通信用低場小型化集總參數隔離器設計

楊勤，馮楠軒，張華峰，何海洋

西南應用磁學研究所，四川 綿陽 621000

0 引言

隔離器有改善系統鏈路匹配、改善功放（PA）的線性度、提升功放效率（PAE）等多種功能，是信息通信、電子對抗、航天航空等領域不可或缺的關鍵器件之一。

隨著工信部批復4.4～5.0GHz用于我國的5G技術研發試驗，該頻段的分布式皮基站研發提上了日程，該頻段不僅適用于地鐵、機場、火車站等高容量的補熱場景，還可針對2.6GHz宏站部署的覆蓋空洞補盲，也可滿足高上行速率和低時延要求的行業應用。5G室內布站加速了對高頻小型化隔離器的需求。

民用通信頻段鐵氧體隔離器研究主要集中在分布參數類型。文獻[1]研究了中心頻率3.5GHz的分布式微帶結式環行器；文獻[2]研究了帶狀線結式環行器的設計方法；文獻[3]研究了S波段隔離器，采用了集總參數的功率電阻，但中心結部分仍然是分布式的；S.Yamamoto等人[4]開發了4～5GHz低高度微帶隔離器解決了高頻集總參數器件高度過高問題。以上文獻的研究都集中在分布式設計，其中心節尺寸需與工作頻率相關，在Sub6頻段內難以滿足5G通信系統對小型化隔離器的要求。

集總參數設計更容易實現隔離器小型化，目前對高頻集總參數隔離器和環行器相關研究文獻較少。文獻[5]研究了1.92～1.98GHz的隔離器設計，采用共振式集總參數設計，制作難度較大；文獻[6]研制了2.47～2.69GHz的隔離器，其采用CORE繞線設計，推導了該類設計下低插損的設計公式；文獻[7]采用鐵磁共振以下的弱磁場設計集總參數隔離器，實現了1.71GHz～2.17GHz的較大帶寬的隔離；文獻[8]研究了L波段集總參數LTCC小型化環行器設計，采用高場集總參數設計，尺寸為7×7.4×3.1mm，性能較優。上述文獻的研究結果表明，采用集總參數設計的隔離器可有效減小器件尺寸，國內外的未見小型化的低場集總參數隔離器的設計報道。

基于此，研制了4.6～4.8GHz的小型隔離器，外形尺寸5mm×5mm×2.4mm，并且性能參數良好，滿足相應的基站使用需求。

1 原理和方案設計

隔離器的工作模式一般分兩大類：高場模式和低場模式。高場模式一般適用于低頻、高功率器件的設計；低場模式一般適用于高頻、低功率器件的設計。該頻段尺寸要求5×5×2.4mm，采用高場設計由于頻率過高導致器件的高度超高，且磁化較為困難。因此該頻段器件采用低場設計，文獻[9]提到關于低場集總參數設計材料的選用與分布參數環行器相同。

旋磁鐵氧體材料的飽和磁化強度采用下式進行計算：

式中：Ms為飽和磁化強度，單位為A/m；P為歸一化飽和磁矩，無量綱；f為中心頻率，單位為Hz；γ為電子自旋的回旋磁比，2.21×105rad·m/（S·A）。低場工作模式，P的取值范圍一般在0.5～0.7，依據公式計算該頻段器件選用的鐵氧體材料磁矩在800～1000gauss。

集總參數隔離器的原理如圖1所示，內部三個相互耦合電感和鐵氧體形成中心結，通常情況下中心結具有低阻抗，每個電感分路上并聯一個適當的匹配電容，可將器件端口匹配到常用的50Ω，形成一個窄帶匹配的器件。將其中任意一個端口連接匹配電阻，便構成集總參數隔離器。

圖1 集總參數隔離器原理圖

根據微波信號傳輸的環行條件，有

其中ω為器件工作時的中心角頻率數值，單位rad/s；為張量磁導率對角分量；為張量磁導率非對角分量；為歸一化內場；和分別為歸一化電容和電感。根據上述公式可計算出隔離器初始電容電感，但實際情況的環行條件更復雜，因一般確定元件的初始值后通過仿真優化設計。

2 仿真設計

基于上述原理，設計仿真了4.6～4.8GHz的低場集總參數隔離器，表貼封裝形式。采用電磁仿真軟件對器件進行仿真計算，三維仿真模型如圖2所示。端口阻抗均按50歐姆設計，器件貼裝于電路板，鐵氧體磁飽和強度設置為1000gauss，內場設置為0A/m。基于產品的外形尺寸和結構，仿真設計時設置鐵氧體大小為φ2.2×0.25mm。三個電容分別位與左上、右上和下方三個槽的電路下面，在下方電容旁設置一個50Ω電阻，通過優化容值分別為1.07pF、1.22pF、0.81pF。

圖2 三維仿真模型

同時進行容差分析得出電容容值、中心導體寬度影響劇烈；鐵氧體直徑、鐵氧體厚度以及電阻阻值等參數對性能影響中等，外殼尺寸參數對器件性能影響較小。

通過優化設計得出電性能仿真數據如圖3所示，仿真結果顯示在器件的工作頻段內，隔離度大于18dB，損耗小于0.41dB，回波損耗大于18dB，性能指標優良。

圖3 仿真電氣性能

3 元件與材料選型

集總參數器件的電氣性能隨溫度變化惡化，原因是旋磁鐵氧體4πMs隨溫度變化，電容容值也隨溫度變化；造成器件中心頻率漂移；同時外磁場的變化與4πMs的變化不一致，導致環行狀態處于非完全諧振狀態。所以元件選型時需全面考慮磁性材料與元件在使用溫度范圍內對電性能造成的影響。文獻[10]指出高場設計的集總參數環行器在匹配電容波動范圍很小的情況下，外磁場的溫度系數在鐵氧體飽和磁化強度4πMs的溫度系數值的50%左右就可以獲得相對補償，實現良好的器件溫度穩定性，該理論同樣適用于低場器件。依據上述分析開展相應的元件和材料選型。

考慮器件使用溫度范圍內的電性能指標要求，本次器件設計采用飽和磁化強度溫度系數-0.3%/℃的石榴石鐵氧體材料，鍶恒磁選用剩磁溫度系數-0.2%/℃的材料。針對使用環境和仿真分析得出電容的材料采用溫度系數±30PPM/℃的一類瓷。該器件頻率較高，所需電容容量低，為提高電容可靠性采用介電常數15左右陶瓷制作電容。隔離端的電阻阻值波動對器件性能的影響相對較少，設計仿真確定采用溫度系數為±200 PPM/℃的氮化鋁基板電阻。

4 試驗結果

制作了樣品進行測試，實測電氣性能如圖4所示。4.6～4.8GHz范圍內駐波比小于1.6，插損小于0.7dB，隔離度大于10dB。器件性能良好，可在通信系統中使用。

圖4 器件常溫實測性能

針對該類器件最終使用環境開展溫度下性能測試，測試結果如表1所示。測試結果表明器件在，器件在-15℃下性能變化小；+105℃下的器件性能變差，但也滿足當前用戶高溫下1dB損耗的要求。

表1 器件在溫度下的電性能測試指標

5 結語

本文通過原理分析、仿真設計以及樣品試制成功研制出低場小型化集總參數隔離器樣品。成功實現低場模式下環行性能，表現出較好的隔離性能，可在通信領域廣泛應用。通過理論分析和實際工程經驗較為詳盡地敘述了集總參數小型化環行器設計的要點，可對從事本行業人員起到一定的指導作用。