X波段波導(dǎo)環(huán)形器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊現(xiàn)志，葛俊祥，李 浩，汪 潔

(南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象探測與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044)

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工程與應(yīng)用

X波段波導(dǎo)環(huán)形器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊現(xiàn)志，葛俊祥，李 浩，汪 潔

(南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象探測與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044)

為滿足某X波段船舶導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)了一種部分高度雙三角形鐵氧體中心結(jié)形式的波導(dǎo)環(huán)形器。在設(shè)計(jì)過程中，采用三角形阻抗變換器和三螺釘匹配器來實(shí)現(xiàn)環(huán)形器的阻抗匹配，利用商業(yè)軟件HFSS對(duì)環(huán)形器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化，最終加工出實(shí)物并進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，在9.1 GHz～10.5 GHz范圍內(nèi)，該環(huán)形器插入損耗小于0.3 dB，隔離度大于20 dB，駐波小于1.25，整體指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求，目前已成功應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)中。

波導(dǎo)環(huán)形器；X波段；鐵氧體；阻抗變換器

0 引 言

由旋磁鐵氧體樣品制作的環(huán)形器作為雷達(dá)天線的收發(fā)隔離，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的天線共用[1-3]。X波段雷達(dá)，許多采用脈沖磁控管做發(fā)射機(jī)，其峰值功率和平均功率較大。波導(dǎo)結(jié)環(huán)形器和差相移式環(huán)形器都能滿足承受較大功率的要求，但是與差相移式環(huán)形器相比，波導(dǎo)結(jié)環(huán)形器能夠大大減小器件的體積，減輕器件的重量，特別是節(jié)約了鐵氧體樣品材料的使用，從而降低了成本?；谝陨峡紤]，本文設(shè)計(jì)了三端口波導(dǎo)結(jié)環(huán)形器。

為實(shí)現(xiàn)較好的阻抗匹配，本文采用了波導(dǎo)內(nèi)H面減高的結(jié)環(huán)結(jié)構(gòu)，對(duì)稱三端口波導(dǎo)的中心處的鐵氧體設(shè)計(jì)為正三角形。為實(shí)現(xiàn)環(huán)形器的寬頻帶，采用了在鐵氧體樣品處分別加載三角形金屬匹配片，以構(gòu)成一個(gè)阻抗變換器；同時(shí)，在環(huán)形器的三個(gè)端口各加一個(gè)匹配螺釘，有效調(diào)節(jié)三端口的匹配。該環(huán)形器體積相對(duì)較小，功率容量大，性能優(yōu)良，并成功應(yīng)用于研發(fā)的X波段船舶導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)中。

1 環(huán)形器的設(shè)計(jì)

1.1 鐵氧體材料的選擇

鐵氧體材料決定了環(huán)形器的功率容量和損耗特性。影響環(huán)形器性能的鐵氧體材料的主要參數(shù)有飽和磁化強(qiáng)度4πMs、鐵磁共振線寬ΔH、自旋波線寬ΔHK、居里溫度TC等，其中最重要的參數(shù)是飽和磁化強(qiáng)度4πMs。在低場設(shè)計(jì)時(shí)，通常按式(1)選取4πMs[4]。

(1)

式中，p為歸一化磁矩;γ為旋磁比;f0為工作頻率。為使環(huán)形器獲得較寬的工作帶寬，p應(yīng)選擇較大的取值，另外為避免低場損耗，p的取值又不能過高。同時(shí)為了提高器件承受峰值功率容量，本器件的設(shè)計(jì)采用了飽和磁化強(qiáng)度為2100Gs的鐵氧體材料。

1.2 鐵氧體的尺寸

理想的三端口波導(dǎo)環(huán)形器的設(shè)計(jì)概念基于散射矩陣以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[5-8]?？紤]到器件需要承受較高的峰值功率和平均功率，環(huán)形器采用BJ100標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其腔體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 環(huán)形器腔體結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)較好的阻抗匹配，本文采用了波導(dǎo)內(nèi)H面減高的結(jié)環(huán)結(jié)構(gòu)，三端口中心結(jié)設(shè)計(jì)成部分高度兩片上下對(duì)稱的三角鐵氧體樣品形式，并且使鐵氧體樣品等邊三角形每一角的頂點(diǎn)均對(duì)準(zhǔn)環(huán)形器的三個(gè)輸入輸出端口正中。這種結(jié)構(gòu)能夠有效減小鐵氧體樣品的尺寸，利于散熱和減小外加磁場。

