X波段波导环形器的设计与实现

2016-02-08杨现志葛俊祥

中国电子科学研究院学报 2016年6期

关键词：铁氧体波导端口

杨现志，葛俊祥，李浩，汪洁

(南京信息工程大学江苏省气象探测与信息处理重点实验室，南京 210044)

工程与应用

X波段波导环形器的设计与实现

杨现志，葛俊祥，李浩，汪洁

(南京信息工程大学江苏省气象探测与信息处理重点实验室，南京 210044)

为满足某X波段船舶导航雷达系统的需求，设计了一种部分高度双三角形铁氧体中心结形式的波导环形器。在设计过程中，采用三角形阻抗变换器和三螺钉匹配器来实现环形器的阻抗匹配，利用商业软件HFSS对环形器的结构进行仿真优化，最终加工出实物并进行了测试。测试结果表明，在9.1 GHz～10.5 GHz范围内，该环形器插入损耗小于0.3 dB，隔离度大于20 dB，驻波小于1.25，整体指标满足系统要求，目前已成功应用于雷达系统中。

波导环形器；X波段；铁氧体；阻抗变换器

0 引言

由旋磁铁氧体样品制作的环形器作为雷达天线的收发隔离，可以实现发射机和接收机的天线共用[1-3]。X波段雷达，许多采用脉冲磁控管做发射机，其峰值功率和平均功率较大。波导结环形器和差相移式环形器都能满足承受较大功率的要求，但是与差相移式环形器相比，波导结环形器能够大大减小器件的体积，减轻器件的重量，特别是节约了铁氧体样品材料的使用，从而降低了成本。基于以上考虑，本文设计了三端口波导结环形器。

为实现较好的阻抗匹配，本文采用了波导内H面减高的结环结构，对称三端口波导的中心处的铁氧体设计为正三角形。为实现环形器的宽频带，采用了在铁氧体样品处分别加载三角形金属匹配片，以构成一个阻抗变换器；同时，在环形器的三个端口各加一个匹配螺钉，有效调节三端口的匹配。该环形器体积相对较小，功率容量大，性能优良，并成功应用于研发的X波段船舶导航雷达系统中。

1 环形器的设计

1.1 铁氧体材料的选择

铁氧体材料决定了环形器的功率容量和损耗特性。影响环形器性能的铁氧体材料的主要参数有饱和磁化强度4πMs、铁磁共振线宽ΔH、自旋波线宽ΔHK、居里温度TC等，其中最重要的参数是饱和磁化强度4πMs。在低场设计时，通常按式(1)选取4πMs[4]。

(1)

式中，p为归一化磁矩;γ为旋磁比;f0为工作频率。为使环形器获得较宽的工作带宽，p应选择较大的取值，另外为避免低场损耗，p的取值又不能过高。同时为了提高器件承受峰值功率容量，本器件的设计采用了饱和磁化强度为2100Gs的铁氧体材料。

1.2 铁氧体的尺寸

理想的三端口波导环形器的设计概念基于散射矩阵以及网络技术[5-8]。考虑到器件需要承受较高的峰值功率和平均功率，环形器采用BJ100标准波导结构，其腔体结构如图1所示。

图1 环形器腔体结构

为实现较好的阻抗匹配，本文采用了波导内H面减高的结环结构，三端口中心结设计成部分高度两片上下对称的三角铁氧体样品形式，并且使铁氧体样品等边三角形每一角的顶点均对准环形器的三个输入输出端口正中。这种结构能够有效减小铁氧体样品的尺寸，利于散热和减小外加磁场。

所述波导环形器工作于TM模式[9,10]。由于铁氧体的相对介电常数εr=9～16≫1，因此三角形铁氧体的边界面可近似处理为磁壁。图1中的铁氧体样品，其形状是正三角形，这种部分高度三角形铁氧体的谐振频率为[11]：

(2)

式中，A为三角形铁氧体的边长，h为三角形铁氧体的厚度，m=1，n=-1，p=1，μeff、εγ分别为铁氧体的有效磁导率和有效介电常数。因此三角形铁氧体样品的谐振频率主要由其边长A和厚度h决定。

铁氧体结可以看成谐振电路，其结阻抗很低，约为十欧；而空波导的特性阻抗一般很高，约为百欧。因此想要获得较宽的频带，需要实现铁氧体结与空波导的宽带匹配，本文采用三角形金属阻抗变换器进行匹配。这种阻抗变换器是脊宽逐渐减小的双脊波导，其楔形结构的作用可理解为一渐变匹配变换器，利于增加带宽。

对于B和C类型乘客，无法直观确定其下车站点，可以采用概率的方法求得在各个站点下车的概率，选取概率最高者为其下车站点，B类型乘客存在历史相似出行记录，因此其概率是站点上车次数与线路乘坐次数的比值；C类型乘客，出行链较为残缺，没有历史出行记录，因此其概率算法为类型乘客在站点i上车，则在该线路下行站点j…n下车的概率为乘客乘坐该线路在各站点的上车次数. C类型乘客在站点i上车，则在该线路下行站点j…n，下车的概率该站点上车人数，为该站点所有下游站点的上车总人数.

