X波段超薄宽带小型化环形器的设计*

张丽君，汪晓光

（电子科技大学，四川 成都 611731）

0 引 言

现代通信行业的社会现代化发展给当今人们带来了极大的方便，在通信系统中作为收发、隔离、开关等作用的环行器有着非常重要的作用和不可或缺的地位。通信技术在不断发展和进步，对于环行器也提出了更高的要求。微波铁氧体环行器向着小型化、宽频带、大功率的方向发展。在保证环行器高性能的基础上，还要求做到宽频带、小型化、超薄的结构，是本文研究的重点和难点。

1 带状线Y结构

如图1所示，带线结环行器的基本结构是一组三个互成120°的中心导体、铁氧体圆片分别在导体的上下两层，外加磁场HO加在垂直于铁氧体的方向。

图1 带线结环行器

2 环行器的环行条件

2.1 电磁场的传输理论

带状线中只传输TEM模，其电场强度E垂直于中心导体，即z方向，磁场强度H平行于中心导体，并且垂直于传播方向，即φ方向[1]。根据磁场强度方程和麦克斯韦方程，求得磁场分量为：

从方程式中可见，铁氧体圆盘中存两种圆极化波，其对应的磁导率分别为u右,左=u±k，其中

2.2 环行条件

假定铁氧体圆片与三个端口是处于非耦合状态，φ=0，此种情况下没有带线馈线连接中心结，那么就没有电流从中心导体的边缘沿径向r流动。因此将r=R，Hφ=0带入方程（1），可以得到下面两个方程式：

当基模n=1,方程变为：

由零阶贝塞尔函数和二阶贝塞尔函数导出以下关系：

方程（6）中，x1,1表示一阶贝塞尔函数的第一个正根，当k/u=0，铁氧体未磁化时，一对旋转方向相反的旋转模为简并，也就是环行器的第一环行条件，如图2（a）所示。当k/u≠0，铁氧体磁化时，如图2（b）所示，两个旋转方向相反的旋转模的两个共振模的共振频率开始分裂成f+右旋共振模频率和f-左旋共振模频率[2]。

当铁氧体圆片未磁化即Hi=0时，铁氧体圆片呈现各项同性k/u=0，这时从1端口输入的电磁波在2、3端口得到的驻波场型相同，电压相等。

当铁氧体的轴向加上恒稳磁场Ho，即Hi≠0时，自一端口输入的线极化波就要分裂成一个右旋“+”模和一个左旋“-”模，随着恒稳磁场Ho的增加，铁氧体的各向异性增加[3]。两个相反方向旋转的旋性模合成后的高频磁场的极化方向就偏离而旋转30°，在合适的外加磁场下，驻波场型的最小点波节正好处在3端口上，而驻波场型的最大点波腹处在2端口。

图2 环行器的场分布

3 环行器的设计

3.1 环行器的尺寸设计

图3表示带线所对的弧度角为2φ，其关系式如下：

图3 带线中心导体所对的弧度角为2φ

带线结环行器结构见图4。

图4 带线结环行器结构

W是中心导体的宽度，R是铁氧体圆盘半径的大小[4]。满足式（8）：

铁氧体半径的公式为：

其中，λ为工作频率自由空间波长：

外加匹配段的长度大小为：

中心导体的厚度公式为：

小Y的长度公式为[5]：

铁氧体材料的饱和磁矩大小为2 200 guass，相对介电常数为13，陶瓷材料的相对介电常数为2.1，电损耗角正切tanδ为0.000 1。通过以上公式和材料的属性计算中心导体尺寸的大小，主要尺寸见表1。

表1 主要尺寸大小

3.2 阻抗匹配展开带宽

但是对于超薄的器件来说，厚度受到限制。当改变厚度大小，则电磁场在铁氧体中的传输也会受到极大的影响，改变了法拉第旋转角度。在保证环行器的厚度在2 mm以内，又可以实现全频带和高性能，实现的方法是在有限的体积中采用多种匹配方法。如图5所示，除了双Y匹配和外加一级λ/4匹配段之外，再采用中心处开槽和中心导体加圆弧的匹配方法。

图5 双圆弧匹配

分别在中心导体的三个分支上加很窄的圆弧，每个圆弧的作用相当于并联一段开路线，并且每个圆弧贴在铁氧体外环，距离最外环有0.1 mm的距离。

采用双圆弧匹配的方法，利用的是双支节匹配器理论，中心结开槽匹配见图6。支节匹配器是用一定长度的终端短路或开路的均匀传输线段接入负载与传输线之间来实现匹配的装置。双支节匹配器就是在距离负载l处和d处分别并联或串联长度为a1、a2的终端短路或开路的短截线构成。使得支节接入处的左面主线上为行波状态，当其右面和支节线上均为驻波。采用中心结开槽匹配的方法主要改变小Y和大Y的间距，从而对于双Y匹配起到了微调的作用。

图6 中心结开槽匹配

图7 是不同圆弧长度的驻波系数图，从图7中可以看出不同的圆弧长度下对应不同的驻波系数，而且驻波系数对于尺寸大小比较敏感。综合带宽和驻波系数的大小，可见当圆弧的长度为2.0 mm时性能最好。

图7 不同圆弧长度的驻波系数

图8 是中心导体未切角和切角的驻波对比图。当中心有切角的时候，对于驻波系数和带宽存在比较大的改变，可见，此时也改变了中心导体处的阻抗以及电磁场的传输。

图8 中心切角和未切角的驻波系数对比

4 仿真结果与分析

根据上面的理论分析、尺寸计算以及四种匹配方法得到了最终的环行器的模型，如图9所示。采用了四种阻抗匹配，实现了整体厚度为1.8 mm的超薄结构。通过HFSS中仿真，得到的环行器的性能指标如图10所示，其中S31代表的是环行器的插入损耗，S21代表的是隔离，S11代表的是反射，可以看出，在7～14 GHz的范围内，S11和S13均小于-15 dB，S12大于-0.32 dB。

图9 环行器模型

图10 环行器的S参数

5 结 语

本文设计了一种X波段超薄宽带小型化环行器，在保证整体模型厚度小于2 mm的基础上，采用了四种匹配方法展开带宽，分别是双Y匹配、结外一级匹配、结内圆弧匹配、中心结切角匹配的方法。通过在HFSS中的仿真，最终实现了7～14 GHz全频带，插入损耗大于-0.32 dB，回波损耗和隔离系数小于-15 dB的性能指标。