高場(chǎng)帶線環(huán)行器溫度補(bǔ)償磁路的設(shè)計(jì)分析

高昌杰 李曉華

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

高場(chǎng)帶線環(huán)行器具有體積小、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，尤其在低頻段，這一優(yōu)勢(shì)更加明顯。在獲得廣泛應(yīng)用的同時(shí)，高場(chǎng)帶線環(huán)行器性能的溫度穩(wěn)定性已成為用戶的關(guān)注熱點(diǎn)，特別對(duì)有源陣列天線和有源相控陣?yán)走_(dá)，所用環(huán)行器的溫度穩(wěn)定性與系統(tǒng)噪聲密切相關(guān)［1-2］。飽和磁化強(qiáng)度參數(shù)存在較大溫漂是鐵氧體材料的固有特性，也是環(huán)行器性能隨溫度產(chǎn)生漂移的重要原因。對(duì)高場(chǎng)環(huán)行器而言，為了提高溫度穩(wěn)定性，可通過減小鐵氧體內(nèi)場(chǎng)Hif，對(duì)溫度升高導(dǎo)致的飽和磁化強(qiáng)度降低進(jìn)行補(bǔ)償［5］。對(duì)普通磁路，飽和磁化強(qiáng)度降低會(huì)使Hif增加，根本不會(huì)產(chǎn)生補(bǔ)償效果。多年來，國(guó)內(nèi)外研究工作者提出了在磁路中增加NiFe 合金片進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)挠行Т胧?-5］，其主要機(jī)理是:利用NiFe 合金材料磁導(dǎo)率隨溫度升高而降低的特點(diǎn)，使磁路中的Hif隨溫度升高而變小。相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)含有NiFe 合金片的磁路設(shè)計(jì)僅限于定性分析和試驗(yàn)，缺乏較準(zhǔn)確的磁路計(jì)算方法。為此，本文將磁路解析計(jì)算與Ansoft HFSS 電磁場(chǎng)仿真相結(jié)合，形成了一種溫度補(bǔ)償磁路的較準(zhǔn)確計(jì)算分析方法，取得了良好的工程應(yīng)用效果。

1 設(shè)計(jì)分析方法介紹

相對(duì)于其它性能參數(shù)，環(huán)行器的插入相移對(duì)溫度變化最為敏感。下文僅以某S 波段高場(chǎng)帶線環(huán)行器插入相移的溫度穩(wěn)定性為例，對(duì)相應(yīng)方法進(jìn)行介紹。

1．1 磁路分析計(jì)算公式推導(dǎo)與修正

整個(gè)環(huán)行器等效磁路框圖如圖1所示。假定磁路各處橫截面面積相等，根據(jù)高斯定理和安培定律，可寫出如下等式:

其中，Bf為鐵氧體磁感應(yīng)強(qiáng)度(Gs);μj為殼體(軛鐵)相對(duì)磁導(dǎo)率;lj為軛鐵磁路長(zhǎng)度;4πMsf為鐵氧體飽和磁化強(qiáng)度(Gs);lf為單片鐵氧體厚度;la0為內(nèi)導(dǎo)體厚度(內(nèi)導(dǎo)體材料相對(duì)磁導(dǎo)率取為1);la1為等效空氣縫隙厚度;4πMsn為NiFe 合金片飽和磁化強(qiáng)度(Gs);ln為NiFe 合金片總厚度;lm為單片磁鐵厚度;:單片磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度(Oe)(由磁鐵退磁曲線確定)。

圖1 環(huán)行器等效磁路框圖

通過進(jìn)一步推導(dǎo)，可得到Bf 的計(jì)算式如下:

于是，可按下式計(jì)算出鐵氧體內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hif:

下面，對(duì)照試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)上述公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。具體試驗(yàn)(未加NiFe 合金片)參數(shù)如下:μj=3000，lj=4mm，4πMsf=1800Gs，lf=0.8mm，la0=0.15mm，la1=0.17mm，ln=0，lm=0.45mm，Hif=1290Oe(通過性能測(cè)試和仿真比對(duì)得到)。將上述相關(guān)參數(shù)代入(2)、(3)式，可求得:Hif=2273Oe，該結(jié)果與試驗(yàn)值有顯著差別，主要原因可能是磁路計(jì)算中未考慮通量損失和磁鐵表面場(chǎng)的不均勻等因素，考慮實(shí)際磁路，應(yīng)使磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度工作點(diǎn)高于Bf，為此，可在(1)、(2)式中“l(fā)m/1.06”項(xiàng)前乘以大于1 的修正因子ηm，得到Bf 的修正計(jì)算公式如下:

通過與實(shí)際試驗(yàn)參數(shù)比對(duì)，適用于本文列舉磁路的ηm=2.038。

1．2 環(huán)行器插入相移對(duì)溫度的敏感度分析

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試和仿真比對(duì)，可知鐵氧體材料的飽和磁化強(qiáng)度參數(shù)在不同環(huán)境溫度下的變化情況如下:常溫為1800Gs，低溫(-40℃)為1980Gs，高溫(70℃)為1680Gs。由(4)、(3)式，可求得不同環(huán)境溫度下Hif 的變化情況(未補(bǔ)償)如下:常溫為1290 Oe，低溫(-40℃)為1189 Oe，高溫(70℃)為1357 Oe。由此可知，在不做補(bǔ)償?shù)那闆r下，隨著溫度升高，Hif會(huì)明顯增加。

由Ansoft HFSS 軟件仿真可知，影響環(huán)行器插入相移穩(wěn)定性的主要參數(shù)是鐵氧體的4πMsf和Hif。為了便于分析設(shè)計(jì)，現(xiàn)通過仿真，可得到不同環(huán)境溫度下的4πMsf和不同Hif與插入相移的對(duì)應(yīng)關(guān)系，相應(yīng)數(shù)據(jù)表格見表1。從中可以看出，在不做補(bǔ)償情況下，由4πMsf和Hif變化引起的插入相移變化規(guī)律如下:低溫——相對(duì)常溫，插入相移變化量約為-49o(高頻);高溫(相對(duì)常溫)，插入相移變化量約為22o(高頻)。此計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試有著很好的一致性。

從表1 還可以看出，環(huán)行器插入相移隨內(nèi)場(chǎng)Hif的變化規(guī)律與高低溫條件下的飽和磁化強(qiáng)度參數(shù)基本沒有關(guān)系;對(duì)較大Hif，Hif每增加10Oe，三個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的插入相移增加量分別為1°、1.4°、2°;對(duì)較小Hif，Hif 每增加10Oe，三個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的插入相移增加量分別為2.4°、3°、5.7°。即:對(duì)較小Hif，相移增量臺(tái)階較大(尤其是高頻點(diǎn))。由此可知，適當(dāng)提高Hif工作點(diǎn)，有助于改善高低溫條件下插入相移變化量隨頻率變化的離散性。

1．3 溫度補(bǔ)償磁路的參數(shù)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，lj38 型NiFe 合金片在高、低溫條件下磁導(dǎo)率參數(shù)變化較大，具有較大范圍的補(bǔ)償調(diào)節(jié)能力。在此，主要針對(duì)lj38NiFe 合金材料研究溫度補(bǔ)償磁路的設(shè)計(jì)問題。具體研究工作分兩步進(jìn)行，首先，根據(jù)初步試驗(yàn)數(shù)據(jù)，反推lj38NiFe 合金材料在高、低溫條件下的磁參數(shù);其次，根據(jù)得到的磁參數(shù)，結(jié)合HFSS 仿真結(jié)果，計(jì)算補(bǔ)償磁路中NiFe 合金片的厚度及相應(yīng)補(bǔ)償效果。

