5×5集總參數(shù)環(huán)行器的設(shè)計

楊春雷，徐晶晶

(1.南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，江蘇 南京211135；2.北京航天微電科技有限公司 南京分公司，江蘇 南京 210012)

0 引言

環(huán)行器自20世紀(jì)50年代問世以來，一直是微波系統(tǒng)的重要組成部分，保證了微波電路的發(fā)射和接收部分之間的隔離。由帶線環(huán)行器理論可知，結(jié)環(huán)行器內(nèi)旋磁鐵氧體圓片半徑R與工作波場λ成正比。這就意味著頻率越低，鐵氧體半徑R越大。為了縮小體積，集總參數(shù)環(huán)行器應(yīng)運(yùn)而生[1]。

1965年，KONISHI提出了一種用鐵氧體代替普通Y帶線環(huán)行器中心導(dǎo)體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的集總元件Y型環(huán)行器，并提出了鐵氧體的電勢能和張量磁導(dǎo)率隨帶寬、插入損耗和溫度的變化關(guān)系理論。1995年，TARO Miura采用鐵氧體與內(nèi)導(dǎo)體共燒的方法，研制出了6 mm×6 mm×3 mm的圓環(huán)形管環(huán)行器，在800 MHz時插入損耗為0.7 dB。20世紀(jì)末，日本TDK公司率先推出了適合表面貼裝的超小型環(huán)行器/隔離器，最新產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了2.2 mm×2.2 mm×1 mm。到目前為止，國內(nèi)產(chǎn)品還沒有達(dá)到此水平[2]。

1 環(huán)行器設(shè)計原理

1.1 環(huán)行器基本原理

如圖1所示，從環(huán)行器1端口輸入的微波信號只會按照1端口到2端口再到3端口的方向單向傳輸，不會逆向傳輸。環(huán)行器單向傳輸?shù)脑恚怯捎诓捎昧髓F氧體旋磁材料。這種材料在外加高頻波場與恒定直流磁場共同作用下，產(chǎn)生旋磁特性(又稱張量磁導(dǎo)率特性)。這種旋磁特性，使在鐵氧體中傳播的電磁波發(fā)生極化的旋轉(zhuǎn)(法拉第效應(yīng))以及電磁波能量強(qiáng)烈吸收(鐵磁共振)。利用這個旋磁現(xiàn)象，可以制作出結(jié)型隔離器、環(huán)行器[3]。

圖1 環(huán)行器環(huán)行方向示意圖

1.2 環(huán)行器結(jié)構(gòu)

集總參數(shù)式環(huán)行器實(shí)際上是一個非互易微波器件,它的基本結(jié)構(gòu)是由3個電感器互成120°角,彼此交叉絕緣,置于兩片高頻鐵氧體之間或置于一片鐵氧體之上。只要在其三端各接上合適的電容器,在外加直流磁場的軸向磁化下產(chǎn)生旋磁效應(yīng),電感之間產(chǎn)生非互易耦合,在理想的情況下旋轉(zhuǎn)對稱構(gòu)成環(huán)行器,其環(huán)行方向與磁化方向有關(guān)。如在第3端口接上匹配負(fù)載就成為通常的隔離器。集總參數(shù)環(huán)行器一般在高場區(qū)共振點(diǎn)以上工作，分為并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振兩種形式。目前主流的集總參數(shù)環(huán)行器有兩種結(jié)構(gòu)：平衡型和不平衡型。平衡型采用兩片鐵氧體，結(jié)構(gòu)如圖2所示；不平衡型只有一片鐵氧體，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 印制電路板平衡型

圖3 電感條編網(wǎng)不平衡型

圖3展示了金屬電感條的結(jié)構(gòu)及編織方法和腔體結(jié)構(gòu)，這種方法工藝簡單，采用1片鐵氧體、3個電感條互成120°角將內(nèi)導(dǎo)體包圍其中，電感條中間用絕緣膜隔開，形成導(dǎo)體-絕緣膜-導(dǎo)體-絕緣膜-導(dǎo)體疊層網(wǎng)狀電感結(jié)構(gòu)。三端口處的并聯(lián)電容C1、C2、C3可以用微型電容壓接在內(nèi)導(dǎo)體上，有利于小型化設(shè)計。一般而言，并聯(lián)電容C1=C2=C3，這里的微小差別是由于編網(wǎng)結(jié)構(gòu)疊層不對稱所致，用C1、C2、C3的不一致來調(diào)整網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不對稱，以達(dá)到三端性能對稱。此外采用導(dǎo)磁腔體與導(dǎo)磁蓋板將內(nèi)部堆疊的片狀器件進(jìn)行封閉式一體安裝，不僅能提高環(huán)行器的磁路閉合能力，也減小了環(huán)行器的體積；另一方面采用整體印刷板和獨(dú)立焊盤的結(jié)構(gòu)，大大提高了焊接的可靠性，也能增加產(chǎn)品的集成度，實(shí)現(xiàn)小型化。

在圖3所示結(jié)構(gòu)的3個端口加上并聯(lián)電容后，就可以得到理想環(huán)行器的兩個條件：

(1)

(2)

其中：μe為有效磁導(dǎo)率；L0為非互易歸一化電感值。

(3)

(4)

(5)

(6)

對于20 dB隔離度，相當(dāng)于|r|=0.1，Z0為環(huán)行器端口阻抗，可以看出調(diào)整電容C和電感L可以改變環(huán)行器的中心頻率。環(huán)行器中，電感L由下式計算：

(7)

