高場帶線環行器溫度補償磁路的設計分析

高昌杰 李曉華

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

高場帶線環行器具有體積小、易于集成等優點，尤其在低頻段，這一優勢更加明顯。在獲得廣泛應用的同時，高場帶線環行器性能的溫度穩定性已成為用戶的關注熱點，特別對有源陣列天線和有源相控陣雷達，所用環行器的溫度穩定性與系統噪聲密切相關［1-2］。飽和磁化強度參數存在較大溫漂是鐵氧體材料的固有特性，也是環行器性能隨溫度產生漂移的重要原因。對高場環行器而言，為了提高溫度穩定性，可通過減小鐵氧體內場Hif，對溫度升高導致的飽和磁化強度降低進行補償［5］。對普通磁路，飽和磁化強度降低會使Hif增加，根本不會產生補償效果。多年來，國內外研究工作者提出了在磁路中增加NiFe 合金片進行溫度補償的有效措施［3-5］，其主要機理是:利用NiFe 合金材料磁導率隨溫度升高而降低的特點，使磁路中的Hif隨溫度升高而變小。相關文獻對含有NiFe 合金片的磁路設計僅限于定性分析和試驗，缺乏較準確的磁路計算方法。為此，本文將磁路解析計算與Ansoft HFSS 電磁場仿真相結合，形成了一種溫度補償磁路的較準確計算分析方法，取得了良好的工程應用效果。

1 設計分析方法介紹

相對于其它性能參數，環行器的插入相移對溫度變化最為敏感。下文僅以某S 波段高場帶線環行器插入相移的溫度穩定性為例，對相應方法進行介紹。

1．1 磁路分析計算公式推導與修正

整個環行器等效磁路框圖如圖1所示。假定磁路各處橫截面面積相等，根據高斯定理和安培定律，可寫出如下等式:

其中，Bf為鐵氧體磁感應強度(Gs);μj為殼體(軛鐵)相對磁導率;lj為軛鐵磁路長度;4πMsf為鐵氧體飽和磁化強度(Gs);lf為單片鐵氧體厚度;la0為內導體厚度(內導體材料相對磁導率取為1);la1為等效空氣縫隙厚度;4πMsn為NiFe 合金片飽和磁化強度(Gs);ln為NiFe 合金片總厚度;lm為單片磁鐵厚度;:單片磁鐵磁場強度(Oe)(由磁鐵退磁曲線確定)。

圖1 環行器等效磁路框圖

通過進一步推導，可得到Bf 的計算式如下:

于是，可按下式計算出鐵氧體內的磁場強度Hif:

下面，對照試驗參數，對上述公式的計算結果進行評估。具體試驗(未加NiFe 合金片)參數如下:μj=3000，lj=4mm，4πMsf=1800Gs，lf=0.8mm，la0=0.15mm，la1=0.17mm，ln=0，lm=0.45mm，Hif=1290Oe(通過性能測試和仿真比對得到)。將上述相關參數代入(2)、(3)式，可求得:Hif=2273Oe，該結果與試驗值有顯著差別，主要原因可能是磁路計算中未考慮通量損失和磁鐵表面場的不均勻等因素，考慮實際磁路，應使磁鐵的磁感應強度工作點高于Bf，為此，可在(1)、(2)式中“lm/1.06”項前乘以大于1 的修正因子ηm，得到Bf 的修正計算公式如下:

通過與實際試驗參數比對，適用于本文列舉磁路的ηm=2.038。

1．2 環行器插入相移對溫度的敏感度分析

根據試驗測試和仿真比對，可知鐵氧體材料的飽和磁化強度參數在不同環境溫度下的變化情況如下:常溫為1800Gs，低溫(-40℃)為1980Gs，高溫(70℃)為1680Gs。由(4)、(3)式，可求得不同環境溫度下Hif 的變化情況(未補償)如下:常溫為1290 Oe，低溫(-40℃)為1189 Oe，高溫(70℃)為1357 Oe。由此可知，在不做補償的情況下，隨著溫度升高，Hif會明顯增加。

