微波磁性器件基础

微波磁性器件是微波/毫米波电子设备和系统中不可或缺的基础元器件。本书力求从经典的磁化动力学方程——朗道-栗弗西兹（Landau-Lifshitz，LL）方程或朗道-栗弗西兹-吉尔伯特（Landau-Lifshitz-Gilbert，LLG）方程出发，采用简化的数学推导，介绍微波磁性器件所涉及到基本理论、效应与工作原理，同时尽量反映微波磁性器件当前的新成果和发展趋势。全书由磁化动力学方程、一致进动与张量磁导率、非一致进动与自旋波、磁共振与线宽、电磁波与旋磁介质的相互作用、典型微波旋磁器件的工作原理、旋磁器件的非线性效应、磁振子器件基础、基于自旋流的微波磁电子学基础等九章内容组成。

第1章 磁化动力学方程 1
1.1 磁化动力学过程概述 1
1.2 磁矩与拉莫尔进动 2
1.2.1 磁矩与角动量 2
1.2.2 原子磁矩的拉莫尔运动方程 4
1.3 磁介质的磁化动力学方程 6
1.3.1 无阻尼时的磁化动力学方程 6
1.3.2 有阻尼时的磁化动力方程 7
1.4 磁介质的能量与布朗方程 10
1.4.1 磁介质的能量 10
1.4.2 磁介质的特征长度 14
1.4.3 布朗方程 15
1.5 随机与高温磁化动力学方程 16
1.5.1 有限温度的随机磁化动力学方程 16
1.5.2 高温情形的Landau-Lifshitz-Bloch方程 17
1.6 微磁学仿真简介 18
1.6.1 微磁学的数值计算方法 19
1.6.2 微磁学仿真软件包及仿真流程 20
参考文献 22
第2章 一致进动与张量磁导率 24
2.1 静态磁导率与复数磁导率 24
2.1.1 静态磁化过程下的磁导率 24
2.1.2 各向同性磁介质在动态磁化过程下的复数磁导率 25
2.2 无界磁介质的张量磁导率 26
2.2.1 理想磁介质的张量磁导率 26
2.2.2 有损耗磁介质的张量磁导率 29
2.3 圆极化交变场作用于无界旋磁介质时的磁导率 31
2.3.1 圆极化场的概念 32
2.3.2 圆极化场作用下的标量磁导率 33
2.3.3 正负圆极化场作用下的标量磁导率的特性 34
2.4 有界旋磁介质的张量磁导率 35
2.4.1 形状各向异性对铁磁共振频率的影响 35
2.4.2 形状各向异性对张量磁导(化)率的影响 38
2.5 磁性薄膜的张量磁导率 39
2.5.1 面内磁化薄膜的张量磁导率 39
2.5.2 垂直磁化薄膜的张量磁导率 41
2.6 低场损耗与未饱和态磁介质的张量磁导率 42
2.6.1 低场共振损耗与Polder-Smit效应 43
2.6.2 未饱和态磁介质的张量磁导率 46
2.7 张量磁导率的归一化表示 51
参考文献 53
第3章 非一致进动与自旋波 55
3.1 自旋波的概念 56
3.1.1 自旋波与磁振子 56
3.1.2 自旋波的分类 57
3.2 磁性薄膜中的静磁自旋波 59
3.2.1 静磁自旋波的色散特性概述 59
3.2.2 沃克方程 61
3.2.3 磁性薄膜中的静磁自旋波色散关系的求解 63
3.3 体磁介质中的偶极-交换作用自旋波 70
3.3.1 无界磁介质中偶极-交换作用自旋波的求解思路 70
3.3.2 有界磁介质中偶极-交换作用自旋波的特性 73
3.4 磁性薄膜中的偶极-交换作用自旋波 74
3.4.1 交换边界条件与薄膜中的垂直自旋驻波 74
3.4.2 磁性薄膜中的偶极-交换自旋波色散关系 76
参考文献 78
第4章 磁共振与线宽 80
4.1 铁磁共振的微观机理与铁磁共振线宽 80
4.1.1 铁磁共振的微观机理 80
4.1.2 铁磁共振线宽 81
4.2 铁磁共振频率的通用求解方法 83
4.2.1 铁磁共振频率的Smit-Suhl求解法 83
4.2.2 具有单轴与立方混合各向异性的磁性薄膜的铁磁共振频率 85
4.3 铁磁共振线宽与磁损耗的关系 91
4.3.1 本征铁磁共振线宽与阻尼因子的关系 91
4.3.2 磁损耗途径与损耗机制概览 92
4.3.3 本征磁损耗 94
4.3.4 非本征磁损耗 96
4.4 有效线宽 99
4.4.1 有效线宽的定义 99
4.4.2 有效线宽的测量 100
4.5 亚铁磁与反铁磁共振 103
4.5.1 亚铁磁共振 103
4.5.2 反铁磁共振 105
4.6 铁磁共振线宽测试仪及表征的参数 106
4.6.1 铁磁共振测试仪简介 106
