X波段超薄寬帶小型化環(huán)形器的設(shè)計*

張麗君，汪曉光

（電子科技大學(xué)，四川 成都 611731）

0 引 言

現(xiàn)代通信行業(yè)的社會現(xiàn)代化發(fā)展給當(dāng)今人們帶來了極大的方便，在通信系統(tǒng)中作為收發(fā)、隔離、開關(guān)等作用的環(huán)行器有著非常重要的作用和不可或缺的地位。通信技術(shù)在不斷發(fā)展和進(jìn)步，對于環(huán)行器也提出了更高的要求。微波鐵氧體環(huán)行器向著小型化、寬頻帶、大功率的方向發(fā)展。在保證環(huán)行器高性能的基礎(chǔ)上，還要求做到寬頻帶、小型化、超薄的結(jié)構(gòu)，是本文研究的重點和難點。

1 帶狀線Y結(jié)構(gòu)

如圖1所示，帶線結(jié)環(huán)行器的基本結(jié)構(gòu)是一組三個互成120°的中心導(dǎo)體、鐵氧體圓片分別在導(dǎo)體的上下兩層，外加磁場HO加在垂直于鐵氧體的方向。

圖1 帶線結(jié)環(huán)行器

2 環(huán)行器的環(huán)行條件

2.1 電磁場的傳輸理論

帶狀線中只傳輸TEM模，其電場強(qiáng)度E垂直于中心導(dǎo)體，即z方向，磁場強(qiáng)度H平行于中心導(dǎo)體，并且垂直于傳播方向，即φ方向[1]。根據(jù)磁場強(qiáng)度方程和麥克斯韋方程，求得磁場分量為：

從方程式中可見，鐵氧體圓盤中存兩種圓極化波，其對應(yīng)的磁導(dǎo)率分別為u右,左=u±k，其中

2.2 環(huán)行條件

假定鐵氧體圓片與三個端口是處于非耦合狀態(tài)，φ=0，此種情況下沒有帶線饋線連接中心結(jié)，那么就沒有電流從中心導(dǎo)體的邊緣沿徑向r流動。因此將r=R，Hφ=0帶入方程（1），可以得到下面兩個方程式：

當(dāng)基模n=1,方程變?yōu)椋?/p>

由零階貝塞爾函數(shù)和二階貝塞爾函數(shù)導(dǎo)出以下關(guān)系：

方程（6）中，x1,1表示一階貝塞爾函數(shù)的第一個正根，當(dāng)k/u=0，鐵氧體未磁化時，一對旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)模為簡并，也就是環(huán)行器的第一環(huán)行條件，如圖2（a）所示。當(dāng)k/u≠0，鐵氧體磁化時，如圖2（b）所示，兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)模的兩個共振模的共振頻率開始分裂成f+右旋共振模頻率和f-左旋共振模頻率[2]。

當(dāng)鐵氧體圓片未磁化即Hi=0時，鐵氧體圓片呈現(xiàn)各項同性k/u=0，這時從1端口輸入的電磁波在2、3端口得到的駐波場型相同，電壓相等。

當(dāng)鐵氧體的軸向加上恒穩(wěn)磁場Ho，即Hi≠0時，自一端口輸入的線極化波就要分裂成一個右旋“+”模和一個左旋“-”模，隨著恒穩(wěn)磁場Ho的增加，鐵氧體的各向異性增加[3]。兩個相反方向旋轉(zhuǎn)的旋性模合成后的高頻磁場的極化方向就偏離而旋轉(zhuǎn)30°，在合適的外加磁場下，駐波場型的最小點波節(jié)正好處在3端口上，而駐波場型的最大點波腹處在2端口。

圖2 環(huán)行器的場分布

3 環(huán)行器的設(shè)計

3.1 環(huán)行器的尺寸設(shè)計

圖3表示帶線所對的弧度角為2φ，其關(guān)系式如下：

圖3 帶線中心導(dǎo)體所對的弧度角為2φ

帶線結(jié)環(huán)行器結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 帶線結(jié)環(huán)行器結(jié)構(gòu)

