l微波铁氧体材料
微波铁氧体材料(MWFM)的发展已将近50年历史了，这其中贯穿着从材料机理研究到工程应用研究；从微观量研究到宏观量研究；从材料样品到商品化的发展过程。早期的材料研究从铁氧体的晶格结构、超交换作用、离子取代出发，研制了各种饱和磁化强度的材料以供不同频段的微波器件使用。接着又对MWFM的弛豫机制作了深入探讨，降低材料的各向异性，研究了材料损耗机制与自旋波散射机制的关系，发现磁损耗是一致进动和简并自旋波的散射所致，从而研究出了磁离子完全填满的无空位的柘榴石晶系，由于柘榴石铁氧体晶格结构的完整性和晶体结构的完整性，抑制了自旋的散射中心的产生，大大降低材料损耗。
“微波铁氧体”是材料和工程应用的产物。目前大量应用的尖晶石材料和柘榴石材料，其研究重点已经从机理研究转为应用研究上，围绕“二高一低”在工艺上进行了不少改进。高功率、高温度稳定性、低损耗材料已成为器件发展的关键所在；另外，宽的工作频段和具有记忆磁性微波材料的研究一直是倍受关注的问题。围绕着这两大问题，材料向商品化大大发展了一步。尖晶石和柘榴石系列材料性能基本上满足了100MHz～100GHz整个微波波段，各种微波铁氧体器件，如环行器、隔离器、开关和移相器的应用。其应用特点讨论如下：
1.1微波铁氧体材料从机理研究到应用研究的成熟过程
柘榴石材料系列和尖晶石材料系列中的电磁参数，在二十年以前就进行了深入的探讨。从原子层面上、晶格层面上、乃至宏观层面上均进行了大量试验分析，没有这些基本研究不可能有今天的成熟应用。g因子是典型的原子层面上的问题，柘榴石和尖晶石材料的g因子均接近于2，说明对铁氧体磁性起主导作用的是电子自旋。只有NiAl、NiZn等少量铁氧体材料，偏离稍大，即有一定的轨道磁矩作贡献。从晶格层面上说，典型的磁参数是4πMs，通过磁离子在晶格中的占位及交换作用研究，获得了离子取代的信息，达到了分子设计的目的。从两个系列来看，4πMs=175-5000Gs的磁矩材料已掌握自如。从宏观层面上看，低损耗、高功率一直是困扰人们研究铁氧体的难题，人们终于从自旋波弛豫和静磁模散射的机理出发，研究其对电磁波相互作用，发现了它们是电磁能转移到晶格热能的帮凶，电磁波通过两者的散射并和晶格相互作用消耗了进动能量，因此，△H和△HK是衡量损耗机制的参量，△H小标志着电磁能散射被抑制；为了获得高功率材料，人们在柘榴石中加入快弛豫离子Ho(钬)和尖晶石中加入Co(钴)或Gd(钆)，提高了△HK值，使△HK达到5—35Oe，大大抑制了自旋波在大功率器件应用中的激发现象。
1.2优化材料选择
在两大材料系列中，从应用角度来说，各有千秋，取长补短。
1.2.1柘榴石材料的优缺点
结构上，离子在次晶格上占位均匀，无空位、无正负电荷不平衡状态，所以△H和tg δ均比尖晶石小，柘榴石窄线宽材料△H=l00Oe，tgδ=2×10-4，而尖晶石系列材料△H大都在100Oe-200Oe上下，因而柘榴石材料是首选的低耗材料，尤其在高场区工作的材料均用柘榴石系列。尖晶石系列几乎无法工作。柘榴石材料的缺点是，第一，4πMs的值偏低，在X波段以上使用不占优势。第二，Br偏低，矩形度只有0.7左右，制作移相器和开关、变极化等类型器件时要充分考虑其适宜性。
1.2.2尖晶石材料系列的优缺点
Ni系和Li具有高的4π Ms，可以工作在高微波频率，乃至毫米波段。Li材料的矩形比达到0.9以上，可以作为有记忆的开关、移相器等应用，又因其Tc较高，能耐高温。其缺点是尖晶石系晶格本身未占满，有空位出现，电荷易移动引起电损耗，tgδ偏大，另外△H较大，不易做成宽带高场器件。
1.3磁损耗机制研究留下的遗憾
