X波段超薄寬帶小型化環形器的設計*

張麗君，汪曉光

（電子科技大學，四川 成都 611731）

0 引 言

現代通信行業的社會現代化發展給當今人們帶來了極大的方便，在通信系統中作為收發、隔離、開關等作用的環行器有著非常重要的作用和不可或缺的地位。通信技術在不斷發展和進步，對于環行器也提出了更高的要求。微波鐵氧體環行器向著小型化、寬頻帶、大功率的方向發展。在保證環行器高性能的基礎上，還要求做到寬頻帶、小型化、超薄的結構，是本文研究的重點和難點。

1 帶狀線Y結構

如圖1所示，帶線結環行器的基本結構是一組三個互成120°的中心導體、鐵氧體圓片分別在導體的上下兩層，外加磁場HO加在垂直于鐵氧體的方向。

圖1 帶線結環行器

2 環行器的環行條件

2.1 電磁場的傳輸理論

帶狀線中只傳輸TEM模，其電場強度E垂直于中心導體，即z方向，磁場強度H平行于中心導體，并且垂直于傳播方向，即φ方向[1]。根據磁場強度方程和麥克斯韋方程，求得磁場分量為：

從方程式中可見，鐵氧體圓盤中存兩種圓極化波，其對應的磁導率分別為u右,左=u±k，其中

2.2 環行條件

假定鐵氧體圓片與三個端口是處于非耦合狀態，φ=0，此種情況下沒有帶線饋線連接中心結，那么就沒有電流從中心導體的邊緣沿徑向r流動。因此將r=R，Hφ=0帶入方程（1），可以得到下面兩個方程式：

當基模n=1,方程變為：

由零階貝塞爾函數和二階貝塞爾函數導出以下關系：

方程（6）中，x1,1表示一階貝塞爾函數的第一個正根，當k/u=0，鐵氧體未磁化時，一對旋轉方向相反的旋轉模為簡并，也就是環行器的第一環行條件，如圖2（a）所示。當k/u≠0，鐵氧體磁化時，如圖2（b）所示，兩個旋轉方向相反的旋轉模的兩個共振模的共振頻率開始分裂成f+右旋共振模頻率和f-左旋共振模頻率[2]。

當鐵氧體圓片未磁化即Hi=0時，鐵氧體圓片呈現各項同性k/u=0，這時從1端口輸入的電磁波在2、3端口得到的駐波場型相同，電壓相等。

當鐵氧體的軸向加上恒穩磁場Ho，即Hi≠0時，自一端口輸入的線極化波就要分裂成一個右旋“+”模和一個左旋“-”模，隨著恒穩磁場Ho的增加，鐵氧體的各向異性增加[3]。兩個相反方向旋轉的旋性模合成后的高頻磁場的極化方向就偏離而旋轉30°，在合適的外加磁場下，駐波場型的最小點波節正好處在3端口上，而駐波場型的最大點波腹處在2端口。

圖2 環行器的場分布

3 環行器的設計

3.1 環行器的尺寸設計

圖3表示帶線所對的弧度角為2φ，其關系式如下：

圖3 帶線中心導體所對的弧度角為2φ

帶線結環行器結構見圖4。

圖4 帶線結環行器結構

W是中心導體的寬度，R是鐵氧體圓盤半徑的大小[4]。滿足式（8）：

鐵氧體半徑的公式為：

其中，λ為工作頻率自由空間波長：

外加匹配段的長度大小為：

中心導體的厚度公式為：

小Y的長度公式為[5]：

鐵氧體材料的飽和磁矩大小為2 200 guass，相對介電常數為13，陶瓷材料的相對介電常數為2.1，電損耗角正切tanδ為0.000 1。通過以上公式和材料的屬性計算中心導體尺寸的大小，主要尺寸見表1。

表1 主要尺寸大小

3.2 阻抗匹配展開帶寬

但是對于超薄的器件來說，厚度受到限制。當改變厚度大小，則電磁場在鐵氧體中的傳輸也會受到極大的影響，改變了法拉第旋轉角度。在保證環行器的厚度在2 mm以內，又可以實現全頻帶和高性能，實現的方法是在有限的體積中采用多種匹配方法。如圖5所示，除了雙Y匹配和外加一級λ/4匹配段之外，再采用中心處開槽和中心導體加圓弧的匹配方法。

圖5 雙圓弧匹配

分別在中心導體的三個分支上加很窄的圓弧，每個圓弧的作用相當于并聯一段開路線，并且每個圓弧貼在鐵氧體外環，距離最外環有0.1 mm的距離。

采用雙圓弧匹配的方法，利用的是雙支節匹配器理論，中心結開槽匹配見圖6。支節匹配器是用一定長度的終端短路或開路的均勻傳輸線段接入負載與傳輸線之間來實現匹配的裝置。雙支節匹配器就是在距離負載l處和d處分別并聯或串聯長度為a1、a2的終端短路或開路的短截線構成。使得支節接入處的左面主線上為行波狀態，當其右面和支節線上均為駐波。采用中心結開槽匹配的方法主要改變小Y和大Y的間距，從而對于雙Y匹配起到了微調的作用。

圖6 中心結開槽匹配

圖7 是不同圓弧長度的駐波系數圖，從圖7中可以看出不同的圓弧長度下對應不同的駐波系數，而且駐波系數對于尺寸大小比較敏感。綜合帶寬和駐波系數的大小，可見當圓弧的長度為2.0 mm時性能最好。

圖7 不同圓弧長度的駐波系數

圖8 是中心導體未切角和切角的駐波對比圖。當中心有切角的時候，對于駐波系數和帶寬存在比較大的改變，可見，此時也改變了中心導體處的阻抗以及電磁場的傳輸。

圖8 中心切角和未切角的駐波系數對比

4 仿真結果與分析

根據上面的理論分析、尺寸計算以及四種匹配方法得到了最終的環行器的模型，如圖9所示。采用了四種阻抗匹配，實現了整體厚度為1.8 mm的超薄結構。通過HFSS中仿真，得到的環行器的性能指標如圖10所示，其中S31代表的是環行器的插入損耗，S21代表的是隔離，S11代表的是反射，可以看出，在7～14 GHz的范圍內，S11和S13均小于-15 dB，S12大于-0.32 dB。

圖9 環行器模型

圖10 環行器的S參數

5 結 語

本文設計了一種X波段超薄寬帶小型化環行器，在保證整體模型厚度小于2 mm的基礎上，采用了四種匹配方法展開帶寬，分別是雙Y匹配、結外一級匹配、結內圓弧匹配、中心結切角匹配的方法。通過在HFSS中的仿真，最終實現了7～14 GHz全頻帶，插入損耗大于-0.32 dB，回波損耗和隔離系數小于-15 dB的性能指標。