高功率X波段鐵氧體微帶環(huán)行器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證*

楊 雷，羅會(huì)安

高功率X波段鐵氧體微帶環(huán)行器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證*

楊 雷，羅會(huì)安

（南京國(guó)睿微波器件有限公司 南京 210000）

針對(duì)裝備向高功率密度發(fā)展的趨勢(shì)，提出高功率鐵氧體材料配合外接吸收負(fù)載的微帶環(huán)行-隔離器方案，對(duì)其中關(guān)鍵技術(shù)：器件通過(guò)功率、負(fù)載耐功率進(jìn)行了分析，并對(duì)根據(jù)此方案設(shè)計(jì)制作的微帶環(huán)行-隔離器進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的X波段鐵氧體微帶環(huán)行-隔離器工作頻率在8.5GHz~10.5GHz范圍內(nèi)，額定功率達(dá)50W（47.1dBm）,插入損耗<0.85dB，隔離度>16dB，電壓駐波比<1.2，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。器件可運(yùn)用于大功率有源T/R組件中，提升系統(tǒng)性能。

X波段；大功率；微帶；小型化；環(huán)行-隔離器

引 言

環(huán)行器這種單向傳遞微波信號(hào)[1]的非互易性微波器件[2]已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電子對(duì)抗、雷達(dá)、航天航空、微波測(cè)量等領(lǐng)域，它具有集成度高、體積小、電氣性能優(yōu)良、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[3]。其中鐵氧體微帶環(huán)行隔離器大量應(yīng)用于有源T/R組件和通訊系統(tǒng)中，其額定功率通常小于20W。隨著三代半導(dǎo)體如GaN基高功率功放技術(shù)的逐步成熟和應(yīng)用，其后端的鐵氧體微帶環(huán)行-隔離器也隨之需要提高功率容量。因此，根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要，本文擬設(shè)計(jì)和制作一種X波段、額定功率50W量級(jí)的鐵氧體微帶環(huán)行隔離器。

1 理論分析及仿真

1.1 材料及諧振結(jié)分析

X波段的鐵氧體器件通常需要工作在低場(chǎng)狀態(tài)下，器件的功率容量主要受限于鐵氧體材料在高功率下的自旋波激發(fā)，當(dāng)鐵氧體材料中的射頻磁場(chǎng)分量超過(guò)一個(gè)臨界值時(shí)，器件性能便極速惡化[4]。對(duì)于低場(chǎng)狀態(tài)下工作的鐵氧體微帶隔離器，鐵氧體材料中的射頻磁場(chǎng)分量垂直于施加的穩(wěn)恒磁場(chǎng)，此時(shí)臨界磁場(chǎng)c表達(dá)式如式（1）所示。

Δk為自旋波線(xiàn)寬，s為飽和磁化強(qiáng)度，為工作頻率，為旋磁比。由于功率c2，可見(jiàn)要提高器件的功率容量，可以選擇k大或/和s小的材料。但s值過(guò)小會(huì)嚴(yán)重影響器件的工作頻率和帶寬。現(xiàn)階段大量使用的鐵氧體微帶環(huán)行-隔離器由于鐵氧體材料的限制通過(guò)功率一般小于20W，鐵氧體材料導(dǎo)熱率的限制負(fù)載耐功率一般小于2W，本項(xiàng)目提升其功率容量主要通過(guò)以下兩個(gè)方式：①改進(jìn)鐵氧體材料提高其通過(guò)功率容量；本文通過(guò)提高自旋波線(xiàn)寬的方式來(lái)提高材料的耐功率，主要措施有：一是加入少量快弛豫離子，一般是加入Co3+、Gd3+、Sm3+、Ho3+等稀土離子，細(xì)化燒結(jié)樣品的晶粒。二是通過(guò)降低燒結(jié)溫度、降低成型壓力或者采用熱壓燒結(jié)等工藝手段來(lái)減小材料的晶粒尺寸。②外接氮化鋁負(fù)載來(lái)提高其耐功率容量，氮化鋁材料的導(dǎo)熱率高達(dá)180W/（m·K），可以有效提升負(fù)載的功率容量。