尽管人们会使用△H小、tgδe小的材料作为器件上的优先选用，使器件损耗下降，但△H是描述材料共振附近的损耗特性，可是大多数器件不论是低场还是高场均是远离共振点工作的，这些区域的损耗特性往往不能以△H大小来表征，例如有些材料其线宽△H均在280—360Oe之间，但反映在低场工作是损耗很小，等效线宽△He只有10—12Oe，因而人们长期以来期望用有效线宽△He来描述磁损耗大小，但结果未能圆满成功，因为有效线宽和材料工作状态、工作频率、磁化状态密切相关。在器件设计过程中，损耗大小取决于△He大小，这时只能具体问题具体处理对待。
第二个遗憾是高功率损耗与低功率损耗的矛盾，两者不能兼顾。选△H和△Hk小的材料，低功率损耗很小，但高功率损耗更大；因而在选高功率材料时，△Hk要大，宁可牺牲低功率时的低耗特性。
1.4材料化——样品化——商品化过程
图1代表了典型的当前在市场上能买到的一种商品形态，它与应用关系密切。
左上角的一叠微带器件用的铁氧体材料，多半为柘榴石，因为其致密性，可以在表面光刻微带电路。
右边的为环状铁氧体，用作铁氧体移相器，左下方的为高功率移相器，它为陶瓷和铁氧体圆盘周期结构，目的是便于散热。
中闻部分为铁氧体介质圆盘或圆柱，镶嵌在陶瓷环中间，目的是磁化均匀性减小插损。
1.5材料的矩形比问题
对大多数固定磁场器件，Ms是一个重要磁参数，对器件设计来说，这是最重要的参数，因为这里外磁场足够强至饱和磁化。但对变场器件磁化场不易使样品达到饱和，特别是记忆性器件，如锁式移相器、开关之类器件，这里磁化场只有几个Oe，处于半饱和状态，Mr/Ms一般只有0.5左右，尽管材料的矩形比Br/Bm=0.9左右，这在设计中必须考虑的因素。
2固定磁场器件
这里所加的外磁场都是恒定磁化。它包括波导和同轴结构各种波段的环行器和隔离器，这是最传统的铁氧体器件，也是至今为止工程化用量最大的一类器件。各类铁氧体环行器和隔离器应用于各个领域的电子设备中，有雷达、通讯、导航、电子对抗、卫星通讯、广播电视、微波加热工业应用等。产品品种从P、L、S、C、Z、Ku、Ka到3毫米波段都有铁氧体器件的应用。年产量30-50万左右。近年来随着工程应用的扩大和深入，常规器件的水平不断提高，商品化程度外观质量也不断提高。
2.1高功率环行器
波导差相移环行器在S波段可以实现10KW平均功率和10MW峰功率。这种水平是鲜见，平均功率靠提高铁氧体散热面积来增大，在水冷条件下，100W/cm2；强迫风冷，1 0W/cm2；自然冷却4W/cm2。峰值功率提高比较困难，第一是铁氧体表面电场强度集中，容易击穿，靠充气压来解决。铁氧体材料是不易电击穿的，但会产生“磁击穿”，即在高功率下激发了自旋波，它把电磁场能量带走了，即材料的非线性效应发生。石榴石材料自旋波线宽可做到大小10Oe左右。其它波导的耐受功率可以用S波段为范例作推论，大致耐功率与波长平方成正比。这种器件广泛应用在收发系统中作双工器用。在P、L、S、C、X、Ku、Ka等波段均可用差相移环行器结构，因为这种结构其铁氧体接触面积大，提高了功率容量。
2.2 Y形结大功率波导环行器
波导结环行器随着工作频率降低、波导口径越大，铁氧体圆盘直径也越大。如915MHz大功率环行器中两片铁氧体直径D=115mm，H=4 mm，有利于散热，峰功率不大，所以100W/cm2(水冷)，总的接触面积A=207.7cm2，计算出耐平均功率20KW左右，实际上也是如此。
除上述P波段Y形结大功率波导环行器外，作为微波能应用的另一工作频率为2450MHz，在这个波段的平均功率5KW-10KW，从散热角度来看，其难度比P波段还难，因为其样品接触面积只有其1/3，而功率将为其的1/2，要求样品损耗更低，样品愈薄，散热措施更完善才行。
