微波鐵氧體器件在現(xiàn)代電子設(shè)備中的應(yīng)用

楊天穎

（西南應(yīng)用磁學(xué)研究所，四川 綿陽 621000）

1 微波鐵氧體器件的概述

微波鐵氧體器件是利用鐵氧體材料的特性制得的器件。要了解鐵氧體器件，得從磁性材料認識開始。磁性材料是四大功能基礎(chǔ)材料之一，根據(jù)其磁性強弱分為軟磁、永磁及旋磁材料，在通信、微波傳輸?shù)戎杏袕V泛應(yīng)用。微波鐵氧體材料便是旋磁材料的一種，可通過外加直流電源磁場以及微波場對導(dǎo)體進行作用，使得磁導(dǎo)率呈現(xiàn)張量特性。現(xiàn)在社會，人們利用微波材料的可進行微波信號傳輸?shù)奶厥庑阅苤苽涑鱿鄳?yīng)鐵氧體器件。例如，將微波鐵氧體器件應(yīng)用于現(xiàn)在雷達的天線反饋系統(tǒng)，達到控制微波信號的相位以幅角的變化，便是利用了微波鐵氧體材料的磁可控性的特點，進而使得現(xiàn)在雷達得到更加準(zhǔn)確的信息。

2 微波鐵氧體的分類及應(yīng)用

常見的微波鐵氧體材料分為單晶體材料及多晶體材料。根據(jù)單晶的鐵磁諧振特性而制成的微波器件被稱之為單晶鐵氧體器件。而根據(jù)多晶的鐵磁諧振特性而制成的微波器件被稱之為多晶鐵氧體器件。

2.1 微波鐵氧單晶體的分類及應(yīng)用

常用的單晶材料為億鐵石榴石材料（簡稱YIG），在其晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，每一個分子結(jié)構(gòu)都有一個未成對的電子，可以使分子在外加磁場的作用下，使得磁矩圍繞著外加磁場的方向進行變化，表現(xiàn)出分子的順磁性。這些變化的頻率與外加磁場的強度成比例關(guān)系，即當(dāng)外加磁場變化時，它的頻率也將發(fā)生改變。常見的單晶鐵氧體為YIG調(diào)諧濾波器、調(diào)諧振蕩器及諧波發(fā)生器等。

YIG器件可以通過其用途將其劃分為YIG調(diào)諧濾波器及YIG調(diào)諧振蕩器，其主要的特點都是在外加磁場的作用下表現(xiàn)為順磁性，使得輸出信號的頻率可以通過改變外加磁場的大小進行成倍的增加，使得其可以工作在一個較為寬大的范圍內(nèi)，常見的調(diào)諧振蕩器主要的工作頻率為2～6 GHz以及6～18 GHz。利用YIG調(diào)諧振蕩器的這一特性，將這種調(diào)諧振蕩器應(yīng)用于微波測量器件中，將其作為本機信號，使得其具備廣泛的工作范圍。在雷達系統(tǒng)中，將YIG作為本機信號，不僅可以廣泛地進行檢測，而且可以使得雷達不斷地改變自己的工作頻率，使其具備抗干擾能力及防檢測的能力，對我國國防事業(yè)的發(fā)展具有重要作用[1]。

而調(diào)諧濾波器還具備濾波性能，并且濾波帶較為狹窄，目前常見的調(diào)諧濾波器主要的頻率為2～18 GHz。 所以選用YIG調(diào)諧濾波器應(yīng)用于偵察機的偵查設(shè)備，不僅僅可以使其改變自己的工作頻率，還可以抑制干擾信號，對其抗干擾的能力進一步加深。

2.2 微波鐵氧多晶體的分類及應(yīng)用

利用多晶體材料制成的器件便被稱為微波鐵氧多晶體器件，常見的多晶體器件主要有環(huán)行器、限幅器及移相器，這些多晶體器件當(dāng)外部給予其一個垂直于鐵氧體器件方向的偏置磁場時，其傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘柕姆较驎S著偏置磁場方向的變化而變化，故可以利用這些器件控制傳輸信號的方向，避免了和其他信號的互相干擾。

