5×5集总参数环行器的设计

2023-01-10杨春雷徐晶晶

机械制造与自动化 2022年6期

杨春雷，徐晶晶

(1.南京机电职业技术学院电子工程系，江苏南京211135；2.北京航天微电科技有限公司南京分公司，江苏南京 210012)

0 引言

环行器自20世纪50年代问世以来，一直是微波系统的重要组成部分，保证了微波电路的发射和接收部分之间的隔离。由带线环行器理论可知，结环行器内旋磁铁氧体圆片半径R与工作波场λ成正比。这就意味着频率越低，铁氧体半径R越大。为了缩小体积，集总参数环行器应运而生[1]。

1965年，KONISHI提出了一种用铁氧体代替普通Y带线环行器中心导体网格结构的集总元件Y型环行器，并提出了铁氧体的电势能和张量磁导率随带宽、插入损耗和温度的变化关系理论。1995年，TARO Miura采用铁氧体与内导体共烧的方法，研制出了6 mm×6 mm×3 mm的圆环形管环行器，在800 MHz时插入损耗为0.7 dB。20世纪末，日本TDK公司率先推出了适合表面贴装的超小型环行器/隔离器，最新产品已经达到了2.2 mm×2.2 mm×1 mm。到目前为止，国内产品还没有达到此水平[2]。

1 环行器设计原理

1.1 环行器基本原理

如图1所示，从环行器1端口输入的微波信号只会按照1端口到2端口再到3端口的方向单向传输，不会逆向传输。环行器单向传输的原理，是由于采用了铁氧体旋磁材料。这种材料在外加高频波场与恒定直流磁场共同作用下，产生旋磁特性(又称张量磁导率特性)。这种旋磁特性，使在铁氧体中传播的电磁波发生极化的旋转(法拉第效应)以及电磁波能量强烈吸收(铁磁共振)。利用这个旋磁现象，可以制作出结型隔离器、环行器[3]。

图1 环行器环行方向示意图

1.2 环行器结构

集总参数式环行器实际上是一个非互易微波器件,它的基本结构是由3个电感器互成120°角,彼此交叉绝缘,置于两片高频铁氧体之间或置于一片铁氧体之上。只要在其三端各接上合适的电容器,在外加直流磁场的轴向磁化下产生旋磁效应,电感之间产生非互易耦合,在理想的情况下旋转对称构成环行器,其环行方向与磁化方向有关。如在第3端口接上匹配负载就成为通常的隔离器。集总参数环行器一般在高场区共振点以上工作，分为并联谐振和串联谐振两种形式。目前主流的集总参数环行器有两种结构：平衡型和不平衡型。平衡型采用两片铁氧体，结构如图2所示；不平衡型只有一片铁氧体，结构如图3所示。

图2 印制电路板平衡型

图3 电感条编网不平衡型

图3展示了金属电感条的结构及编织方法和腔体结构，这种方法工艺简单，采用1片铁氧体、3个电感条互成120°角将内导体包围其中，电感条中间用绝缘膜隔开，形成导体-绝缘膜-导体-绝缘膜-导体叠层网状电感结构。三端口处的并联电容C1、C2、C3可以用微型电容压接在内导体上，有利于小型化设计。一般而言，并联电容C1=C2=C3，这里的微小差别是由于编网结构叠层不对称所致，用C1、C2、C3的不一致来调整网状结构不对称，以达到三端性能对称。此外采用导磁腔体与导磁盖板将内部堆叠的片状器件进行封闭式一体安装，不仅能提高环行器的磁路闭合能力，也减小了环行器的体积；另一方面采用整体印刷板和独立焊盘的结构，大大提高了焊接的可靠性，也能增加产品的集成度，实现小型化。

在图3所示结构的3个端口加上并联电容后，就可以得到理想环行器的两个条件：

(1)

(2)

其中：μe为有效磁导率；L0为非互易归一化电感值。

(3)

(4)

(5)

(6)

对于20 dB隔离度，相当于|r|=0.1，Z0为环行器端口阻抗，可以看出调整电容C和电感L可以改变环行器的中心频率。环行器中，电感L由下式计算：

(7)

