X波段滿帶小型化微帶環(huán)行器設(shè)計(jì)*

劉水平，汪曉光

（電子科技大學(xué)，四川 成都 611731）

0 引 言

在無線通信領(lǐng)域，微波通信技術(shù)起著非常關(guān)鍵的作用。上個(gè)世紀(jì)，隨著鐵氧體的發(fā)現(xiàn)，人們在微波通信技術(shù)上取得了重大的突破，鐵氧體是一種磁性材料，利用其旋磁特性以及非線性效應(yīng)，可以制作出環(huán)行器，隔離器等器件[1-2]。

環(huán)行器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在軍工、民用等領(lǐng)域都扮演著重要的角色，例如雷達(dá)，衛(wèi)星通信，醫(yī)療等方面。

Milano U 等人[3]編寫的關(guān)于帶線Y結(jié)環(huán)行器的文章，對環(huán)行器的理論分析有著很大的啟迪意義。1964年，Bosma闡述了環(huán)形帶狀線y環(huán)行器邊值問題的簡化，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果近似求解[4]。

隨著微波技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，器件越來越趨向于小型化、高集成度。微帶結(jié)環(huán)行器與其他環(huán)行器相比，具有小體積、低成本、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，在微波集成電路方面應(yīng)用十分廣泛[5]。X頻段在空間應(yīng)用方面有空間研究、廣播衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、地球探測衛(wèi)星等用途。雨衰減對X頻段的信號(hào)傳輸有一定的影響。因此，X波段微帶環(huán)行器的研究具有非常大的實(shí)用意義。

1 微帶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

微帶線是一種平面?zhèn)鬏斁€[6]，它易于其他的有源和無源的微波器件集成。它的結(jié)構(gòu)如圖1所示。寬度為W的導(dǎo)體印制在薄的、厚度為d、相對介電常數(shù)為εr的接地電介質(zhì)基板上。

圖1 微帶線結(jié)構(gòu)

微帶線的有效介電常數(shù)可以等效為一個(gè)均勻介質(zhì)的介電常數(shù)，其等效公式如下：

這個(gè)均勻介質(zhì)代替了微帶線的電介質(zhì)與空氣兩個(gè)部分。

2 微帶環(huán)行器的設(shè)計(jì)

2.1 環(huán)行器的工作原理

三端口環(huán)行器的工作原理圖如圖2所示。

圖2 環(huán)行器工作原理

信號(hào)從2端口輸入，從1端口輸出，3端口為隔離端口，沒有信號(hào)輸出，但是若1端口作為輸入端口時(shí)，3端口是輸出端口，2端口沒有信號(hào)輸出，因此環(huán)行器可以實(shí)現(xiàn)單向傳輸。

由圖3（a）可見，鐵氧體未磁化時(shí)，端口2與端口3的場型相同，電壓相等；由圖3（b）可見，鐵氧體磁化時(shí)，1端口與2端口的場型相同，切割磁力線相同，電壓相等，而3端口與磁力線平行，沒有耦合，電壓為零。此時(shí)1端口與2端口為環(huán)行器的傳輸端，3端口為隔離端。

圖3 環(huán)行器的場分布

2.2 微帶環(huán)行器

帶線結(jié)環(huán)行器是目前理論研究最完善的一種結(jié)環(huán)行器，帶線結(jié)環(huán)行器的電磁場理論基本上是基于Bosma、Fa和Comstock等人的理論研究。目前沒有微帶結(jié)環(huán)行器的理論，所以微帶環(huán)行器的設(shè)計(jì)方法是沿用帶線結(jié)環(huán)行器的基本理論。

根據(jù)帶線結(jié)環(huán)行器的理論，可以得到鐵氧體圓片的半徑R：

在式（2）中，λ為工作頻率的自由空間波長，εr為鐵氧體的相對介電常數(shù)，μe=(μ2-k2)/μ。

由環(huán)行器的有載QL，鐵氧體內(nèi)部存儲(chǔ)的能量與總的功率耦合到微帶線之間的關(guān)系可以導(dǎo)出共振腔的有載QL值及鐵氧體圓片的厚度d：

若在環(huán)行器中沿鐵氧體圓片軸向加上穩(wěn)恒磁場HO后，各向異性k/μ會(huì)隨著HO的增大而增大，簡并模便開始分裂，在頻帶的中心頻率上，一對旋轉(zhuǎn)方向相反的“+”，“-”的模，它最終合成的場型將會(huì)旋轉(zhuǎn)30度。所以，環(huán)行器的相對帶寬2δ與鐵氧體結(jié)的QL關(guān)系如下：

在較小的分裂情況下，該分裂模，可以近似為線性。所以可以得到鐵氧體結(jié)的QL與各向異性k/μ的近似關(guān)系：

一般情況下，k/μ的值可以取0.25～0.5這個(gè)范圍，該關(guān)系在低場區(qū)與髙場區(qū)比較適合。

根據(jù)Bosma定義的反射系數(shù)γ小于等于0.1，即駐波系數(shù)ρ等于1.22，也就是隔離為20 dB時(shí)，環(huán)行器的相對帶寬為：