2.3 Y形结同轴／带线环行器，
近年来移动通讯技术大力发展，短短几年中，从模拟网发展到数字网，又从GSM过渡到CDMA体制，现在又开发小灵通，我国已成为手机使用量最多的国家，小型化环行器在通讯工程中应用已形成供不应求的局面。在90年代以前，平均产量一直维持在3-4万只，12年后的今天，国产环行器／隔离器的年产总量超过40万只，而且平均以每年20％的速度增长。所以有人说这是微波铁氧体发展的第二个黄金时代。我国自行设计生产的这类器件集中在800MHz、 900MHz、1800MHz这三类体制上。其特点：
2.3.1结构小型化
800/900MHz的环行器，现有外形体积只有L×W×H=20×20×9mm；原来为32×32×13 mm，体积已缩小两倍多。这种环行器虽然耐功率不高，但耐功率密度不亚于高功率器件，最高功率达到200瓦，按铁氧体接触面4cm2计算，承受功率密度达到50W/cm2，而且是在没有水冷条件下实现的。若应用在1800-2000MHz的通讯频段，尺寸只有1 2×1 2×8mm，这些设计尺寸理论上已接近极限尺寸了。
在小型化设计中另一个途径就是平面化，磁体由轴向放置变为与铁氧体共面放置，高度缩小到6mm，这在平面电路中使用较方便。
图2为平面化通讯用的带线环行器／隔离器，第一，工作频段适用在800-1000MHz和1800-2200MHz，器件高度约5mm左右，其中适宜在SMT技术中应用(无法兰孔)，可用表面贴装和微波电路相连(图2a)。图2b和图2c分别为高／低功率用的平面隔离器，高功率的Pp=1000W，Pav=100W的正向通过功率，和Pp/Pav=1000/100W的反向功率。图2d为带线环行器结构。第二，这些器件的特点是插损较低，正向～0.1-0.2dB，由于它工作在高场区，无一致进动和自旋波的简并散射，在低场器件中，有短波长自旋波散射，在共振区有长波长自旋波的散射，损耗偏大，一般在0.4-1.0dB；另外，要求有较好的互调系数IMD典型性能为-70dBcW/2×20W谐波；第三，壳体结构的漏磁很小，使用时，对电磁兼容有好处；第四，器件的温度补偿特性好，可工作在-10℃—+85℃。
什么情况可在高场区工作，早期的器件只有P波段适用在高场区工作，如在1000MHz以下；稍后，在2GHz以下也可在高场区工作；最近在3-4GHz也可在高场区工作。尽管目前大量的器件在L波段仍在低场工作，但高场工作的低损耗和小型化的优点是个优选方案。
2.3.2结形带线环行器的设计存在的问题和克服办法
环行器壳体结构的拼装零件太多，引起漏磁严重，一体化壳体设计不用螺钉安装，采用先装配后充磁办法。这种结构在国外产品几乎占了80％；该结构漏磁小，温度补偿有效，提高了器件的温度稳定性，而且安装节省时间，提高生产效率。
在通讯频段的环行器／隔离器，虽然没有高的峰功率概念，但非线性效应时而出现，它反映在三阶互调系数IMD=-70dBc，在过分要求低损耗情况下工作场又靠近铁磁共振处，往往会出现这种现象，解决办法还是适当提高材料的△Hk但△H又要低这种材料还必须研究。另外，磁化均匀，铁氧体外层套介质环，和表面磨平，把直线磨改成圆周磨，磨速均匀等工艺加工措施。
2.3.3结环行器的宽带化技术
带线结环行器通过对非互易结附加匹配网络，可使带宽达到数倍频程。如：2—6GHz和6—1 8GHz频率范围内达到：14dB隔离／1.5驻波／1.5dB插损。这些器件在电子对抗技术中大有应用，但对波导结环行器，受到波导的截止频率限制，带宽只能做到40％左右。然而采用了脊波导结环行器，由于截止频率低移，在8-18GHz波段，可获得正向0.5dB/反向15 dB/驻波1.4的宽带特性。