所述波導(dǎo)環(huán)形器工作于TM模式[9,10]。由于鐵氧體的相對(duì)介電常數(shù)εr=9～16?1，因此三角形鐵氧體的邊界面可近似處理為磁壁。圖1中的鐵氧體樣品，其形狀是正三角形，這種部分高度三角形鐵氧體的諧振頻率為[11]：

(2)

式中，A為三角形鐵氧體的邊長，h為三角形鐵氧體的厚度，m=1，n=-1，p=1，μeff、εγ分別為鐵氧體的有效磁導(dǎo)率和有效介電常數(shù)。因此三角形鐵氧體樣品的諧振頻率主要由其邊長A和厚度h決定。

鐵氧體結(jié)可以看成諧振電路，其結(jié)阻抗很低，約為十歐；而空波導(dǎo)的特性阻抗一般很高，約為百歐。因此想要獲得較寬的頻帶，需要實(shí)現(xiàn)鐵氧體結(jié)與空波導(dǎo)的寬帶匹配，本文采用三角形金屬阻抗變換器進(jìn)行匹配。這種阻抗變換器是脊寬逐漸減小的雙脊波導(dǎo)，其楔形結(jié)構(gòu)的作用可理解為一漸變匹配變換器，利于增加帶寬。

對(duì)于B和C類型乘客，無法直觀確定其下車站點(diǎn)，可以采用概率的方法求得在各個(gè)站點(diǎn)下車的概率，選取概率最高者為其下車站點(diǎn)，B類型乘客存在歷史相似出行記錄，因此其概率是站點(diǎn)上車次數(shù)與線路乘坐次數(shù)的比值；C類型乘客，出行鏈較為殘缺，沒有歷史出行記錄，因此其概率算法為類型乘客在站點(diǎn)i上車，則在該線路下行站點(diǎn)j…n下車的概率為乘客乘坐該線路在各站點(diǎn)的上車次數(shù). C類型乘客在站點(diǎn)i上車，則在該線路下行站點(diǎn)j…n，下車的概率該站點(diǎn)上車人數(shù)，為該站點(diǎn)所有下游站點(diǎn)的上車總?cè)藬?shù).

三角形金屬阻抗變換器的尺寸決定了波導(dǎo)與鐵氧體共振子之間的匹配作用，通過調(diào)整三角形阻抗變換器尺寸，可以使輸入波導(dǎo)內(nèi)的功率盡可能完全傳輸?shù)借F氧體共振子，從而達(dá)到寬帶的匹配效果。

由此，可以對(duì)鐵氧體樣品和三角形阻抗變換器尺寸進(jìn)行初步計(jì)算，方便后面的設(shè)計(jì)使用。

1.3 外加磁場的選擇

在鐵氧體材料已經(jīng)選定，環(huán)形器結(jié)構(gòu)初步確定后，需要選擇合適的外加偏置磁場H0使鐵氧體樣品接近飽和，然后適當(dāng)?shù)恼{(diào)整磁場大小使環(huán)形器達(dá)到最佳環(huán)形性能。鐵氧體內(nèi)場Hi為：

Hi=H0-Nz4πMs

(3)

式中，Nz為退磁因子，其值取決于鐵氧體樣品的形狀、磁化方向。

該環(huán)形器為低場器件，此時(shí)Hi=0。因此，H0=Nz4πMs為外加偏置磁場的大小。

2 仿真與測試

圖2 環(huán)形器模型示意圖

考慮到在實(shí)際應(yīng)用中，為方便與發(fā)射機(jī)以及接收機(jī)部分連接，本文將Y結(jié)環(huán)形器的兩個(gè)臂與H面波導(dǎo)彎頭連接，從而設(shè)計(jì)為T-Y結(jié)構(gòu)。這樣可以使環(huán)形器結(jié)構(gòu)更加緊湊以及在安裝分路系統(tǒng)時(shí)，不必在Y型波導(dǎo)環(huán)形器外接150°波導(dǎo)彎頭。