W是中心導(dǎo)體的寬度，R是鐵氧體圓盤半徑的大小[4]。滿足式（8）：

鐵氧體半徑的公式為：

其中，λ為工作頻率自由空間波長：

外加匹配段的長度大小為：

中心導(dǎo)體的厚度公式為：

小Y的長度公式為[5]：

鐵氧體材料的飽和磁矩大小為2 200 guass，相對介電常數(shù)為13，陶瓷材料的相對介電常數(shù)為2.1，電損耗角正切tanδ為0.000 1。通過以上公式和材料的屬性計算中心導(dǎo)體尺寸的大小，主要尺寸見表1。

表1 主要尺寸大小

3.2 阻抗匹配展開帶寬

但是對于超薄的器件來說，厚度受到限制。當(dāng)改變厚度大小，則電磁場在鐵氧體中的傳輸也會受到極大的影響，改變了法拉第旋轉(zhuǎn)角度。在保證環(huán)行器的厚度在2 mm以內(nèi)，又可以實現(xiàn)全頻帶和高性能，實現(xiàn)的方法是在有限的體積中采用多種匹配方法。如圖5所示，除了雙Y匹配和外加一級λ/4匹配段之外，再采用中心處開槽和中心導(dǎo)體加圓弧的匹配方法。

圖5 雙圓弧匹配

分別在中心導(dǎo)體的三個分支上加很窄的圓弧，每個圓弧的作用相當(dāng)于并聯(lián)一段開路線，并且每個圓弧貼在鐵氧體外環(huán)，距離最外環(huán)有0.1 mm的距離。

采用雙圓弧匹配的方法，利用的是雙支節(jié)匹配器理論，中心結(jié)開槽匹配見圖6。支節(jié)匹配器是用一定長度的終端短路或開路的均勻傳輸線段接入負(fù)載與傳輸線之間來實現(xiàn)匹配的裝置。雙支節(jié)匹配器就是在距離負(fù)載l處和d處分別并聯(lián)或串聯(lián)長度為a1、a2的終端短路或開路的短截線構(gòu)成。使得支節(jié)接入處的左面主線上為行波狀態(tài)，當(dāng)其右面和支節(jié)線上均為駐波。采用中心結(jié)開槽匹配的方法主要改變小Y和大Y的間距，從而對于雙Y匹配起到了微調(diào)的作用。

圖6 中心結(jié)開槽匹配

圖7 是不同圓弧長度的駐波系數(shù)圖，從圖7中可以看出不同的圓弧長度下對應(yīng)不同的駐波系數(shù)，而且駐波系數(shù)對于尺寸大小比較敏感。綜合帶寬和駐波系數(shù)的大小，可見當(dāng)圓弧的長度為2.0 mm時性能最好。

圖7 不同圓弧長度的駐波系數(shù)

圖8 是中心導(dǎo)體未切角和切角的駐波對比圖。當(dāng)中心有切角的時候，對于駐波系數(shù)和帶寬存在比較大的改變，可見，此時也改變了中心導(dǎo)體處的阻抗以及電磁場的傳輸。

圖8 中心切角和未切角的駐波系數(shù)對比

4 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)上面的理論分析、尺寸計算以及四種匹配方法得到了最終的環(huán)行器的模型，如圖9所示。采用了四種阻抗匹配，實現(xiàn)了整體厚度為1.8 mm的超薄結(jié)構(gòu)。通過HFSS中仿真，得到的環(huán)行器的性能指標(biāo)如圖10所示，其中S31代表的是環(huán)行器的插入損耗，S21代表的是隔離，S11代表的是反射，可以看出，在7～14 GHz的范圍內(nèi)，S11和S13均小于-15 dB，S12大于-0.32 dB。

圖9 環(huán)行器模型

圖10 環(huán)行器的S參數(shù)

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種X波段超薄寬帶小型化環(huán)行器，在保證整體模型厚度小于2 mm的基礎(chǔ)上，采用了四種匹配方法展開帶寬，分別是雙Y匹配、結(jié)外一級匹配、結(jié)內(nèi)圓弧匹配、中心結(jié)切角匹配的方法。通過在HFSS中的仿真，最終實現(xiàn)了7～14 GHz全頻帶，插入損耗大于-0.32 dB，回波損耗和隔離系數(shù)小于-15 dB的性能指標(biāo)。