大功率法拉第旋转器的研究

摘要

具有旋磁特性的铁氧体材料制作的非互易器件是射频、微波/毫米波系统中必不可少的器件。在整个微波毫米波系统中，铁氧体环行器及隔离器具有十分重要的作用。利用其非互易性特性，微波铁氧体环行器及隔离器很好地解决了阻抗匹配、功率放大器的级间隔离、雷达以及天线共用等许多实际问题。
　　传统的波导隔离器在毫米波段的应用出现了一些问题。由于随着频率的增高，波导尺寸越来越小，器件在制作上面临更高的标准和精度。此外，在毫米波段，由于铁氧体材料的局限性导致波导结构的隔离器工作效率不高，并且由于尺寸的减小导致器件的功率容量不够。利用毫米波段准光技术，由准光学元件最大限度地控制高斯光束的传输，可以避免波导结构在空间上的限制。从而很好地解决了由于波导尺寸变小而产生的加工困难和功率容量不够的问题。因而准光法拉第旋转器的研究对毫米波系统具有十分积极的意义。特别在高功率回旋行波管的传输链路中，涉及众多的准光传输器件，而法拉第旋转器以其工作功率容量高的优点具有十分重要的作用。本论文的内容主要包含以下方面：
　　（1）通过对电磁波在铁氧体材料中的传输进行推导，以及对法拉第旋转效应的详细分析与数值计算，得出铁氧体的厚度、铁氧体的饱和磁化强度以及外加磁体磁场强度的大小是设计法拉第旋转器的主要因素。
　　（2）对单层铁氧体结构、多匹配层结构、多匹配导热层结构的法拉第旋转器逐步进行分析研究，并且通过在介质上打孔或者生长晶格的方式降低介质材料的等效介电常数来选取工作性能优秀的材料作为匹配层，从而设计出工作带宽较宽，功率容量较高的法拉第旋转器。
　　（3）通过对铁氧体样品进行性能测试，得到饱和磁化强度随温度以及外加磁场强度大小的变化规律。并且以保证法拉第旋转器的工作性能为前提，对多匹配导热层结构的法拉第旋转器进行稳态热分析，计算出其功率容量。
　　（4）根据铁氧体材料的退磁效应，对外加磁体进行结构设计，设计出中心磁场强度达到1174Gauss的钐钴永磁体。
　　（5）根据法拉第旋转器的工作原理，确定进行法拉第旋转器小功率测试所必须的相关组件，如HE11模式激励器和极化滤波器。在一定工作带宽内设计出电磁波损耗小，传输性能好的组件，并进行加工和测试。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 毫米波技术

1.2 微波铁氧体器件概述

1.3 法拉第旋转器的发展现状

1.4 本文的主要贡献与创新

1.5 本论文的结构安排

第二章 微波铁氧体材料基本理论及CST/ANSYS软件简介

2.1 铁氧体材料简介

2.2 铁氧体材料的张量特性

2.3 电磁波在铁氧体中的传播特性

2.4 CST和ANSYS软件简介

2.5 本章小结

第三章 传输式法拉第旋转器设计与热分析

3.1 铁氧体样品实验分析

3.2 法拉第旋转器的工作原理及数值计算

3.3 平面波的反射与透射理论

3.4 法拉第旋转器结构设计

3.5 多匹配导热结构的法拉第旋转器热分析

3.6 法拉第旋转角的模拟验证

3.7 本章小结

第四章 外加磁体的设计与法拉第旋转效应测试

4.1 永磁体简介

4.2 外加磁体设计

4.3 法拉第旋转效应测试

4.4 本章小结

第五章 法拉第旋转器小功率测试相关组件

5.1 HE11模式激励器

5.2 极化滤波器

5.3 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果