由Ansoft HFSS 軟件仿真可知，影響環行器插入相移穩定性的主要參數是鐵氧體的4πMsf和Hif。為了便于分析設計，現通過仿真，可得到不同環境溫度下的4πMsf和不同Hif與插入相移的對應關系，相應數據表格見表1。從中可以看出，在不做補償情況下，由4πMsf和Hif變化引起的插入相移變化規律如下:低溫——相對常溫，插入相移變化量約為-49o(高頻);高溫(相對常溫)，插入相移變化量約為22o(高頻)。此計算結果與試驗測試有著很好的一致性。

從表1 還可以看出，環行器插入相移隨內場Hif的變化規律與高低溫條件下的飽和磁化強度參數基本沒有關系;對較大Hif，Hif每增加10Oe，三個頻率點對應的插入相移增加量分別為1°、1.4°、2°;對較小Hif，Hif 每增加10Oe，三個頻率點對應的插入相移增加量分別為2.4°、3°、5.7°。即:對較小Hif，相移增量臺階較大(尤其是高頻點)。由此可知，適當提高Hif工作點，有助于改善高低溫條件下插入相移變化量隨頻率變化的離散性。

1．3 溫度補償磁路的參數設計

試驗測試結果表明，lj38 型NiFe 合金片在高、低溫條件下磁導率參數變化較大，具有較大范圍的補償調節能力。在此，主要針對lj38NiFe 合金材料研究溫度補償磁路的設計問題。具體研究工作分兩步進行，首先，根據初步試驗數據，反推lj38NiFe 合金材料在高、低溫條件下的磁參數;其次，根據得到的磁參數，結合HFSS 仿真結果，計算補償磁路中NiFe 合金片的厚度及相應補償效果。

1.3.1 NiFe 合金片磁參數反推計算

按如下參數進行溫度補償試驗:μj=3000，lj=4mm，lf=0.8mm，la0=0.15mm，la1=0.07mm，ln=0.6mm，lm=0.525mm。測試得到的高、低溫條件下插入相移變化量如下:常溫～高溫時三個頻率點分別為-2°、-4°、-9°;常溫～低溫時三個頻率點分別為-3.7°、-2.2°、0°。

常溫下4πMsf=1800Gs，4πMsn=1500Gs，代入(4)、(2)式，可算得Hif=1260Oe。

由表1 可知，當高溫下Hif=1225Oe、低溫下Hif=1280Oe 時，常溫～高溫、常溫～低溫情況下三個頻率點的插入相移變化量分別為-2°、-4.5°、-9°和-3°、-2°、0°，與試驗結果一致。將上述高、低溫下的Hif值代入(4)、(3)式，可反推得到高、低溫條件下的4πMsn值分別為675Gs 和2500Gs。

1.3.2 各因素對插入相移溫度穩定性的影響關系分析

利用上述(4)、(2)式及高低溫條件下的相關材料參數，結合HFSS 仿真軟件，可得到各相關因素對環行器插入相移溫度穩定性的影響關系:

a.磁鐵厚度lm的影響

Hif隨磁鐵厚度lm增加的遞增規律與ln無關，僅與工作溫度有關;lm每增加0.01mm，Hif增加量變化范圍分別為:16.2 ～12.4 Oe(低溫)、18.1 ～13.9 Oe(常溫)、19.5 ～15Oe(高溫)。磁鐵愈厚，遞增臺階愈小。以常溫態為參考，高溫下Hif隨lm增加而增加，低溫下Hif隨lm增加而減小。也就是說，減小磁鐵厚度，有利于改善插入相移溫度穩定性。

b.等效空氣縫隙la1的影響

分析計算結果表明，la1對環行器插入相移溫度穩定性影響很小，可以忽略。

c.NiFe 合金片厚度ln的影響

以常溫為參考，ln每增加0.05mm，低溫條件下Hif相對增加量約為10 Oe，高溫條件下Hif相對減小量約為8 Oe。也就是說，ln增大使得低溫條件下相對相移增大(向“+”變化)，高溫則減小(向“-”變化)。

