前面讲过的谐振器大都是从电磁波的反射而形成纯驻波的角度来讨论的，实际上，如果从谐振器对电磁能量的作用这个角度去看，谐振器又可视为能在很窄频率范围内吸收电磁能量的一种装置。因此，除了前面讲的各种谐振器外，只要能导致电磁能量被谐振吸收的物理机制，也可以构成谐振器，利用铁磁谐振吸收现象的YIG 磁谐振器就是其中的一例。下面介绍这种谐振器的基本工作原理，并举一个利用YIG 谐振器构成的波导电调带通滤波器的例子。为此，首先谈一下铁氧体材料的磁性，然后再讨论YIG 磁谐振器的基本工作原理，最后是举例。
铁氧体是在微波中应用较广的一种材料，它是由Fe2O3与金属氧化物混合后，经烧结而成的一种磁性材料，是一种复合氧化物。在烧结工艺和机械性能方面，它很像陶瓷，因此又称磁性瓷。从电性能方面来说，铁氧体是一种具有介电性质的半导体材料，在微波中用的铁氧体具有较高的电阻率（ρ=106～108 Ω·cm，或更高些），因此涡流损耗很小，而且具有较高的相对介电常数（εr=8～20）。从磁性方面看，它又像金属磁性材料，是一种磁性物质。其中的YIG 是微波范围内常用的铁氧体材料之一，这是一种低损耗、磁谐振峰的线宽又很窄的微波铁氧体单晶材料。在微波范围内应用的铁氧体材料中，有一种叫作石榴石型，天然产的成分是（FeMn）3Al2（SiO4）3。如果用人工方法以Fe3+（三价铁元素）取代其中的Al 和Si，并用Y3+ （三价钇元素）取代其他的金属，则结晶的结构不变，从而可以得到一种新的铁氧体单晶材料。它的成分为
称为钇铁石榴石（Yttrium Iron Garnet），简称YIG。
现在讨论铁氧体的磁性能。和其他铁磁性物质一样，铁氧体的磁性主要来自电子的自旋。因此，讨论铁氧体的磁性，最简单的物理模型就是用一个旋转着的带电小球来表示电子。这个小球的质量和所带的电量与电子的完全相同。小球既具有机械自旋动量矩J，又具有自旋磁矩Pm。当铁氧体内有外加的恒定磁场H0时，由于H0对电子自旋磁矩的作用，自旋电子（小球）将受到一个旋转力矩矢量T 的作用，T的表示式为
在一般情况下，T 的作用是力图把Pm拉向与H0一致的方向，但是由于电子的自旋作用，不可能使Pm立即转向H0的方向，而是围绕H0做自由进动，如图5.6-10所示。T 是外加的转矩，J是自旋电子本身的机械转矩，根据力学原理，外加的转矩应等于电子本身单位时间内转矩的变化量，即
图5.6-10 电子的进动
（a）无阻尼情况；（b）有阻尼情况(www.zuozong.com)
可见，加了H0后，电子的动量矩就不断地改变着方向，产生进动，进动方向与H0构成右手螺旋关系。进动的角频率（也称谐振角频率）为
式中的γ 是电子的旋磁比，是一个常数。如果进动的电子不消耗任何能量，或者说不受任何阻力，则进动将持续地进行下去。但实际上，由于进动的电子要克服物质内部的阻尼而损耗能量。因此，如果外界没有能量供给电子，那么，从矢量Pm（矢量J 也一样）的进动情况可以看出，进动的夹角θ 越来越小，进动轨迹也由圆周而变为螺旋线。经过极短的时间，Pm就会与H0方向相一致，进动也就停止。图5.6-10（b）就表示了这种进动过程。
下面讨论另一种情况，即在铁氧体内不仅加有恒定磁场H0，同时还有与H0垂直、顺H0正方向看去为右旋圆极化的高频磁场作用于铁氧体内，而且高频磁场的角频率ω=ωH=γ|H0|。这就会使电子进动的幅度加大，如果没有损耗，幅度将无限制地加大下去；但实际上有损耗，幅度不可能无限制地加大下去，而是在高频磁场提供的能量与电子自旋为克服阻尼而损耗的能量相平衡时，幅度便不再扩大，但进动仍在进行，也就是说铁氧体对微波产生了谐振吸收现象，利用这种现象就可以构成谐振器（磁谐振器）。顺便指出，如果在铁氧体内相对于H0而言加的是左旋圆极化高频磁场，即使令ω=ωH=γ|H0|，但由于它的作用会使电子进动的方向与只有H0时的方向相反，因此高频能量不可能被铁氧体吸收，也即不会产生谐振吸收现象。
