SIW旋磁倍频器的研究*

2019-04-30汪晓光

通信技术 2019年4期

肖宇，汪晓光

（电子科技大学，四川成都 611731）

0 引言

随着微波技术在移动电话、无线通信、个人通信网、全球定位系统及雷达、电子对抗等方面的广泛应用，非线性电路在上述系统中的设计成为亟待解决的主要问题，而设计的基础在于对非线性器件大信号特性的分析[1]。

近年来，SIW结构的兴起，促使SIW在天线、功分器和滤波器等方面的应用层出不穷。SIW器件具有比矩形波导更小的尺寸，比微带结构更高的品质因数和更小的插入损耗。此外，SIW结构可以使用平面电路的制造过程将其他平面或非平面电路轻松集成[2]。与传统平面电路相比，SIW的主要优点是成本低，易于用标准印刷电路板（PCB）机械制造。此外，与其他平面传输线相比，SIW的品质因数Q更高[3]。

目前，国内外对倍频器的研究主要集中在毫米波段，且较流行的应用是单频或窄带信号的上变频，在微波频段的宽带信号的应用较少[4]。本文针对K波段进行宽带无源倍频器设计，成功研制了一个18.75～19.25 GHz的倍频器。该倍频器在输入功率30 dBm的情况下，中心频率处的谐波分量大于20 dBm。该倍频器具有无源大功率特性，且易于集成。

利用旋磁铁氧体设计的大功率无源倍频器，具有结构简单、功率大、易于集成、倍频效率高等特点，将会拓展倍频器的设计，将越来越受人们的重视。

1 旋磁铁氧体倍频器原理

旋磁铁氧体倍频器的主要机理是利用旋磁铁氧体非线性产生谐波实现倍频。铁氧体传输线具有非线性电感，根本原因在于铁氧体的磁化强度M是关于磁场H的非线性函数。因此，可以通过M随H的变化关系表达式来推导铁氧体传输线的非线性特性[5]。如图1所示，磁化强度M和磁场H成非线性，对应的磁导率也成非线性。

图1 磁化曲线与磁导率

M随H的变化关系可以使用朗道-吉尔伯特（L-G）形式进动方程表示为[6]：

式中：Ms为饱和磁化强度；γ为旋磁比，对于铁氧体通常当常数对待，即γ=-1.76×1011（rad/（s·T）；σ为标志磁损耗的无量纲阻尼系数。

铁氧体内部磁矩在外场下运动，影响了铁氧体传输线中波的传播，进而影响了磁芯内部磁矩的运动。电磁波在非线性铁氧体传输线中的传播过程可用一维传输线方程表示为：

式中：C0和L(i)分别为传输线单位长度的电容和电感，进一步表示成：

式中：M为磁化强度，H为内场。

由得到的旋磁铁氧体的非线性，设计一个饱和磁矩在3 000 gauss±1 000 gauss、内场在130 000A/M±50 000A/M的SIW旋磁铁氧体倍频器。

2 旋磁铁氧体倍频器的设计

2.1 SIW传输线的设计

设计10～20 GHz基频传输的SIW传输线，结构和结果分别如图2、图3所示。

图2为双排金属通孔传输线，图3为传输线的S11和 S21曲线，其中 S21＞-0.01 dB，S11＜-30 dB。

2.2 旋磁铁氧体倍频器的设计

在旋磁铁氧体无源倍频器的设计中，最重要是确定铁氧体的非线性工作点。通过上述原理，计算得到铁氧体的非线性点为饱和磁矩在3 000 gauss±1 000 gauss，内场在130 000A/M±50 000A/M，这个范围的非线性较强。选取饱和磁矩在3 500 gauss，内场在130 000A/M附近的工作点。器件结构采用铁氧体圆柱嵌入SIW传输线，结构如图4、图5所示。

图2 SIW传输线结构

图3 SIW传输线S参数

图4 为旋磁铁氧体圆柱结构，图5为SIW旋磁铁氧体倍频器结构。

2.3 旋磁铁氧体倍频器调试

由于非线性点的确定和频率、材料、器件结构的各个尺寸有关，因此下面将研究相关参数对倍频效率的影响。

2.3.1 铁氧体半径变化对非线性点的研究

铁氧体半径的改变将影响倍频器的匹配和谐振等特性，计算得到频率和倍频效率随半径的变化分别如图6、图7所示。

图4 铁氧体圆柱结构

图5 SIW旋磁铁氧体倍频器结构

图6 非线性频率中心点随铁氧体半径的变化

图7 S参数随铁氧体半径的变化

由图6可知，随着铁氧体半径的增大，倍频器呈现感性，频率点左移。由图7可知，倍频效率随着半径的增大先变好再变差，在中心频率19 GHz附近，半径为3.8 mm有较好的倍频效率。

2.3.2 SIW传输线高度变化对非线性点的研究

SIW传输线高度变化会改变器件的容感性，具体影响如图8、图9所示。

图8 非线性频率中心点随SIW高度的变化

图9 S参数随SIW高度的变化

由图8可知，SIW传输线高度对频率的影响成线性。由图9可知，SIW传输线高度越小，倍频效率越低，原因是原倍频器呈现感性，SIW高度降低，容性增加，倍频效率提高。

2.3.3 铁氧体内场变化对非线性点的研究

铁氧体内场改变将影响铁氧体的非线性点，具体影响如图10、图11所示。

图10 非线性频率中心点随铁氧体内场变化

图11 S参数随铁氧体内场的变化

由图10可知，SIW内场增加，频率增加。由图11可知，倍频器随内场增大，倍频效率先变好再变差，在中心频率为19 GHz附近，内场为150 000A/M具有较好的倍频效率。

2.3.4 铁氧体饱和磁矩变化对非线性点的研究

铁氧体饱和磁矩改变将影响铁氧体的非线性点，具体影响如图12、图13所示。

由图12可知，饱和磁矩的增加，频率点右移。由图13可知，饱和磁矩的增加，倍频效率先增加后减小，在中心频率为19 GHz附近，饱和磁矩为3 700 gauss具有较好的倍频效率。

图12 非线性频率中心点随铁氧体饱和磁矩的变化

图13 S参数随铁氧体饱和磁矩的变化

拟合得到中心频率19 GHz效率为74%，计算得到的场和S参数，如图14、图15所示。

图14为旋磁铁氧体倍频器中心频率19 GHz处的电场图，是直观的倍频场图实验结果。图15为旋磁铁氧体倍频器中心频率19 GHz的S参数曲线，其带内S11和S21最佳处可低于-8.5 dB。

3 结语

本文成功研制了一个18.75～19.25 GHz旋磁铁氧体无源倍频器，实现了在输入功率30 dBm的情况下，中心频率处的谐波分量大于20 dBm。此外，研究铁氧体非线性点随器件各个参数变化的规律，为铁氧体无非线性的研究提供了有效的方法和经验。可见，它具有应用于SIW集成研发、大功率倍频、大功率非线性系统的能力，具有重大的应用价值。