三角形金属阻抗变换器的尺寸决定了波导与铁氧体共振子之间的匹配作用，通过调整三角形阻抗变换器尺寸，可以使输入波导内的功率尽可能完全传输到铁氧体共振子，从而达到宽带的匹配效果。

由此，可以对铁氧体样品和三角形阻抗变换器尺寸进行初步计算，方便后面的设计使用。

1.3 外加磁场的选择

在铁氧体材料已经选定，环形器结构初步确定后，需要选择合适的外加偏置磁场H0使铁氧体样品接近饱和，然后适当的调整磁场大小使环形器达到最佳环形性能。铁氧体内场Hi为：

Hi=H0-Nz4πMs

(3)

式中，Nz为退磁因子，其值取决于铁氧体样品的形状、磁化方向。

该环形器为低场器件，此时Hi=0。因此，H0=Nz4πMs为外加偏置磁场的大小。

2 仿真与测试

图2 环形器模型示意图

考虑到在实际应用中，为方便与发射机以及接收机部分连接，本文将Y结环形器的两个臂与H面波导弯头连接，从而设计为T-Y结构。这样可以使环形器结构更加紧凑以及在安装分路系统时，不必在Y型波导环形器外接150°波导弯头。

设计中采用的是波导结构，本文在环形器三端口正中各加一个调谐螺钉，构成三螺钉匹配器。在实物测试中，通过该三螺钉匹配器可以有效调节三端口的匹配，减少加工误差的影响，并进一步拓展带宽。

显然，波导弯头引起的不连续性以及三螺钉匹配器的引入对环形器性能有影响，因此将上述的改变加入器件模型进行优化仿真，得到了合适的尺寸。

图3～5为在HFSS中进行仿真优化后的结果。从图中可以看出，在9.1 GHz～10.5 GHz频段内，该环形器的三端口性能均较好，由于引入了波导弯头造成了不对称性，三个端口之间有少许差异。

图3 环形器的插入损耗(仿真)

图4 环形器的隔离度(仿真)

图5 环形器的驻波比(仿真)

按照仿真优化的结果，加工出实物(如图6所示)。为方便环形器的定位装配和快速调试，本文将图1中的小台阶设计为与铁氧体样品同形状0.05 mm的凹进。装配完成后，使用矢量网络分析仪Agilent E8363C进行测试。

图6 环形器加工实物图

图7～9为实物测试的结果。结果表明，该环形器性能优良，在9.1 GHz～10.5 GHz频段内，各项指标满足系统要求(插入损耗<0.3 dB，隔离度>20 dB，VSWR<1.25)。由于加工以及铁氧体装配误差，测试结果与仿真结果有一定的差异。

图7 环形器的插入损耗(测试)

图8 环形器的隔离度(测试)

图9 环形器的驻波比(测试)

3 结语

本文设计了一种X波段波导环形器，该环形器采用三角形阻抗变换器进行阻抗匹配，并且使用了三螺钉匹配器，调节加工以及装配误差引起的端口不匹配。仿真和测试结果表明，在9.1 GHz～10.5 GHz 频率范围内，性能优良，并且加工装配较为方便，能较好地满足实际应用要求。

[1] LI X L, LI E, GUO G F. Design of X-Band H-Plane Waveguide Y-Junction Circulator[C]. Chengdu: International Workshop on Microwave and Millimeter Wave Circuits and System Technology,2012.

[2] 蒋微波，蒋仁培. 微波铁氧体器件在雷达和电子系统中的应用、研究与发展(上)[J].现代雷达，2009，31(9)：5-13.

[3] 王恩成，房少军，陈鹏等. 采用偏心铁氧体的8 mmE面T结波导环行器[J].系统仿真学报，2007，19(14)：3344-3353.

[4] 白冰，何瑞生，陈富献. 8 mm波导环形器的仿真设计[J]. 火控雷达技术，2013，42(2)：67-70.

[5] 王梅生，王生祥，孔喜传等. L波段高功率双结波导环形器[J]. 电子器件，2008，31(3)：831-833.

[6] 范宇. 宽带X波段波导结环行器的研究[J].雷达科学与技术，2008，6(4)：315-317.

[7] ABEDEL-MESSIAS K, INGO W. Field Theory Treatment of H-Plane Waveguide Junction with Triangular Ferrite Post[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1978,26(4):279-287.

[8] 蒋运石，方崇孝，赵伯琳. H面波导Y结环行器的CAA及CAD[J].磁性材料及器件，1999，30(3)：18-31.

[9] 窦文斌，孙忠良，吴鸿超等.毫米波铁氧体器件理论与技术[M]. 北京：国防工业出版社，2013.

[10]JOSEPH H, LOUIS-PHILIPPE C. Quality Factor of the Waveguide Re-Entrant Turnstile Junction Circulator[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2015,63(5):1603-1608.

[11]YOSHIHIKO A. Operation Modes of a Waveguide Y Circulator[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1974, 22(11):954-960.

[12]毛贵海，牛传峰，杨国栋等. K波段圆极化相控阵天线的研究[J].中国电子科学研究院学报，2013，8(5)：548-550.

[13]韩俊，何明浩，郭利荣.宽带阻抗匹配变换器的设计[J].中国电子科学研究院学报，2015，10(1)：78-81.

Design and Implementation of an X-band Waveguide Circulator

YANG Xian-zhi, GE Jun-xiang, LI Hao, WANG Jie

(Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)

A waveguide circulator is designed in order to meet the requirements of an X-band marine navigation radar system, which uses two partial height triangular ferrite posts. In the process of design, triangular impedance transformer and three screws tuner were adopted to realize the impedance matching, and commercial software HFSS was used for structure simulation and optimization. The circulator was fabricated and measured finally, and the test results show that the insertion loss is less than 0.3 dB, the isolation is more than 20dB and the VSWR is less than 1.25 within a rather wide frequency band from 9.1 GHz to 10.5 GHz. All the indexes are sufficient for the requirements of the system and the circulator has been applied in radar system successfully.

waveguide circulator; X-band; ferrite; impedance transformer

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.06.018

2016-08-30

2016-10-30

国家自然科学基金(61372066)；江苏省双创团队人才计划(SRCB201526)；南京市“321”领军人才基金资助项目

：A

1673-5692(2016)06-659-04