所以重要的问题是研究铁氧体中的三阶互调问题以及如何去克服它,首先对出现三阶互调的磁谱进行了研究,为了减少三阶互调信号,必须计算出三阶互调的磁谱曲线;通过920-925MHz和1840-1845MHz两个频率的设计,指出当工作磁场大于铁磁共振场并大于谐波共振场时,可以获得最小互调3-IMD信号。第二,环行器的三阶互调可以通过HFSS仿真技术和数值计算法相结合进行,它和微波结构、材料磁矩采用、工作磁场大小密切相关。