2.3.4环行器温度稳定性的改进和概念
高场工作的环行器用锶钙铁氧体和铁镍合金片，作为磁路补偿材料，其经验非常实用。其原理是铁氧体磁矩随温度的升降而升降；锶钙铁氧体的磁能和铁镍合金的磁导率也随温度的升降而升降，它们的同步变化也是温度稳定性要求所必须的，但对此只有定性概念没有定量概念。从最近对环行器温度特性的理论研究，已向定量设计迈进了一步。
3变磁场器件
3.1铁氧体移相器的发展
对移相器的研发已有30余年历史，海湾战争以前，仅对非互易移相器和双模互易移相器进行了研究工作，重点在器件的机理方面研究，真正向工程化应用发展还是在90年代初开始的。爱国者相控阵雷达的威力，对快速目标的搜索、跟踪，检测和成功的拦截，铁氧体移相器在雷达中的应用起到不可估量的作用。根据不同用途，在X、C、S等波段研制了不同类型的铁氧体移相器，移相器的结构形式五花八门，有非互易移相器、双模互易移相器、圆极化旋转场移相器、Reggia—Spencer移相器。
3.1.1非互易移相器
它是一种最传统的结构，美国在60年代就大力发展起来，爱国者系统就是利用这种结构的移相器，每个阵面用了5000多只。由于用了铁氧体闭合环结构，用单根导线激励大电流来控制闭合磁路磁化状态，故开关速度很快，只有十数微秒，驱动功率低，每次开关能量只有200-1500μJ不等(随工作波段、铁氧体环大小而异)，它的工作频段适用于S、C、X、Ku等。设计上比较成熟。相移跳变精度可做到6位64个移相状态，即360°/26=5.625°/位，但从成批量统计，固定相移的均方根误差约7°-8°，相移精度约4°—5°，插损1 dB，驻波比小于1.3。这类移相器的耐受功率在移相器中是比较高的，但不能与环行器相比。因为铁氧体环处于E面放置，与波导接触面小，耐受峰功率和平均功率均受到这两个因素制约，即非线性效应和散热效应。它与H面环行器相比，在c波段上只有它的20％；平均功率50-100W，峰值功率50KW左右，对其它波段而言，耐受功率正比于波长的平方。
为了改善耐功率，近年来采用“十”字形波导，又称槽形波导，并用氮化硼或氮化铝介质作为散热介质，氮化铝的导热系数接近金属铝的导热系数，K=1.7瓦/(度·厘米)，而铁氧体的K=0.06瓦/(度·厘米)，相差达30倍。铁氧体和槽波导的接触面占铁氧体散热面积的2/3，而余下的l/3面积通过与导热介质接触面传导到波导壁。例如在S波段进行设计，铁氧体的散热接触面达到140cm2，在自然散热状态下，每平方厘米能承受7瓦功率，移相器总的承受功率可达1000W。所以从宽带和承受高平均功率角度出发，槽形移相器结构是第一选择。(见图3)
3.1.2互易双模移相器(见图4)
这是从70年代初发展起来的，它是利用金属化铁氧体棒(方或圆)做成移相段，特点是体积小，重量轻，单位长度相移大，约比非互易的大一倍，体积重量只有其1/10，大大降低了天线阵的重量。其缺点是多圈电流控制，开关时间长，因其采用了外磁路结构，磁路长度长，闭合性差，在C波段的开关时间约为50μ s，接近非互易式的10倍。移相器的相移变化通过正负圆极化的相位差来实现，其对应的磁导率差变量大，一般达到0.5-1.5左右，若控制磁化场的大小和方向，可改变相移，其优值达到0.8dB/360°相移。这种移相器的最大特点是其互易性，雷达一次收发过程中不需磁化倒向，一定程程度上弥补了开关时间长的缺点。另一方面，金属化铁氧体波导的散热效果差，耐峰功率和平均功率都低于波导非互易移相器，一般只有它的1/5。例如C波段双模移相器，平均功率只有20W，峰值功率5KW，双模移相器的输入/输出两端都有1/4波长圆极化波片，用于线极化-圆极化-线极化的转换，相移段本身在圆极化状态下工作，但整体上看仍是一种线极化移相器。但如果去掉两头的1/4波片，也可作为互易圆极化移相器使用，这种移相器在工程上使用业已成熟。据报道，美国某产品用了7000个圆极化移相器，俄罗斯做成了l 1000个X波段圆极化移相器的阵面。