2.2.1 環(huán)行器

環(huán)行器一般具備三個或是多個端口，當(dāng)傳輸信號從一口進行輸出，只能從二口進行輸出；當(dāng)信號從二口輸入時，只能從三口進行輸出。以此類推。這就使得傳輸信號只能按照環(huán)行器自備的方向進行傳輸，利用環(huán)行器的這一特性，可將其廣泛地應(yīng)用于收發(fā)公用器，用于雷達檢測及通信行業(yè)。在使用中，將環(huán)行器的一端接入發(fā)射器，二端接入天線，三段接入接收機，使得一端通過發(fā)射器輸入的發(fā)射信號，只能通過二端口的天線進行發(fā)射傳出，而一旦二端口的天線接收到信號時，只能傳遞到三端口，這就避免了信號的互相干擾，加強了設(shè)備的抗干擾能力，防止信號的紊亂[3]。

2.2.2 隔離器

隔離器顧名思義就是隔離信號的傳輸，使得信號只能單方向的進行傳輸。具體表現(xiàn)為：在環(huán)行器中，一端口的信號很容易就傳輸?shù)蕉丝?，但是?dāng)傳輸?shù)蕉丝诘耐瑫r，部分信號會作為二端口的輸入信號傳輸?shù)饺丝?，使得本來二端口接受的信號與一端口的傳輸信號紊亂，同時傳輸?shù)饺丝?，這時就可以在三端口上加上一隔離器，將一端口的傳輸信號進行吸收，只讓二端口的接受信號進行傳輸。隔離器的作用使得環(huán)行器對于信號的傳輸更加的穩(wěn)固，更好的保障了信號的抗干擾及抗紊亂的能力。

2.2.3 移相器

眾所周知，一切物體的傳播都需要介質(zhì)，并且當(dāng)信號在介質(zhì)內(nèi)進行傳播時，其相位角會發(fā)生變化，就好比拋石頭，總會是一條拋物線一樣，信號也不例外。其相位角發(fā)生改變的大小取決于傳輸所利用的介質(zhì)材料以及傳輸線的物理參數(shù)。這便意味著一旦決定了信號的傳輸方式，那么信號的相位角必然發(fā)生變化，且這一變化已經(jīng)固定。但是，當(dāng)信號通過鐵氧體進行傳輸時，其相位角的變化不僅僅取決于外界所存在的客觀因素，還決定于信號的激發(fā)方式。因此，根據(jù)鐵氧體傳輸信號的這一特性，人們發(fā)明了移相器，將其應(yīng)用在國防事業(yè)的相控陣雷達上。其中的移相器陣列單元是由電腦進行控制，可以通過控制其相位角的變化，從而確定傳輸信號所去往的方向，達到準(zhǔn)確檢測目標(biāo)的目的。

2.2.4 微波開關(guān)

微波自動開關(guān)是指應(yīng)用微波鐵氧體材料的多普勒效應(yīng)進行控制，檢測物體的移動，并將物體的移動作為電信號進行傳輸，從而達到控制某一物體的作用。而在跟蹤測量的雷達系統(tǒng)的內(nèi)部，應(yīng)用了鐵氧體器件制成極化器和微波轉(zhuǎn)化電路所需的電器元件，這些元器件能夠小于1個脈沖的周期內(nèi)進行開關(guān)的控制，即當(dāng)出現(xiàn)一個極化情況不明的信號時，這種微波轉(zhuǎn)化地電路會在一個脈沖周期內(nèi)進行詢問，而且還可以使接收的信號在一個周期內(nèi)轉(zhuǎn)換一次，使得得到的信號強度等于發(fā)射的信號強度。也就意味著，當(dāng)飛機在半空中進行運動的同時，雷達接收到飛機發(fā)射回來的信號，通過內(nèi)部的微波開關(guān)使得接收回來的信號更加清晰，時間更為簡潔。