由式（6）可見，環(huán)行器的相對帶寬是與k/μ成正比的，若要獲得大帶寬，k/μ的值需要取得大一些，但是不能太大，因?yàn)殍F氧體有鐵磁共振區(qū)，k/μ取得太大了會(huì)接近鐵磁共振區(qū)，這樣會(huì)引起環(huán)行器的損耗增大。

微帶環(huán)行器可以采用兩種方法來制作，采用較多是全鐵氧體基片的微帶結(jié)環(huán)行器，另外一種是在基片內(nèi)嵌入鐵氧體結(jié)。

全鐵氧體基片環(huán)行器的Kc比陶瓷介質(zhì)匹配環(huán)的基片低，從而有利于小型化，同時(shí)其具有較高的介電常數(shù)，可以縮短匹配段的長度，有助于小型化。

2.3 雙Y結(jié)中心導(dǎo)體

對于寬帶環(huán)行器，中心導(dǎo)體用的較多的是雙Y結(jié)，在沒有外接匹配電路情況下，帶寬比Y結(jié)中心導(dǎo)體要寬。雙Y結(jié)中心導(dǎo)體如圖4所示，雙Y結(jié)的中心點(diǎn)處的場強(qiáng)為零。

圖4 雙Y結(jié)中心導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖

由雙Y結(jié)的中心點(diǎn)到小Y的端點(diǎn)可以看做是一段λ/4開路線。不加小Y時(shí)，環(huán)行器輸入阻抗為并聯(lián)諧振，用GR1、L1、C1表示；加入小Y時(shí)，小Y的并聯(lián)回路用L2、C2表示。因此，總的等效電路如圖5所示。

圖5 雙Y結(jié)構(gòu)等效電路

小Y的電抗網(wǎng)絡(luò)可以補(bǔ)償輸入阻抗的頻散，增加環(huán)行器的帶寬，這就是雙Y結(jié)的結(jié)內(nèi)加抗原理[5]。

2.4 三角形鐵氧體的選擇

為了提高環(huán)行器的性能，人們嘗試了許多方法，包括在鐵氧體的形狀的選擇方面。

如圖6所示，三角形鐵氧體的面心與波導(dǎo)結(jié)的面心重合，三角形的三個(gè)頂點(diǎn)分別與三個(gè)端口的寬邊的中點(diǎn)構(gòu)成一條直線，此時(shí)可以將三角形鐵氧體近似的看作漸變匹配變換器。

當(dāng)鐵氧體未飽和磁化時(shí)，它的非互易性比較弱，但是在理論上，使用滿高度的三角形鐵氧體柱的環(huán)行器的帶寬是使用滿高度的鐵氧體圓柱的環(huán)行器的兩倍[7]。同時(shí)，三角形鐵氧體諧振腔的輻射損耗小，有更高的無載Q值。

圖6 三角形鐵氧體柱Y結(jié)波導(dǎo)環(huán)行器橫截面圖

3 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)上面的理論分析，本文的X波段的微帶環(huán)行器選擇的鐵氧體的形狀為三角形柱，如圖7所示。

圖7 X波段微帶環(huán)行器示意圖

為了滿足實(shí)際的應(yīng)用需要，本文將環(huán)行器的1端口與2、3端口設(shè)置在同一個(gè)方向上以便于集成。

根據(jù)環(huán)行器的相關(guān)理論計(jì)算出鐵氧體、雙Y結(jié)中心導(dǎo)體、匹配段的大小、位置以及介質(zhì)基板的大小和相關(guān)參數(shù)，其中鐵氧體的相對介電常數(shù)與介質(zhì)基板的保持一致，建好模型后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到最終結(jié)果如圖8所示。

圖8 環(huán)行器仿真結(jié)果圖

圖8 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，由圖8（a）以及圖8（b）可以看出，在8～12 GHz的范圍內(nèi)，S11和S21均小于-18.5 dB，S31大于-0.8 dB，隔離最好處可以小于-35 dB。由此可以說明環(huán)行器在X波段內(nèi)達(dá)到了比較好的匹配。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種X波段滿帶小型化微帶環(huán)行器，選擇的鐵氧體為三角形柱，介質(zhì)基板與鐵氧體的相對介電常數(shù)保持一致，中心導(dǎo)體結(jié)構(gòu)選擇為雙Y，并增加匹配段來獲得更大的帶寬，依據(jù)相關(guān)理論知識(shí)并通過計(jì)算得出了環(huán)行器的各個(gè)部分的具體參數(shù)并進(jìn)行HFSS仿真，最終得到在X波段內(nèi)，S11和S21均小于-18.5 dB，插入損耗S31大于-0.8 dB，并且器件的尺寸小于6 mm×5 mm，滿足了高性能，小型化的需求，具有重大的應(yīng)用價(jià)值。