王計鵬 陳 明

（西安郵電大學電子工程學院 西安 710121）

1 引言

作為無線通訊領域內(nèi)的主力軍，微波通信技術被普遍應用于軍事設備的研制和民用等方面。而鐵氧體環(huán)行器作為一種單向傳遞微波信號的微波器件在整個射頻收發(fā)系統(tǒng)［1］中具有非常重要的作用。例如，精密制導雷達、艦載雷達、機載、遠程警戒預警雷達，導航和炮描雷達等都采用了相控陣雷達技術，相控陣雷達中最核心的就是發(fā)射與接收系統(tǒng)，環(huán)行器應用其中，對整個收發(fā)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣起著不可替代的作用。此外，環(huán)行器的第三端口可以外接50Ω的匹配負載，作為隔離器，應用于放大器的輸入和輸出端來保護系統(tǒng)［2～3］。環(huán)行器這種單向傳遞微波信號［4］的非互易性微波器件［5］已經(jīng)被廣泛應用于雷達、電子對抗、航天航空、微波測量［6～9］等主要領域。

隨著微波集成電路的不斷發(fā)展，微波器件逐漸向片式化、小尺寸、高集成度化方向發(fā)展，對于環(huán)行器的設計也有了越來越高的要求［10］。微帶環(huán)行器是為了滿足微波集成電路的需要而研制出的新型微波鐵氧體器件。它相對于同軸環(huán)行器，波導環(huán)行器等其他類型的環(huán)行器而言，具有結構緊湊，輕量化、小型化、生產(chǎn)周期短。并具有一致性好，價格成本低，便于實現(xiàn)單片集成等一系列突出優(yōu)點，使得其在微波集成電路中得到了廣泛應用。而X頻段應用于空間研究、廣播衛(wèi)星、固定通訊業(yè)務衛(wèi)星、地球探測衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等用途。因此對X波段微帶環(huán)行器研究設計，具有重要的實踐意義和應用價值。

2 工作原理

三端口環(huán)行器的結構如圖1所示，信號從1端口輸入時將從2端口輸出，2端口輸入時則從3端口輸出，3端口輸入時將從1端口輸出，以此單方向循環(huán)，實現(xiàn)微波信號的單向傳播。

由圖2（a）所示，當未加偏置磁場時，鐵氧體處于未被磁化狀態(tài)，自1端口輸入的波在2端口和3端口的場型分布是一樣的，1端口輸入的功率可以等分至2、3端口傳輸，沒有環(huán)行效果。

由圖2（b）所示，當加上恒定磁場以后，場結構發(fā)生變化。電磁波在外加磁場作用下產(chǎn)生旋磁效應。鐵氧體內(nèi)及其周圍的電磁場結構就會向左旋方向旋轉。適當?shù)母淖冭F氧體基片的尺寸和外加偏置磁場H0的數(shù)值，使得旋轉角度為30°時，就會使得從1端口輸入的功率幾乎全部從2端口輸出，而3端口隔離，沒有功率輸出，從而實現(xiàn)環(huán)行效果。

3 設計思路與建模

依據(jù)環(huán)行器工作的頻帶來確定其中心頻率f0，然后選擇適當?shù)蔫F磁共振線寬▽H，飽和磁化強度MS以及相對介電常數(shù)εr的鐵氧體材料。然后根據(jù)雙Y結環(huán)行條件求得（；KR；Y）等參量值，并確定外加偏置磁場H0得到歸一化飽和磁化強度P和歸一化內(nèi)場σ等磁參數(shù)。根據(jù)這些參量進行設計。

環(huán)行器屬于低場器件，外加的偏置磁場遠遠小于諧振磁場，通常需要將樣品磁化到飽和，所以

其中，k和μ分別為鐵氧體張量磁導率的對角分量和非對角分量。

其中，MS為飽和磁化強度，γ為有效旋磁比，P為歸一化飽和磁化強度。通常P的取值范圍為0.4～0.7，為了避免零場損耗，使環(huán)行器獲得較寬的工作帶寬，P取值應該大一些，本設計中P取值為0.7。

其中μe為有效磁導率。

第二步確定KR的值；

從麥克斯韋方程組出發(fā)，根據(jù)環(huán)行器的第一環(huán)行條件，可得到鐵氧體的半徑為

其中R為鐵氧體半徑，K為波數(shù)