3 微波鐵氧體器件在今后社會中的發(fā)展趨勢

3.1 集成化

由于微波鐵氧體所應(yīng)用的領(lǐng)域內(nèi)的設(shè)備越來越固體化，通常一個系統(tǒng)需要多個設(shè)備來進行共同操作，所以微波鐵氧體也必須適應(yīng)這種發(fā)展趨勢。例如，一臺雷達系統(tǒng)需要許多環(huán)行器、隔離器及移相器共同作用下才能完美地發(fā)揮自己的能力，雖然這些設(shè)備都不是雷達儀器自身所具備的，但是后期通過采購進行安裝就能組合成了一套雷達系統(tǒng)。由于這些原件甚至都不是一個公司進行生產(chǎn)的，在性能上有可能有著不穩(wěn)定的因素，所以微波鐵氧體器件必須集成化，這樣才能統(tǒng)一、協(xié)調(diào)地進行工作。

3.2 貼裝化

微波鐵氧體器件被廣泛地應(yīng)用于通信服務(wù)行業(yè)，其中通信基站離不開環(huán)行器及隔離器。通信基站主要是用于人們?nèi)粘５碾娫捦ㄐ胖?，因此人們?nèi)粘Ｉ钪兴褂玫氖謾C也需安裝環(huán)行器和隔離器，只有這樣才能接收到基站所發(fā)出的信號。但是手機內(nèi)部的空間相對于環(huán)行器而言過于窄小，只能采用貼裝于手機內(nèi)才可以實現(xiàn)手機的功能，為此發(fā)明較為小巧的環(huán)行器及隔離器，通過貼裝于設(shè)備上進行應(yīng)用，是未來微波鐵氧體元件的發(fā)展趨勢。

3.3 高頻化

現(xiàn)在的頻率資源大多數(shù)都是在米波、厘米波帶進行利用，其利用率已經(jīng)相對于現(xiàn)在社會顯得捉膝見肘，因此高頻率的發(fā)展勢在必行。為此人們發(fā)明了毫米波，毫米波在其應(yīng)用上更加廣泛，可以更好地穿透云霧、水和大氣層，使得傳播更加地不受限制，不僅廣泛地應(yīng)用于全天候雷達中，還被應(yīng)用于現(xiàn)在社會的汽車駕駛上，當(dāng)與前車的距離達到設(shè)定的安全距離時，會自動的進行報警，對于距離的測量更加的準(zhǔn)確。這對我國自動駕駛行業(yè)的發(fā)展有著深遠的影響[4]。

3.4 高功率性

在現(xiàn)代軍事中，不僅僅雷達監(jiān)測事業(yè)在發(fā)展，戰(zhàn)機的反監(jiān)察事業(yè)也在不斷進步，戰(zhàn)機通過在其表面涂抹大量的微波吸收材料，導(dǎo)致監(jiān)測不到雷達發(fā)射的微波，達到其“隱身”的目的，這就是所謂的隱形戰(zhàn)機。因此，為了使得“隱形”戰(zhàn)機無所遁形，雷達必須發(fā)射高頻率、高功率的信號電平，使得戰(zhàn)機吸收不了信號，及時地監(jiān)測到敵機的動向。這對我國國防事業(yè)產(chǎn)生積極的作用[2]。

4 結(jié) 論

盡管我國的通信行業(yè)、雷達監(jiān)測行業(yè)、航天行業(yè)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用了微波鐵氧體器件，但是我國微波鐵氧體的制造行業(yè)卻沒有得到更好的發(fā)展。目前，我國能夠生產(chǎn)和研究微波鐵氧體的企業(yè)只有國內(nèi)幾家大型的研究所和部分個人企業(yè)，每年生產(chǎn)的微波鐵氧體材料的產(chǎn)值較低。這顯然是不能滿足我國的現(xiàn)實需求的。因此，我國必須全力發(fā)展微波鐵氧體事業(yè)，并專注創(chuàng)新。