进而可以确定网状电感L。

1.3 环行器材料选择

微波铁氧体材料的研制已经到了成熟阶段并广泛应用到各种微波铁氧体器件中。根据使用频率、承受功率、器件插入损耗、带宽和温度稳定性等要求选用不同参数性能的铁氧体材料。例如，饱和磁矩MS高的材料，可适用于高频段工作，共振线宽△H窄的材料适用于低频低场工作及宽频带设计；居里温度TC高的材料，适应于高平均功率下使用，温度系数αT低的材料有利于宽温条件下使用；对小损耗低功率器件宜选用△Heff小的材料；自旋波线宽△Hk高的材料用于高峰值功率的条件。材料电损耗tanδ大都等于10-4量级，比起磁损耗要小一个数量级，所以它对器件损耗影响不大[4]。本文选取了饱和磁矩为800 Gs的石榴石铁氧体，△H约为15 Oe，介电常数εr为14.2。

磁路补偿的主要原理是在磁路中串或并上温度系数较大的磁补偿合金片,在一定的温度范围内,使外磁场的变化同材料的4πMS变化一致。1J30是一类低居里温度合金,其突出特点是在居里温度以下,磁感值随温度升高而急剧减小,并几乎呈现线性关系。此外作为环行器核心的铁氧体材料的饱和磁矩4πMS通常情况下有负温度系数的特征，所以工作在高场区的带线环行器常用和铁氧体材料相类似的负温度系数的锶钙恒磁体作为内置工作场。外加磁场一般使用锶钙铁氧体恒磁，它的温度系数平均为-0.18%℃左右，比材料的4πMS变化小,从而影响器件性能变化。

2 仿真与测试结果

2.1 HFSS仿真方法及结果

图4是本器件的仿真模型，本模型编织网状电感条L宽为0.21 mm，并联电容C值约为2.5 pF，3个独立的互感条交叉120°，相互间用绝缘介质隔开，间距0.01 mm。铁氧体尺寸为2.2 mm×3 mm×0.22 mm，4πMS=800 Gs，在Hi=6.1 kA/m的内磁场作用下，得到图5和图6的仿真结果[5]。

图4 仿真模型及场强分布图

图5 HFSS仿真S参数图

图6 HFSS仿真Smith圆图

由图5可知，1 805 MHz～1 880 MHz范围内驻波隔离度均达到-19.6 dB，插入损耗均<0.36 dB，回波损耗S11、S22和隔离度S21具有良好的一致性。由图6的 Smith曲线图可知，此时曲线是围绕匹配点1的圆弧，说明在此频段内，环行器的整个阻抗匹配是比较好的。

2.2 实验测试结果

1)常温测试结果

如图7所示，在网络分析仪上实际测得的指标与仿真结果相差无几，在1 805 MHz～1 880 MHz的通带范围内，回波损耗可以达到-18 dB以下，隔离度达到-19 dB以下，常温插入损耗在0.4 dB左右，通过调节并联电容的大小可以使器件获得良好的一致性。

图7 网分实测S参数图

2)高低温测试结果

本器件通过1J30合金片进行温度补偿，其温度在-40 ℃～+115 ℃的范围内具有良好的稳定性。图8是基于大量实验数据下得出的器件在该温度范围内与常温状态相比较的最大插入损耗变化度。通常情况下在0.2 dB左右，即在-40 ℃～+115 ℃的温度范围内插入损耗最大值为0.6 dB左右。图9显示了在-40 ℃～+115 ℃的温度范围内回波损耗的最大值在-16 dB左右，与常温相比变化了2 dB～5 dB。本器件带宽较窄，旋磁材料饱和磁矩随温度的变化对环行器特性参数影响很大，主要是因为温度的变化引起中心频率的飘移[6]。因此追踪曲线的中心频点1 842 MHz点，在-40 ℃～+115 ℃的温度范围内中心频率变化控制在25 MHz以下，证明其具有良好的温度稳定性。