3.1.3移相器——天线单元一体化结构(见图5)
这是一种组合结构的移相器，把同轴—双模移相器—介质天线辐射单元组合设计成一体化，其结构紧凑，由压缩波导组成，重量轻，插入方式连接天线，是一种新颖的设计。
3.1.4旋转场高精度移相器(见图6)
它是40年代Fox旋转半波片移相器的原理制成的，只不过这里的旋转半波片是利用横向四磁极旋转磁化场来实现的，铁氧体在四磁极磁化场的作用下，产生两个正交模差相移，四磁极旋转场是利用电机的结构，是一种外磁路结构，它为两组电流线圈控制磁化场旋转方向，所以开关时间较长，一般是毫秒量级。早在80年代，美国利用它来装备机载相控阵AWACS和E3A，它的主要特点是相移精度高，360°相移是利用磁化场的360°旋转实现的，电机的多极结构(一般16极)可使旋转角精度达到1.5°，这在理论上和实践上已经证明了的，因为铁氧体的温度变化效应，对相移的影响不像其它铁氧体移相器那样敏感。这种移相器是通过1/4波片把线极化波转换成圆极化波，四磁极旋转波片作用是“牵引”圆极化波的旋转速度。但整体来看，它仍是一种线极化互易移相器，不像双模互易移相器那样，可做成圆极化移相器。移相器是薄壁圆波导结构，也可以是金属化圆波导结构，铁氧体棒可以做成圆柱棒或空心圆管中加介质形状，移相器段是外磁路结构，又是横向磁化，只要求180°的波型差相移，所以移相段只有通常的双模移相器的一半长，例如S波段相移段长度不到4厘米。
近年来，为了增加旋转场移相器功率，提高散热效率，一种是采用铁氧体空心管结构，缩小导热距离，另一种办法就是采用铁氧体——导热陶瓷叠层圆盘组成的周期结构。铁氧体圆盘和横向四磁极结构组成准闭合磁路，它仍能在闭馈磁化状态下工作，不像纵向磁化的双模移相器那样，若采用了叠层周期结构，会切断磁路的闭合性。旋转场移相器若采用金属化波导结构，可以形成闭合磁路，在闭环状态下工作，可以用数字方式来控制相移，若采用薄壁波导结构，磁路的闭合性差，只能用模拟方式控制。
旋转场移相器在高频波段工作，因受到多极旋转磁化场结构限制，仅适合在较低频段S、C、X工作。
3.1.5 R-S移相器
它在压缩矩波导中放置铁氧体矩形棒，纵向磁化结构，通过外磁路磁化轭上的线圈控制磁化状态。因为铁氧体不与波导壁接触，所以受到散热条件限制，只能在较低功率下工作（几瓦或几十瓦）。这种移相器多半工作在X波段，其相移量大。早在1957年就由Reggia-Spencer发明，相移达160°/厘米左右。当时只能用模拟控制，由于是多线圈方式，所以开关时间和双模移相器相当。在X波段约20-50μs。这种移相器的相移量大，温度稳定性好，优于双模互易移相器。在X波段工作相移段长度约4厘米，和双模移相器比，其中没有1/4波片，所以体积、重量比双模互易移相器还小，其优值约0.8dB/360°。由于接口波导处磁路结构的影响，阻抗匹配带宽较差，一般在5％，驻波为1.4左右。这类移相器也是一种互易移相器，因为它在单向磁化态下工作，不像双模互易移相器那样是在正负磁化态下工作。可是它的相移量不亚于双模移相器。长期以来对R-S移相器的大相移机制不能得到有关解释，观点繁多，各持己见达半个世纪之久。