利用铁氧体在一定条件下所构成的谐振器，与一般谐振器相比，它有下列一些特点。①谐振频率仅取决于材料的电磁性能、形状和恒定磁场H0，而与铁氧体材料的尺寸大小无关。因此，当材料和H0选择合适时，即使是直径以毫米计的铁氧体小球，也可以应用到整个微波波段中去。②谐振频率可以通过改变H0的大小来调谐，在实际应用中，也就是通过改变用以产生H0的励磁电流的方法来改变谐振频率（通常称之为电调或磁调）。③根据铁氧体高频磁导率的张量性质，当用任一与H0垂直的高频磁场来激励铁氧体（小球）时，将会在空间激发出两个互相垂直、同时又均与H0相垂直的高频磁场分量。由此可知，铁氧体（小球）的激励状态，取决于用来激励它的高频磁场与H0的空间关系。由前两个特点可知，铁氧体谐振器具有体积小和调谐范围广等优点。
下面举例说明YIG 谐振器的应用，图5.6-11（a）是在矩形波导中利用YIG 谐振器构成的电调波导滤波器的结构示意图。它的主要部分是两个其高度比通常的波导要低一些的终端短路的矩形波导。两个波导相重叠的部分具有公共的宽壁，并在公共壁的中间位置处沿纵向（y 轴方向）开一个狭窄的小缝隙，在缝隙的上面（波导（1）中）和下面（波导（2）中）各放置一个YIG 小球。小球的作用是把两个波导耦合起来，但不是对所有的频率都有耦合作用，只是对ω=ωH=γ|H0|及其附近的频率才有耦合作用。现在设TE10模式的波从波导（1）向波导（2）传输，由于在狭窄缝隙处只有与缝隙纵向相垂直的磁场分量Hx，其耦合量很小，因此，当YIG 小球不是处于谐振状态时，两波导之间几乎没有能量的耦合。但是，如果在z 轴方向上加一恒定磁场H0，使YIG 小球谐振，则波导（1）中的Hx通过波导（1）中的小球在空间激发出Hx和Hy，而Hy（它与缝隙纵向平行，耦合量较大）通过缝隙去激励波导（2）中的YIG 小球，而后者又在波导（2）中激励出磁场分量Hx和Hy，其中的Hx就在波导（2）中激励出TE10模式的波。由此可知，由YIG 磁谐振器所构成的滤波器只允许频率等于（或很靠近）YIG 小球谐振频率的信号通过。在一定范围内调节H0，亦即调节小球的谐振频率，就构成了一个电调波导带通滤波器。图5.6-11（b）是一个由装于金属盒内的YIG 小球（其直径为几个毫米）构成的谐振器，小球上安置了两个其轴线互相垂直的耦合环（线圈）。加了恒定磁场H0后，当通过一个耦合环输入信号的频率与小球的谐振频率相同时，受到激发的小球会在其周围产生磁场，并通过另一耦合环将能量输送出去。当输入信号的频率与小球的谐振频率不相同时，小球不会被激发，输出端也无信号输出。如果H0是由电磁铁产生的，那么，调节电磁铁线圈中的电流，就可以改变谐振器的频率，这样，就可以构成一个电调带通滤波器。另外，在谐振电路中使用YIG 谐振器，其频率稳定度较高。
顺便指出，YIG 单晶除上述应用外，还可以构成其他各种微波器件（如用作放大器和振荡器的调谐元件等），也可以利用YIG 单晶构成微带中的带通滤波器。在微带电路中，通常是将YIG 单晶体小球粘于（或嵌入）介质基片上面，利用耦合环与外电路产生耦合，调节产生恒定磁场的电磁铁线圈中的电流，就可以改变小球的谐振频率，用以构成具有不同用途的微波器件。
图5.6-11 YIG 磁谐振器
（a）电调波导带通滤波器；（b）用于谐振电路的YIG 谐振器
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
