淺談小型化微波鐵氧體隔離器的制作

楊昌香

摘 要：隨著微波通信、衛星通信和高科技的不斷發展，要求微波鐵氧體器件小型化以滿足整機發展的要求迫在眉睫。本文以自己近幾年來研制和調試制作小型化S波段鐵氧體隔離器為例，其外形尺寸10mm×16mm×10mm（工作帶寬400MHZ，正向損耗≤0.5dB，反向損耗≥20dB，電壓駐波比≤1.25，工作溫度范圍-55℃～+85℃）。主要從設計思路和調試制作中采取的方法，談談自己的一些體會。

關鍵詞：小型化; 鐵氧體; 隔離器

中圖分類號：TN627? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1006-3315（2020）10-196-002

微波鐵氧體器件是微波器件中一個非常重要的分支。隨著我國軍民兩用裝備技術的不斷發展，微波鐵氧體材料（旋磁材料）和微波鐵氧體器件近年來也不斷推陳出新，滿足了軍民市場的需求，尤其是在雷達、導彈、通信領域和航天航空領域起到積極作用。

在過去一直追求的是微波鐵氧體器件電氣性能，如頻率范圍、結構、材料一致性等等。現在更注重產品的小型化、一致性和可靠性，有的器件還有承受一定的功率、輕量化等要求，隨著整機和系統的不斷變化而對微波器件所提出的更高要求。我們長期以來都是從事用于彈載機載的小型化器件的設計和制作，當然還有其他方面的應用，體會是逐漸深刻的。從小型化射頻隔離器、環行器等器件的設計、實驗到調試制作過程也積累了一些粗淺的認識，為努力開展下一多頻段的小型化功率器件和其它非標準的微波鐵氧體器件制作奠定了一定的基礎。

下面就從S波段隔離器的研究和制作過程的改進做一小結：

一、主要技術指標

工作帶寬△f：400MHz;正向損耗α+≤0.5dB;反向損耗? α-≥20dB

電壓駐波比VSWR≤1.25;工作溫度范圍-55℃～+85℃;外形尺寸10mm×16mm×10mm

二、基本設計思路

S波段隔離器的工作原理：

工作原理：信號從放大器前級到隔離器①端口輸入，經過隔離器端口②輸出到放大器的后級，這樣的傳輸損耗較小。反過來，從端口②輸入經過隔離器時，微波能量被負載所吸收到達端口①的信號能量很少，損耗較大。

這就是說：從反射端信號到達環行器三端接入的射頻功率電阻，這時電磁能量被射頻功率電阻較完全吸收，而端口①則沒有能量的輸入、保護輸入端①的作用，起到了能量隔離。同時正方向輸入的信號也避免了前級、后級的相互影響。

隔離器示意圖

隔離器主要由旋磁鐵氧體基片、中心導體、外加永磁體、匹配電阻所組成。為了滿足電氣性能和尺寸的要求，1.采用了準集中參數設計和中心導體結構。2.選擇了高品質的旋磁鐵氧體材料、永磁體材料及磁補償材料，保證了器件的溫度特性。

三、旋磁鐵氧體基片的選擇

旋磁鐵氧體選擇的好壞直接影響器件的整體性能，而材料的飽和磁化強度Ms是十分重要的參數。在設計的頻率范圍內，我們選取了器件在高場區工作，因為考慮寬帶和小型化器件，克服了我們過去一些設計的思路，我們根據器件的技術指標在Ms的選擇上我們綜合考慮：

P=γ[Msf0]? ? （1）

式中：γ-旋磁比

P——規一化飽和磁化強度

f。——器件工作的中心頻率

當f0確定后，Ms也就隨之確定。所以我們根據公式（1）計算出旋磁材料的飽和磁場強度Ms。

四、外加磁場Hex的選擇

外加磁場Hex和飽和磁場強度Ms之間的關系：

Hex=Hi+NMs? ? ? （2）

在選擇外加磁場磁體時既要滿足外加磁場強度，又要考慮溫度穩定性。其表面場高于鐵氧體永磁體，釤鈷稀永磁體容易滿足所需的外加磁場強度，設計時選用釤稀土永磁體。

五、電路設計

S波段鐵氧體隔離器我們采用分布參數與集中參數相結合的方法設計，旋磁鐵氧體基片的參數確定，以及中心導體的中心結是按分布參數設計，而Lc匹配網絡是按切比雪夫阻抗變換低通濾波器的設計原理而計算，我們首先采用平面雙Y諧振子設計原理和切比雪夫阻抗變換低通濾波器的設計原理設計出符合要求的S波段寬帶環行器的中心導體。當這種電路的中心圓結的半徑與雙Y的長度相當時，隔離器能達到較理想的工作狀態，損耗小，工作帶寬。對Lc匹配網絡進行適當微調能展寬一定的工作頻帶。我們采用這種結構所設計的S波段鐵氧體隔離器損耗小，溫度穩定性也較好，是S波段制作小型化器件一種理想的結構。