4.6.2 铁磁共振测试仪测试参数的解析方法 108
参考文献 111
第5章 电磁波与旋磁介质的相互作用 114
5.1 无界旋磁介质中的波方程与平面波解 114
5.1.1 旋磁介质的波方程 114
5.1.2 无耗旋磁介质波方程的平面波解 115
5.2 均匀平面波在无界旋磁介质中的传播特性 117
5.2.1 纵向磁化情况——法拉第旋转效应与差相移效应 117
5.2.2 横向磁化情况——双折射效应 121
5.3 置有旋磁介质片的矩形波导 123
5.3.1 纵向场分析法与旋磁介质的纵向场方程 123
5.3.2 接近充满旋磁介质片的矩形波导的TEn0模 125
5.3.3 置有单片旋磁介质片的矩形波导的TEn0模 126
5.3.4 对称地置有二片横向磁化旋磁介质片的矩形波导的TEn0模 129
5.3.5 置有旋磁介质矩形波导中的差相移效应 130
5.3.6 置有旋磁介质矩形波导中的场移效应 131
5.4 填充有旋磁介质的圆波导 132
5.4.1 全填满旋磁介质的圆波导的特性 132
5.4.2 微扰法求解填充旋磁介质的圆波导的传输特性 134
5.5 带线微波磁性器件的边导模 140
参考文献 145
第6章 微波旋磁器件的工作原理 146
6.1 微波旋磁器件概述 146
6.2 隔离器 147
6.2.1 隔离器的性能指标 148
6.2.2 法拉第旋转隔离器 148
6.2.3 场移式隔离器 150
6.2.4 谐振式隔离器 152
6.2.5 边导模隔离器 154
6.3 环行器 155
6.3.1 法拉第旋转式环行器 156
6.3.2 差相移环行器 157
6.3.3 结环行器 158
6.4 移相器 164
6.4.1 非互易性法拉第旋转移相器 164
6.4.2 横场式差相移移相器 165
6.4.3 锁式移相器 166
6.5 微波单晶磁调器件 167
6.5.1 YIG单晶谐振器 167
6.5.2 磁调滤波器 171
6.5.3 磁调振荡器 172
参考文献 175
第7章 旋磁器件的非线性效应 176
7.1 非线性效应的分类 176
7.2 自旋波线宽 177
7.2.1 自旋波线宽的定义 177
7.2.2 自旋波线宽的表征 178
7.3 第一类非线性效应 179
7.3.1 第一类非线性效应产生的机理 179
7.3.2 第一类非线性效应产生的临界场 181
7.3.3 第一类非线性效应的抑制措施 186
7.4 第二类非线性效应 187
参考文献 189
第8章 磁振子器件基础 191
8.1 概述 191
8.2 自旋波的激励与探测 193
8.2.1 微波天线的激励与探测 193
8.2.2 布里渊光散射谱探测技术 195
8.2.3 自旋波的电探测技术 197
8.3 均匀波导的自旋波传播特性 199
8.3.1 均匀波导的色散关系 199
8.3.2 均匀波导中自旋波传播现象 201
8.4 磁振子晶体 207
8.4.1 概述 207
8.4.2 磁振子晶体的能带形成机理 209
8.4.3 磁振子晶体的种类 209
8.4.4 磁振子晶体传播特性的理论求解方法 210
8.5 自旋波逻辑门及关键器件的研究进展 212
8.5.1 自旋波逻辑门的工作原理 212
8.5.2 自旋波逻辑门的关键器件——移相器的研究进展 213
参考文献 220
第9章 基于自旋流的微波磁电子学基础 223
9.1 自旋流的概念 223
9.1.1 电流与自旋流 223
9.1.2 自旋流的分类 224
9.2 自旋极化电流 226
9.2.1 自旋极化电流的产生 226
9.2.2 界面自旋积累与注入 228
9.3 纯自旋流的产生 229
9.3.1 基于自旋轨道耦合作用产生自旋流 229
9.3.2 自旋泵浦效应产生自旋流 234
9.4 自旋转矩效应及动力学方程 237
9.4.1 自旋转移转矩效应及动力学方程 237
9.4.2 自旋轨道转矩效应及动力学方程 240
9.4.3 自旋转移转矩效应与自旋轨道转矩效应的比较 242
9.4.4 自旋转矩对磁化过程的影响与应用 244
9.5 自旋转矩纳米振荡器 246
9.5.1 工作原理 246
9.5.2 自旋转矩振荡器的器件结构 247
9.6 自旋转矩微波探测器 249
9.6.1 工作原理 249
9.6.2 自旋转矩微波探测器的工作模式及特点 249
参考文献 252