進(jìn)而可以確定網(wǎng)狀電感L。

1.3 環(huán)行器材料選擇

微波鐵氧體材料的研制已經(jīng)到了成熟階段并廣泛應(yīng)用到各種微波鐵氧體器件中。根據(jù)使用頻率、承受功率、器件插入損耗、帶寬和溫度穩(wěn)定性等要求選用不同參數(shù)性能的鐵氧體材料。例如，飽和磁矩MS高的材料，可適用于高頻段工作，共振線寬△H窄的材料適用于低頻低場工作及寬頻帶設(shè)計；居里溫度TC高的材料，適應(yīng)于高平均功率下使用，溫度系數(shù)αT低的材料有利于寬溫條件下使用；對小損耗低功率器件宜選用△Heff小的材料；自旋波線寬△Hk高的材料用于高峰值功率的條件。材料電損耗tanδ大都等于10-4量級，比起磁損耗要小一個數(shù)量級，所以它對器件損耗影響不大[4]。本文選取了飽和磁矩為800 Gs的石榴石鐵氧體，△H約為15 Oe，介電常數(shù)εr為14.2。

磁路補(bǔ)償?shù)闹饕硎窃诖怕分写虿⑸蠝囟认禂?shù)較大的磁補(bǔ)償合金片,在一定的溫度范圍內(nèi),使外磁場的變化同材料的4πMS變化一致。1J30是一類低居里溫度合金,其突出特點(diǎn)是在居里溫度以下,磁感值隨溫度升高而急劇減小,并幾乎呈現(xiàn)線性關(guān)系。此外作為環(huán)行器核心的鐵氧體材料的飽和磁矩4πMS通常情況下有負(fù)溫度系數(shù)的特征，所以工作在高場區(qū)的帶線環(huán)行器常用和鐵氧體材料相類似的負(fù)溫度系數(shù)的鍶鈣恒磁體作為內(nèi)置工作場。外加磁場一般使用鍶鈣鐵氧體恒磁，它的溫度系數(shù)平均為-0.18%℃左右，比材料的4πMS變化小,從而影響器件性能變化。

2 仿真與測試結(jié)果

2.1 HFSS仿真方法及結(jié)果

圖4是本器件的仿真模型，本模型編織網(wǎng)狀電感條L寬為0.21 mm，并聯(lián)電容C值約為2.5 pF，3個獨(dú)立的互感條交叉120°，相互間用絕緣介質(zhì)隔開，間距0.01 mm。鐵氧體尺寸為2.2 mm×3 mm×0.22 mm，4πMS=800 Gs，在Hi=6.1 kA/m的內(nèi)磁場作用下，得到圖5和圖6的仿真結(jié)果[5]。

圖4 仿真模型及場強(qiáng)分布圖

圖5 HFSS仿真S參數(shù)圖

圖6 HFSS仿真Smith圓圖

由圖5可知，1 805 MHz～1 880 MHz范圍內(nèi)駐波隔離度均達(dá)到-19.6 dB，插入損耗均<0.36 dB，回波損耗S11、S22和隔離度S21具有良好的一致性。由圖6的 Smith曲線圖可知，此時曲線是圍繞匹配點(diǎn)1的圓弧，說明在此頻段內(nèi)，環(huán)行器的整個阻抗匹配是比較好的。

2.2 實(shí)驗測試結(jié)果

1)常溫測試結(jié)果

如圖7所示，在網(wǎng)絡(luò)分析儀上實(shí)際測得的指標(biāo)與仿真結(jié)果相差無幾，在1 805 MHz～1 880 MHz的通帶范圍內(nèi)，回波損耗可以達(dá)到-18 dB以下，隔離度達(dá)到-19 dB以下，常溫插入損耗在0.4 dB左右，通過調(diào)節(jié)并聯(lián)電容的大小可以使器件獲得良好的一致性。

圖7 網(wǎng)分實(shí)測S參數(shù)圖

2)高低溫測試結(jié)果

本器件通過1J30合金片進(jìn)行溫度補(bǔ)償，其溫度在-40 ℃～+115 ℃的范圍內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性。圖8是基于大量實(shí)驗數(shù)據(jù)下得出的器件在該溫度范圍內(nèi)與常溫狀態(tài)相比較的最大插入損耗變化度。通常情況下在0.2 dB左右，即在-40 ℃～+115 ℃的溫度范圍內(nèi)插入損耗最大值為0.6 dB左右。圖9顯示了在-40 ℃～+115 ℃的溫度范圍內(nèi)回波損耗的最大值在-16 dB左右，與常溫相比變化了2 dB～5 dB。本器件帶寬較窄，旋磁材料飽和磁矩隨溫度的變化對環(huán)行器特性參數(shù)影響很大，主要是因為溫度的變化引起中心頻率的飄移[6]。因此追蹤曲線的中心頻點(diǎn)1 842 MHz點(diǎn)，在-40 ℃～+115 ℃的溫度范圍內(nèi)中心頻率變化控制在25 MHz以下，證明其具有良好的溫度穩(wěn)定性。

圖8 高低溫插入損耗變化量正態(tài)分布

圖9 高低溫回波損耗最低值正態(tài)分布圖

3 結(jié)語

本文主要闡述了5 mm×5 mm集總參數(shù)環(huán)行器的設(shè)計，從設(shè)計原理到各個材料的選擇，再到仿真以及溫度補(bǔ)償都作了簡單的介紹,在減小插入損耗方面取得了重大突破。在已研制出來的1 805 MHz～1 880 MHz頻段的集總參數(shù)環(huán)行器基礎(chǔ)上，可以研究出更高頻段的小型化集總參數(shù)環(huán)行器。