1.3.3 NiFe 合金片厚度及補償效果計算

由1.3.1 可以看出，采用0.6mm 厚的NiFe 合金片對低溫的補償量接近最佳，而對高溫的補償量偏大。兼顧高、低溫溫漂，通過初步優化，在NiFe 合金片厚度ln=0.55mm 時，可得到接近最佳的插入相移理論補償效果:常溫～高溫時三個頻率點變化量分別為0°、-1.4°、-5°;常溫～低溫時三個頻率點變化量分別為-4°、-3.4°、-3.4°。相應實際測量結果為:常溫～高溫為-1°、-3°、-6.5°;常溫～低溫為-6°、-5°、-3.5°?？梢钥闯?，理論計算結果與實際測量比較接近，僅在高溫高頻點出現略大偏差。

1．4 溫度補償效果的最佳化措施

從1.3.3 的理論計算和試驗測試結果來看，通過調節ln達到的最佳補償效果仍然不夠理想(低溫補償不足、高溫補償過量)。為了進一步減小插入相移溫漂，需采取如下兩方面措施:

提高Hif工作點，對ln進行精細調節。

從上文補償結果可以看出，通過改善相移偏差的頻率特性，可以減小插入相移溫漂。為此，在1.3.3 的基礎上，通過調整等效空氣間隙，將常溫下Hif工作點提高約50 Oe，可得到接近最佳的插入相移理論補償效果如下:常溫～高溫時三個頻率點變化量分別為1.2°、-0.3°、-2.5°;常溫～低溫時三個頻率點變化量分別為-2.6°、-2.8°、-2.3°。

調整NiFe 合金材料參數，使其飽和磁化強度隨溫度變化曲線在工作溫區內出現“上凹”特征。

從上文計算式(4)可以看出，影響高低溫補償效果的主要參數是4πMsn，而該參數在工作溫區內的變化曲線一般會接近線性(如圖2所示［5］)。計算分析表明，上述“線性變化”規律一般會產生“低溫不足、高溫過量”的補償效果。

圖2 NiFe 合金的Ni 含量、飽和磁化強度與溫度的相互影響關系示意圖

下面，對接近理想補償效果的NiFe 合金材料參數進行計算分析。

選取常溫下Hif=1260 Oe，由表1 可以看出，當低溫下Hif=1285 Oe、高溫下Hif=1250 Oe 時，可得到最佳補償效果:常溫～高溫時三個頻率點變化量分別為2°、1.9°、0.2°;常溫～低溫時三個頻率點變化量分別為-2°、-0.6°、1°。利用(4)、(3)式，對如下兩種情況:低溫下4πMsn由2500Gs 提高至2850Gs、高溫不變;高溫下4πMsn由675Gs 提高至900Gs、低溫不變，通過分別調整la1 和ln，均可得到滿足上述最佳補償條件的計算結果。由此可知，如果能將4πMsn隨溫度變化的“直線”特征調整成“上凹曲線”，則插入相移補償效果會得到明顯改善。由圖2 可以看出，實際NiFe 合金材料的4πMsn隨溫度變化曲線在高溫端會出現“上凹”特征。為了改善溫漂，可通過調整Ni 含量，使相應“上凹”曲線段進入環行器工作溫區。

2 結束語

本文針對高場帶線環行器，提出的計算分析方法和相關措施，已在工程實踐中驗證，在某S 波段小型化帶線環行器的研制中，對實現最佳溫度補償磁路起到了較強的指導作用。該方法可在其它形式的環行器中進行推廣應用。為了進一步提高設計準確度，還需通過仿真和試驗，在充分考慮磁通量損失的基礎上，對磁路模型進行修正和完善。

［1］張軍.有源陣列天線的系統噪聲［J］.火控雷達技術，2011，40(1):1-4.

［2］蔡興雨.有源相控陣雷達系統技術參數測試［J］.火控雷達技術，2009，38(2):1-3.

［3］岳峰.帶線環行器的溫度穩定性研究［J］.微波學報，2005，21(3):56-61.

［4］陸鵬.鐵鎳合金在鐵氧體帶線環行器/隔離器溫度補償中的應用［C］//論文集編者.第十二屆全國微波磁學會議論文集:95-99.

［5］Thomas Lingel，Numerical studies about the Temperature Compensation of Microwave Circulators，2004 IEEE MTT-S Digest.