設(shè)計(jì)中采用的是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，本文在環(huán)形器三端口正中各加一個(gè)調(diào)諧螺釘，構(gòu)成三螺釘匹配器。在實(shí)物測試中，通過該三螺釘匹配器可以有效調(diào)節(jié)三端口的匹配，減少加工誤差的影響，并進(jìn)一步拓展帶寬。

顯然，波導(dǎo)彎頭引起的不連續(xù)性以及三螺釘匹配器的引入對(duì)環(huán)形器性能有影響，因此將上述的改變加入器件模型進(jìn)行優(yōu)化仿真，得到了合適的尺寸。

圖3～5為在HFSS中進(jìn)行仿真優(yōu)化后的結(jié)果。從圖中可以看出，在9.1 GHz～10.5 GHz頻段內(nèi)，該環(huán)形器的三端口性能均較好，由于引入了波導(dǎo)彎頭造成了不對(duì)稱性，三個(gè)端口之間有少許差異。

圖3 環(huán)形器的插入損耗(仿真)

圖4 環(huán)形器的隔離度(仿真)

圖5 環(huán)形器的駐波比(仿真)

按照仿真優(yōu)化的結(jié)果，加工出實(shí)物(如圖6所示)。為方便環(huán)形器的定位裝配和快速調(diào)試，本文將圖1中的小臺(tái)階設(shè)計(jì)為與鐵氧體樣品同形狀0.05 mm的凹進(jìn)。裝配完成后，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent E8363C進(jìn)行測試。

圖6 環(huán)形器加工實(shí)物圖

圖7～9為實(shí)物測試的結(jié)果。結(jié)果表明，該環(huán)形器性能優(yōu)良，在9.1 GHz～10.5 GHz頻段內(nèi)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求(插入損耗<0.3 dB，隔離度>20 dB，VSWR<1.25)。由于加工以及鐵氧體裝配誤差，測試結(jié)果與仿真結(jié)果有一定的差異。

圖7 環(huán)形器的插入損耗(測試)

圖8 環(huán)形器的隔離度(測試)

圖9 環(huán)形器的駐波比(測試)

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種X波段波導(dǎo)環(huán)形器，該環(huán)形器采用三角形阻抗變換器進(jìn)行阻抗匹配，并且使用了三螺釘匹配器，調(diào)節(jié)加工以及裝配誤差引起的端口不匹配。仿真和測試結(jié)果表明，在9.1 GHz～10.5 GHz 頻率范圍內(nèi)，性能優(yōu)良，并且加工裝配較為方便，能較好地滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

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Design and Implementation of an X-band Waveguide Circulator

YANG Xian-zhi, GE Jun-xiang, LI Hao, WANG Jie

(Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)

A waveguide circulator is designed in order to meet the requirements of an X-band marine navigation radar system, which uses two partial height triangular ferrite posts. In the process of design, triangular impedance transformer and three screws tuner were adopted to realize the impedance matching, and commercial software HFSS was used for structure simulation and optimization. The circulator was fabricated and measured finally, and the test results show that the insertion loss is less than 0.3 dB, the isolation is more than 20dB and the VSWR is less than 1.25 within a rather wide frequency band from 9.1 GHz to 10.5 GHz. All the indexes are sufficient for the requirements of the system and the circulator has been applied in radar system successfully.

waveguide circulator; X-band; ferrite; impedance transformer

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.06.018

2016-08-30

2016-10-30

國家自然科學(xué)基金(61372066)；江蘇省雙創(chuàng)團(tuán)隊(duì)人才計(jì)劃(SRCB201526)；南京市“321”領(lǐng)軍人才基金資助項(xiàng)目

：A

1673-5692(2016)06-659-04

楊現(xiàn)志(1989—)，男，河南人，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄆ骷c電路；

E-mail：gzxianzhiyang@sina.cn

葛俊祥(1960—)，男，浙江人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡姶艌隼碚摗⑽⒉ê撩撞ɡ碚撆c技術(shù)、天線理論與技術(shù)、雷達(dá)系統(tǒng)等；

李 浩(1991—)，男，江蘇人，主要研究方向?yàn)楹撩撞娐放c系統(tǒng)；

汪 潔(1988—)，男，河南人，主要研究方向?yàn)樘掌澊髿鈧鬏?、天線理論與設(shè)計(jì)。