根據(jù)蔣仁培等人的理論研究［11～12］，KR的取值范圍在1.2～2.7內(nèi)仍滿足環(huán)行條件，對于低場器件而言，工作磁場遠低于諧振場，盡管外磁場較強可以使得鐵氧體材料在趨于飽和狀態(tài)下工作，本文中KR取較小值為1.2。

第三步確定y的值；

已知KR取值后結合環(huán)行器的第二環(huán)行條件計算可得到Y值。

其中Yeff為鐵氧體微帶線的特性導納，ψ為耦合角。

端口1上的輸入導納與端口2上的輸出導納必須調(diào)整到與由式（5）計算出的導納相匹配，取倒數(shù)之后，即達到阻抗匹配。

基于以上的的設計思路和設計公式，采用基片厚度為0.6mm牌號為XN28的鎳系鐵氧體材料，其飽和磁化強度為2800Gauss，相對介電常數(shù)εr為12.6，通過式（4）計算得到鐵氧體半徑R約為1.7mm。

根據(jù)鎳鐵氧體材料的電磁參數(shù)和計算得到的尺寸值，使用三維電磁仿真軟件HFSS進行建模、仿真。其三維模型如圖3所示。環(huán)行器結構中包括鐵氧體圓盤，大小Y結和50Ω微帶線。它是在大Y結基礎上加上一個小Y結，采用結內(nèi)加阻抗技術，小Y臂作為λ 4開路線，與復數(shù)的端口阻抗的電抗部分相互抵消，使得端口阻抗為純電阻。通過調(diào)節(jié)小Y結的長和寬，可以在比較寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)阻抗匹配，采用結內(nèi)加阻抗的方法，不僅可以有效減小環(huán)行器設計的尺寸，而且能夠拓寬工作帶寬［13］。

4 仿真優(yōu)化及結果分析

利用HFSS，通過仿真，參數(shù)掃描、優(yōu)化分析［14］之后，得到當小Y結的寬度為0.76mm時，環(huán)行器性能相對達到最佳。各項性能指標的仿真結果分別如圖4、圖5所示。

如圖4可以看出，在8.8GHz處，性能比較理想，此時的隔離度約在-40dB左右，回波損耗約為-28dB，插入損耗約在-0.42dB左右。在所研究的X頻段范圍內(nèi)的回波損耗和隔離度都約在-20dB以下，插入損耗約在-0.5dB以內(nèi)，從而滿足設計要求，具有比較理想的環(huán)行性能和良好的隔離性能，從而有效實現(xiàn)微波信號的單向傳遞性能。

如圖5所示，可以看出三個端口在工作頻段范圍內(nèi)的駐波比均小于1.22，從而有效降低能量的反射損耗，實現(xiàn)良好的環(huán)行性能。

5 實物制作與測試

將仿真模型導出版圖進行實物制作，對鐵氧體基片表面進行拋光處理，然后采用磁控濺射技術在基片表面沉積厚度約為3μm的金膜，經(jīng)薄膜光刻腐蝕之后，所制備出的環(huán)行器樣品如圖6所示。

將環(huán)行器的一端口接50Ω匹配負載，采用Ag?ilent E5071C矢量網(wǎng)絡分析儀進行測試，測試結果分別如圖7、圖8所示。

通過圖4、圖5和圖7、圖8的對比，可以看出仿真結果與實測結果在誤差允許的范圍內(nèi)基本吻合，這主要是由于鐵氧體材料是一種非線性磁性材料，其材料電磁參數(shù)的測量值存在一定的偏差，在HFSS中材料的電磁參數(shù)與實際材料的電磁參數(shù)有偏差，以及實際制作工藝過程中存在的工藝誤差引起的。

6 結語

基于帶狀線環(huán)行器設計理論，采用四分之一波長阻抗變換，提出了X波段雙Y結微帶環(huán)行器的設計思路，利用三維電磁仿真軟件HFSS進行建模、仿真及優(yōu)化分析，并最終設計出了一款應用于X波段范圍內(nèi)的微帶環(huán)行器，且做出實物。實驗結果表明，X波段微帶環(huán)行器具有良好的環(huán)行性能，相對帶寬達到40%，隔離度大于20dB，插入損耗約在0.5dB左右，電壓駐波比約在1.22左右。實現(xiàn)了“超”帶寬特性。此外，所設計的環(huán)行器尺寸約在8mm*8mm左右，也滿足了小型化，高集成度化的設計要求。

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