7.2.1 腔体铁氧体环行器设计方法
本章中采用旋磁铁氧体进行环行器设计，具体为柘榴石型铁氧体。
铁氧体介质是实现射频器件中电磁场单向传输，打破电磁场分布空间对称性的关键。铁氧体波导环行器是利用旋磁铁氧体的磁导率在外加偏置磁场的情况下呈特定张量的特性制作而成的。
环行器又称为环流器，是最基本的微波铁氧体器件。通常的波导环行器是一种三端口的非互易性器件，具有单向传输电磁场信号能量的特性。环行器基于旋磁性铁氧体介质材料特性进行单向电磁场传输，通常采用三端口设计，实现电磁场在端口之间由1→2→3的单向不可逆环行传输，如图7-1所示。针对大功率、低损耗应用场景，本节采用Y型结腔体环行器结构进行部件设计。该结构相比于微带环行器、带线环行器等结构，具有功率容量大、传输部分损耗较小的特点。进一步地，为了研究介质微放电过程中铁氧体介质和金属对微放电效应的影响机制，采用单基片铁氧体环行器构型。在最强电磁场分布处，既包含铁氧体介质又包含金属，推断其均对微放电效应产生贡献。在本节中，首先对研究对象——单基片铁氧体环行器进行电性能设计，然后研究不同的金属（或介质）二次电子发射特性下单基片铁氧体环行器中微放电电子运动、介质表面电荷积累和微放电阈值功率的异同。
对于铁氧体环行器设计，最重要的在于铁氧体介质材料的选择和铁氧体磁性参数的确定，包括磁导率张量μ、饱和磁化强度Ms和铁磁共振线宽ΔH等。
旋磁铁氧体材料在外部静磁场的偏置下呈空间磁导率张量分布，根据Landau-Lifschitz方程得到
图7-1 Y型结腔体环行器结构示意图
式中，
式中，μ0——真空中磁导率，H/m；
ω0——环行器中心角频率，rad/s；
γ——旋磁比，2.21×105 rad/（s·T）；
B0——外加偏置静磁场，T。
此时，未考虑铁磁损耗，为理想情况下的磁导率张量。若考虑铁磁损耗，则
理论上，根据所选择的铁氧体介质材料特性，确定相关参数，将式（7-1）代入麦克斯韦方程组，采用数值求解，得到旋磁铁氧体环行器的电磁场分布特性。
下面针对铁氧体环行器中关键设计参数进行说明：
1）饱和磁化强度Ms
旋磁铁氧体基片材料的本征参数和器件的性能有着密不可分的关系。如果铁氧体基片选择不正确，设计制作的器件性能就无法达到预期效果。其饱和磁化强度Ms的选择应当使得环行器工作于远离共振磁场区域的低场区域或者是高场区域。工作于低场区的环行器饱和磁化强度4πMs应满足
式中，HA——各向异性场，A/m。
对于工作在大功率条件下的低场器件，4πMs应尽量选择低一些，这样有利于提高器件承受峰值功率的能力。同时值得注意的是，旋磁片材料的饱和磁化强度与环行器的工作频率成正比关系，即工作频率f0越高，所选择的饱和磁化强度越大。
2）铁磁共振线宽ΔH、磁损耗tan δm和电损耗tan δe
决定旋磁铁氧体环行器损耗的因素主要有介质损耗、导体损耗、辐射损耗和反射损耗等。其中，介质损耗主要由铁氧体基片材料引起，表现在磁损耗tan δm和电损耗tan δe两方面。由磁损耗和电损耗带来的器件损耗与tan δm和tan δe成正比，磁损耗tan δm与旋磁片材料的共振线宽ΔH成正比。
因此，选择铁氧体基片材料时，应尽量选择ΔH和tan δe较小的旋磁片材料。
3）居里温度
铁氧体基片材料的居里温度是影响环行器温度特性的重要参数。在大功率工作条件下，当环行器中铁氧体基片温度达到居里温度时，铁氧体材料由亚铁磁性材料转变为顺磁性材料，环行器失去环行性能。通常情况下，居里温度越高，器件的温度特性越好。对于铁氧体而言，根据材料组分、配比、工艺的不同，居里温度有很大变化。居里温度的高低还与磁性介质烧结形成的晶体结构相关。例如，钕铁硼铁氧体的居里温度在450℃左右，温度超过180℃的情况下磁性能衰减较大、磁损变大，无法正常使用。