六、平均功率對器件的影響

器件所選用的電阻材料必須是能夠承受較大的平均功率（因為該器件用戶希望在10W的平均功率的條件下工作），因而采用氧化鈹作襯底材料的射頻電阻，氧化鈹具有極好的導熱性，吸收負載的溫升相對較小，穩定性好。

我們知道，任何一種微波鐵氧體器件都存在一定的損耗，在器件工作中（有一定的平均功率）所產生的功率自然就變成熱量，使得器件整體的溫度升高，器件的電氣性能變壞，嚴重的會導致器件不能正常工作。所以我們在設計和調試過程中，盡可能控制器件的插損，同時考慮器件的散熱問題，以保證器件在功率情況下能正常工作。

器件的溫升計算公式：

[?]T=0.12P[hKs]? ?（3）

P——鐵氧體內所消耗的功率;k——鐵氧體熱傳導系數;S——鐵氧體基片面積;h——鐵氧體基片厚度;[?]T——器件溫升

從公式（3）中我們可以看出：

①鐵氧體基片的溫度越高，飽和磁化強度Ms變化越明顯，這樣器件的電氣性能就會變壞，還會使鐵氧體基片的溫度接近材料的居里點，照此下去基片就變成一般順磁物質，器件就根本不工作，更談不上隔離的作用。所以快速進行鐵氧體基片內的熱量傳出，熱量散出來，提高器件承受功率的能力是我們設計中應該考慮的。

②鐵氧體基片太厚。電磁波穿透深度不能全部造成局部的溫度上升，這也是影響器件的電氣性能，盡可能選擇薄的片子，基片內部材料分布均勻，使電磁波能穿透整個基片，熱量也盡快散出，降低基片的溫升，這樣也能減小器件的正向損耗。

③一般我們對有平均功率要求的器件，在選擇材料時，居里溫度高一些，飽和磁化強度Ms盡可能大一些旋磁材料，Ms對溫度的穩定性就會很好，在一定功率情況下器件的電氣性能受溫度的影響就會愈小，平均功率就會愈大。

④一般微波鐵氧體器件的峰值功率，主要取決于器件的設計結構的合理性和材料自旋波線寬[?]Hk，平均功率則同材料的損耗和溫度穩定性有關。為使器件能承受10W的功率，都應該按上述考慮選擇共振線寬和自旋波線寬的大功率旋磁材料。

總述四個方面：只有器件損耗越小，耗散在器件上的功率越小，器件的傳輸功率才越大。制作這種器件，除了選擇理想的旋磁鐵氧體材料制作基片，基片的厚度和直徑，優化電路設計，還需要注意解決各部分連接之間的互相影響才能保證器件正常工作。

七、溫度補償問題

這類器件的設計，需滿足工作頻率和要求的電氣性能參數，從上面給出公式都可以看出，無論是正向損耗、反向損耗、電壓駐波比等等都隨溫度的變化而變化，選擇材料的居里溫度高的鐵氧體基片，一般采取特殊的熱磁溫度補償措施，使材料與補償過的外加磁場隨溫度變化率盡可能保持一致，使溫度對器件電器性能的影響減小到最低。在使用的溫度范圍內，改變外加磁場來適應Ms溫度的變化，也可以改變飽和磁場溫度來適應外加磁場隨著溫度變化。通過熱磁補償S波段微波鐵氧體隔離器（10W平均功率）溫度穩定性達到了要求。在器件工作帶寬400MHz的范圍內，在-55℃～+85℃工作溫度范圍里，結果滿足了指標要求。

八、結論

關于小型化器件的設計和制作，逐步得到了一些認識。從器件的設計到材料的選擇，電路的匹配類似這樣小型化器件隔離器，帶有一定的功率容量，選擇能夠承受大功率的電阻，同時做好熱補償，器件的散熱和旋磁材料基片的散熱都是應該仔細考慮的。成功制作了這樣一個小型化的隔離器，采取分布參數與集中參數相結合的設計的中心結構，在帶寬400MHz范圍內，工作溫度-55℃～+85℃，并承受了10W的平均功率，器件能穩定工作。我們還做了其它一些小型器件的內在結構的不同設計，包含旋磁鐵氧體材料和外加磁場的選項，在不同頻率，包括有功率要求，匹配負載的選取，我們都做了不少工作，確實有所提高和認識，有些方面有待我們進一步從理論上進行提高和認識。

在此非常感謝王梅生研究員，陳剛高級工程師等工程技術人員多年來的幫助和指導。