1.3.1 NiFe 合金片磁參數(shù)反推計(jì)算

按如下參數(shù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償試驗(yàn):μj=3000，lj=4mm，lf=0.8mm，la0=0.15mm，la1=0.07mm，ln=0.6mm，lm=0.525mm。測(cè)試得到的高、低溫條件下插入相移變化量如下:常溫～高溫時(shí)三個(gè)頻率點(diǎn)分別為-2°、-4°、-9°;常溫～低溫時(shí)三個(gè)頻率點(diǎn)分別為-3.7°、-2.2°、0°。

常溫下4πMsf=1800Gs，4πMsn=1500Gs，代入(4)、(2)式，可算得Hif=1260Oe。

由表1 可知，當(dāng)高溫下Hif=1225Oe、低溫下Hif=1280Oe 時(shí)，常溫～高溫、常溫～低溫情況下三個(gè)頻率點(diǎn)的插入相移變化量分別為-2°、-4.5°、-9°和-3°、-2°、0°，與試驗(yàn)結(jié)果一致。將上述高、低溫下的Hif值代入(4)、(3)式，可反推得到高、低溫條件下的4πMsn值分別為675Gs 和2500Gs。

1.3.2 各因素對(duì)插入相移溫度穩(wěn)定性的影響關(guān)系分析

利用上述(4)、(2)式及高低溫條件下的相關(guān)材料參數(shù)，結(jié)合HFSS 仿真軟件，可得到各相關(guān)因素對(duì)環(huán)行器插入相移溫度穩(wěn)定性的影響關(guān)系:

a.磁鐵厚度lm的影響

Hif隨磁鐵厚度lm增加的遞增規(guī)律與ln無(wú)關(guān)，僅與工作溫度有關(guān);lm每增加0.01mm，Hif增加量變化范圍分別為:16.2 ～12.4 Oe(低溫)、18.1 ～13.9 Oe(常溫)、19.5 ～15Oe(高溫)。磁鐵愈厚，遞增臺(tái)階愈小。以常溫態(tài)為參考，高溫下Hif隨lm增加而增加，低溫下Hif隨lm增加而減小。也就是說，減小磁鐵厚度，有利于改善插入相移溫度穩(wěn)定性。

b.等效空氣縫隙la1的影響

分析計(jì)算結(jié)果表明，la1對(duì)環(huán)行器插入相移溫度穩(wěn)定性影響很小，可以忽略。

c.NiFe 合金片厚度ln的影響

以常溫為參考，ln每增加0.05mm，低溫條件下Hif相對(duì)增加量約為10 Oe，高溫條件下Hif相對(duì)減小量約為8 Oe。也就是說，ln增大使得低溫條件下相對(duì)相移增大(向“+”變化)，高溫則減小(向“-”變化)。

1.3.3 NiFe 合金片厚度及補(bǔ)償效果計(jì)算

由1.3.1 可以看出，采用0.6mm 厚的NiFe 合金片對(duì)低溫的補(bǔ)償量接近最佳，而對(duì)高溫的補(bǔ)償量偏大。兼顧高、低溫溫漂，通過初步優(yōu)化，在NiFe 合金片厚度ln=0.55mm 時(shí)，可得到接近最佳的插入相移理論補(bǔ)償效果:常溫～高溫時(shí)三個(gè)頻率點(diǎn)變化量分別為0°、-1.4°、-5°;常溫～低溫時(shí)三個(gè)頻率點(diǎn)變化量分別為-4°、-3.4°、-3.4°。相應(yīng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果為:常溫～高溫為-1°、-3°、-6.5°;常溫～低溫為-6°、-5°、-3.5°?？梢钥闯?，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量比較接近，僅在高溫高頻點(diǎn)出現(xiàn)略大偏差。

1．4 溫度補(bǔ)償效果的最佳化措施

從1.3.3 的理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果來看，通過調(diào)節(jié)ln達(dá)到的最佳補(bǔ)償效果仍然不夠理想(低溫補(bǔ)償不足、高溫補(bǔ)償過量)。為了進(jìn)一步減小插入相移溫漂，需采取如下兩方面措施:

提高Hif工作點(diǎn)，對(duì)ln進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。

從上文補(bǔ)償結(jié)果可以看出，通過改善相移偏差的頻率特性，可以減小插入相移溫漂。為此，在1.3.3 的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整等效空氣間隙，將常溫下Hif工作點(diǎn)提高約50 Oe，可得到接近最佳的插入相移理論補(bǔ)償效果如下:常溫～高溫時(shí)三個(gè)頻率點(diǎn)變化量分別為1.2°、-0.3°、-2.5°;常溫～低溫時(shí)三個(gè)頻率點(diǎn)變化量分別為-2.6°、-2.8°、-2.3°。

調(diào)整NiFe 合金材料參數(shù)，使其飽和磁化強(qiáng)度隨溫度變化曲線在工作溫區(qū)內(nèi)出現(xiàn)“上凹”特征。

從上文計(jì)算式(4)可以看出，影響高低溫補(bǔ)償效果的主要參數(shù)是4πMsn，而該參數(shù)在工作溫區(qū)內(nèi)的變化曲線一般會(huì)接近線性(如圖2所示［5］)。計(jì)算分析表明，上述“線性變化”規(guī)律一般會(huì)產(chǎn)生“低溫不足、高溫過量”的補(bǔ)償效果。

圖2 NiFe 合金的Ni 含量、飽和磁化強(qiáng)度與溫度的相互影響關(guān)系示意圖

下面，對(duì)接近理想補(bǔ)償效果的NiFe 合金材料參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。

選取常溫下Hif=1260 Oe，由表1 可以看出，當(dāng)?shù)蜏叵翲if=1285 Oe、高溫下Hif=1250 Oe 時(shí)，可得到最佳補(bǔ)償效果:常溫～高溫時(shí)三個(gè)頻率點(diǎn)變化量分別為2°、1.9°、0.2°;常溫～低溫時(shí)三個(gè)頻率點(diǎn)變化量分別為-2°、-0.6°、1°。利用(4)、(3)式，對(duì)如下兩種情況:低溫下4πMsn由2500Gs 提高至2850Gs、高溫不變;高溫下4πMsn由675Gs 提高至900Gs、低溫不變，通過分別調(diào)整la1 和ln，均可得到滿足上述最佳補(bǔ)償條件的計(jì)算結(jié)果。由此可知，如果能將4πMsn隨溫度變化的“直線”特征調(diào)整成“上凹曲線”，則插入相移補(bǔ)償效果會(huì)得到明顯改善。由圖2 可以看出，實(shí)際NiFe 合金材料的4πMsn隨溫度變化曲線在高溫端會(huì)出現(xiàn)“上凹”特征。為了改善溫漂，可通過調(diào)整Ni 含量，使相應(yīng)“上凹”曲線段進(jìn)入環(huán)行器工作溫區(qū)。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)高場(chǎng)帶線環(huán)行器，提出的計(jì)算分析方法和相關(guān)措施，已在工程實(shí)踐中驗(yàn)證，在某S 波段小型化帶線環(huán)行器的研制中，對(duì)實(shí)現(xiàn)最佳溫度補(bǔ)償磁路起到了較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。該方法可在其它形式的環(huán)行器中進(jìn)行推廣應(yīng)用。為了進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度，還需通過仿真和試驗(yàn)，在充分考慮磁通量損失的基礎(chǔ)上，對(duì)磁路模型進(jìn)行修正和完善。

［1］張軍.有源陣列天線的系統(tǒng)噪聲［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2011，40(1):1-4.

［2］蔡興雨.有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)測(cè)試［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2009，38(2):1-3.

［3］岳峰.帶線環(huán)行器的溫度穩(wěn)定性研究［J］.微波學(xué)報(bào)，2005，21(3):56-61.

［4］陸鵬.鐵鎳合金在鐵氧體帶線環(huán)行器/隔離器溫度補(bǔ)償中的應(yīng)用［C］//論文集編者.第十二屆全國(guó)微波磁學(xué)會(huì)議論文集:95-99.

［5］Thomas Lingel，Numerical studies about the Temperature Compensation of Microwave Circulators，2004 IEEE MTT-S Digest.