通信用低场小型化集总参数隔离器设计

杨勤，冯楠轩，张华峰，何海洋

西南应用磁学研究所，四川 绵阳 621000

0 引言

隔离器有改善系统链路匹配、改善功放（PA）的线性度、提升功放效率（PAE）等多种功能，是信息通信、电子对抗、航天航空等领域不可或缺的关键器件之一。

随着工信部批复4.4～5.0GHz用于我国的5G技术研发试验，该频段的分布式皮基站研发提上了日程，该频段不仅适用于地铁、机场、火车站等高容量的补热场景，还可针对2.6GHz宏站部署的覆盖空洞补盲，也可满足高上行速率和低时延要求的行业应用。5G室内布站加速了对高频小型化隔离器的需求。

民用通信频段铁氧体隔离器研究主要集中在分布参数类型。文献[1]研究了中心频率3.5GHz的分布式微带结式环行器；文献[2]研究了带状线结式环行器的设计方法；文献[3]研究了S波段隔离器，采用了集总参数的功率电阻，但中心结部分仍然是分布式的；S.Yamamoto等人[4]开发了4～5GHz低高度微带隔离器解决了高频集总参数器件高度过高问题。以上文献的研究都集中在分布式设计，其中心节尺寸需与工作频率相关，在Sub6频段内难以满足5G通信系统对小型化隔离器的要求。

集总参数设计更容易实现隔离器小型化，目前对高频集总参数隔离器和环行器相关研究文献较少。文献[5]研究了1.92～1.98GHz的隔离器设计，采用共振式集总参数设计，制作难度较大；文献[6]研制了2.47～2.69GHz的隔离器，其采用CORE绕线设计，推导了该类设计下低插损的设计公式；文献[7]采用铁磁共振以下的弱磁场设计集总参数隔离器，实现了1.71GHz～2.17GHz的较大带宽的隔离；文献[8]研究了L波段集总参数LTCC小型化环行器设计，采用高场集总参数设计，尺寸为7×7.4×3.1mm，性能较优。上述文献的研究结果表明，采用集总参数设计的隔离器可有效减小器件尺寸，国内外的未见小型化的低场集总参数隔离器的设计报道。

基于此，研制了4.6～4.8GHz的小型隔离器，外形尺寸5mm×5mm×2.4mm，并且性能参数良好，满足相应的基站使用需求。

1 原理和方案设计

隔离器的工作模式一般分两大类：高场模式和低场模式。高场模式一般适用于低频、高功率器件的设计；低场模式一般适用于高频、低功率器件的设计。该频段尺寸要求5×5×2.4mm，采用高场设计由于频率过高导致器件的高度超高，且磁化较为困难。因此该频段器件采用低场设计，文献[9]提到关于低场集总参数设计材料的选用与分布参数环行器相同。

旋磁铁氧体材料的饱和磁化强度采用下式进行计算：

式中：Ms为饱和磁化强度，单位为A/m；P为归一化饱和磁矩，无量纲；f为中心频率，单位为Hz；γ为电子自旋的回旋磁比，2.21×105rad·m/（S·A）。低场工作模式，P的取值范围一般在0.5～0.7，依据公式计算该频段器件选用的铁氧体材料磁矩在800～1000gauss。

集总参数隔离器的原理如图1所示，内部三个相互耦合电感和铁氧体形成中心结，通常情况下中心结具有低阻抗，每个电感分路上并联一个适当的匹配电容，可将器件端口匹配到常用的50Ω，形成一个窄带匹配的器件。将其中任意一个端口连接匹配电阻，便构成集总参数隔离器。

图1 集总参数隔离器原理图

根据微波信号传输的环行条件，有

其中ω为器件工作时的中心角频率数值，单位rad/s；为张量磁导率对角分量；为张量磁导率非对角分量；为归一化内场；和分别为归一化电容和电感。根据上述公式可计算出隔离器初始电容电感，但实际情况的环行条件更复杂，因一般确定元件的初始值后通过仿真优化设计。

2 仿真设计

基于上述原理，设计仿真了4.6～4.8GHz的低场集总参数隔离器，表贴封装形式。采用电磁仿真软件对器件进行仿真计算，三维仿真模型如图2所示。端口阻抗均按50欧姆设计，器件贴装于电路板，铁氧体磁饱和强度设置为1000gauss，内场设置为0A/m。基于产品的外形尺寸和结构，仿真设计时设置铁氧体大小为φ2.2×0.25mm。三个电容分别位与左上、右上和下方三个槽的电路下面，在下方电容旁设置一个50Ω电阻，通过优化容值分别为1.07pF、1.22pF、0.81pF。

图2 三维仿真模型

同时进行容差分析得出电容容值、中心导体宽度影响剧烈；铁氧体直径、铁氧体厚度以及电阻阻值等参数对性能影响中等，外壳尺寸参数对器件性能影响较小。

通过优化设计得出电性能仿真数据如图3所示，仿真结果显示在器件的工作频段内，隔离度大于18dB，损耗小于0.41dB，回波损耗大于18dB，性能指标优良。

图3 仿真电气性能

3 元件与材料选型

集总参数器件的电气性能随温度变化恶化，原因是旋磁铁氧体4πMs随温度变化，电容容值也随温度变化；造成器件中心频率漂移；同时外磁场的变化与4πMs的变化不一致，导致环行状态处于非完全谐振状态。所以元件选型时需全面考虑磁性材料与元件在使用温度范围内对电性能造成的影响。文献[10]指出高场设计的集总参数环行器在匹配电容波动范围很小的情况下，外磁场的温度系数在铁氧体饱和磁化强度4πMs的温度系数值的50%左右就可以获得相对补偿，实现良好的器件温度稳定性，该理论同样适用于低场器件。依据上述分析开展相应的元件和材料选型。

考虑器件使用温度范围内的电性能指标要求，本次器件设计采用饱和磁化强度温度系数-0.3%/℃的石榴石铁氧体材料，锶恒磁选用剩磁温度系数-0.2%/℃的材料。针对使用环境和仿真分析得出电容的材料采用温度系数±30PPM/℃的一类瓷。该器件频率较高，所需电容容量低，为提高电容可靠性采用介电常数15左右陶瓷制作电容。隔离端的电阻阻值波动对器件性能的影响相对较少，设计仿真确定采用温度系数为±200 PPM/℃的氮化铝基板电阻。

4 试验结果

制作了样品进行测试，实测电气性能如图4所示。4.6～4.8GHz范围内驻波比小于1.6，插损小于0.7dB，隔离度大于10dB。器件性能良好，可在通信系统中使用。

图4 器件常温实测性能

针对该类器件最终使用环境开展温度下性能测试，测试结果如表1所示。测试结果表明器件在，器件在-15℃下性能变化小；+105℃下的器件性能变差，但也满足当前用户高温下1dB损耗的要求。

表1 器件在温度下的电性能测试指标

5 结语

本文通过原理分析、仿真设计以及样品试制成功研制出低场小型化集总参数隔离器样品。成功实现低场模式下环行性能，表现出较好的隔离性能，可在通信领域广泛应用。通过理论分析和实际工程经验较为详尽地叙述了集总参数小型化环行器设计的要点，可对从事本行业人员起到一定的指导作用。