近年来利用计算机仿真计算和电磁场结构的观察，初步认定RS移相器的机制是水平和垂直的两个正交的模式的耦合结果，换言之，由于耦合导致一对正交椭圆模产生，利用椭圆模的差相移达到大的移相量。对比之下，一般称之的双模(DM)移相器是利用正负圆极化模为工作模式的移相器。而RS移相器是一种利用正负椭圆模为工作模式的移相器，实际上是广义的双模移相器。DM移相器的相移来源于倒向工作状态，正负圆极化波的相差(μ±K变化的相关量)，它的互易成分相互抵消，而RS移相器是单向工作，其非互易成分(与K相关量)虽然不如前者，但互易成分相关量是叠加的，因而总体而言，两者相移量相差无几，只是由于RS移相器结构上没有λ/4波片。所以在尺寸、重量方面比DM移相器略占优势。
3.1.6椭圆极化移相器的新概念
既然RS移相器是一种部分充满铁氧体的矩波导双模移相器，工作模式为椭圆极化模，那么在全充满铁氧体的矩波导双模移相器中，也存在有椭圆极化本征模，能否做成椭圆极化移相器呢?这是值得关注的，这种移相器的结构比RS的简单，因为波导接口处结构不复杂，是一根矩形铁氧体棒，匹配容易，相移量也很大，X波段理论相移量达到1 70°/厘米。可以用金属化波导结构，铁氧体表面可以导热，可以承受较高功率。另外从结构上适宜在多波段工作，从Ka、Ku、X、C、S、L等波段均能设计，这点与双模移相器媲美。另外，这种移相器是单向磁化方式工作的，只利用其一种椭圆极化模(正或负)，它是与RS移相器的工作方式一样的互易移相器，它不需固定的λ/4波片。椭圆模的激励是通过磁回路接口处的横向磁化场实现的，随着磁化场变化，椭圆模的极化轴比相应同步而变，这是设计椭圆模移相器的最大难关。
3.1.7移相器的新概念
整体移相器或组合移相器是铁氧体移相器设计的一种新概念。
经典的移相器是一个单元配一个控制单元(激励器)，m×n阵列要配m×n个激励器，它们的纵扫和列扫都是通过每个单元的独立控制相移变化来实现的。而整体移相器是通过行扫移相器和列扫移相器分段控制的，它的控制激励器数量为m+n，如果100×100阵列，整体移相器控制单元200个就够了，这样大大压缩设备量。
整体移相器结构在90年代、发展铁电移相器上使用过，FE移相器虽然是电压控制，承受功率较低，但目前的铁电材料损耗偏大，为铁氧体的十倍，由于铁电体介电常数很高100—2000，所以匹配上困难。
与此同时，铁氧体的整体移相器结构亦有报道道。90年代俄罗斯利用铁氧体平板结构，利用行扫和列扫分别控制方法，在8mm波段实现了32×32的阵列铁氧体扫描天线阵，这是一种整体移相器的概念，平面化结构的整体移相器，而且包括了900多个平面天线单元。是一种移相器—天线阵平面一体化结构。这天线阵的面积只有16×16mm，重量几百克，适用于机载或星载雷达使用。
3.2开关多极化器
这类器件是横磁化并在不均匀磁化场下工作，其设计有赖于高频HFSS和静磁3D混合有限元方法来解决。
3.2.1 Y形结开关器件。
它在天线波束转换装置中用处独特。工作原理类似于波导Y形环行器，但由于其闭合磁化场结构和环行器的均匀磁化场结构差别很大，使设计计算带来困难，应用混合有限方法解决了这个矛盾。图7为它的结构外形，铁氧体也制成Y形结构，环行线图为激励线，通过电源正负倒向完成开关功能。在Ka、Ku、X、C、S等波段均能实现开关特性。
3.2.2多极化器(全极化器)
图8为多极化器结构原理图，在铁氧体圆波导上施加两组回磁极，相对轴向相互交叉45°角。第一组回磁极作用为变极化器，把水平(或垂直)极化波变成任意轴比的椭圆极化波。第二组为双模差相移器，使椭圆极化波转成任意角度。双组回磁极分别由不同电源流激励，调节不同电流大小和方向，便可获得不同旋向、