因此綜合權(quán)衡下，本文選擇如下參數(shù)針對(duì)功率改進(jìn)后的鐵氧體材料：飽和磁化強(qiáng)度s=1.6T，介電常數(shù)er=13.5，介質(zhì)損耗角正切tand=2*10–4，Δk=17500A/m。

圖1 帶有凸起的鐵氧體諧振子

圖2 幾種梳狀凸起的形式

圖3 圓盤(pán)諧振子結(jié)構(gòu)

圖4 單結(jié)環(huán)行器建模

微帶環(huán)行器電路部分的設(shè)計(jì)和帶線(xiàn)環(huán)行器基本一致，通常是基于Bosma[5]以及Fay和Comstock[6]對(duì)于三端口帶線(xiàn)結(jié)環(huán)行器的理論分析，為了縮小器件尺寸，本文采用雙Y加圓盤(pán)結(jié)[7]，并進(jìn)一步采用圓盤(pán)形梳狀結(jié)內(nèi)加抗的諧振結(jié)形式，如圖1所示。對(duì)于薄鐵氧體片，只有主模傳輸情況下，邊界條件可以寫(xiě)為

其中1為梳狀凸起的寬度，2為梳狀凸起間距。in可以表示為

其中1為梳狀凸起的特征導(dǎo)納，是凸起長(zhǎng)度，g是在電磁波在微帶中的波長(zhǎng)。因此，通過(guò)以上導(dǎo)納變換方法，平均輸入導(dǎo)納可以表示為

其中梳狀凸起并不是唯一的，為了得到更好的頻率響應(yīng)，通?？梢杂卸喾N形式[8]，如圖2所示。

同樣的，圓盤(pán)諧振子也可以有多種形式。

本次設(shè)計(jì)將采用圖3所示的諧振子形式。這樣結(jié)構(gòu)的器件通過(guò)阻抗匹配，帶寬理論上能擴(kuò)至60%。

運(yùn)用以上的方案進(jìn)行雙結(jié)三端口微帶環(huán)行-隔離器的設(shè)計(jì)，將鐵氧體材料的相關(guān)參數(shù)代入在三維仿真軟件中進(jìn)行建模仿真，圖4為單結(jié)環(huán)行器的建模圖[9]。

優(yōu)化計(jì)算后單結(jié)環(huán)行器的S參數(shù)曲線(xiàn)如圖5所示。

1.2 吸收負(fù)載分析

對(duì)于低功率鐵氧體微帶環(huán)行-隔離器，通常采用單鐵氧體基片形式，薄膜電阻吸收負(fù)載直接制作在鐵氧體基片上，這樣集成度高，易于加工和生產(chǎn)。但是由于鐵氧體基材的導(dǎo)熱率較差，在10–13W/（m·K）之間，高功率時(shí)電阻產(chǎn)生的熱量無(wú)法有效傳遞出去，容易導(dǎo)致基片炸裂或/和電阻燒毀。為了提高整個(gè)器件的功率容量，本文采用外接吸收負(fù)載的方案，在高導(dǎo)熱率的氮化鋁基片（導(dǎo)熱率在150W/（m·K）以上）上制作薄膜電阻吸收負(fù)載，并借助三維電磁仿真軟件及熱仿真軟件對(duì)薄膜電阻的圖形結(jié)構(gòu)、阻值、熱場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)。

圖5 優(yōu)化計(jì)算后單結(jié)環(huán)行器的S參數(shù)

1.2.1 半圓電阻

由于微帶環(huán)形器的結(jié)阻抗為25Ω，因此吸收負(fù)載在工作頻段內(nèi)也應(yīng)為25Ω。首先采用半圓電阻形成進(jìn)行阻抗匹配（方阻為80Ω），如圖6所示。

圖6 半圓電阻方案

圖7 半圓型電阻的熱分析

圖8 矩形電阻方案

圖9 矩形電阻的熱分析

改變薄膜電阻內(nèi)徑R1及外徑R2，通過(guò)Maxwell V12場(chǎng)計(jì)算器對(duì)直流電阻進(jìn)行計(jì)算，使負(fù)載阻抗達(dá)到25Ω（R1=0.35mm，R2=1.25mm）。通過(guò)HFSS和ephysics進(jìn)行聯(lián)合仿真，得到電阻在9.5GHz連續(xù)波50W時(shí)的發(fā)熱情況如圖7所示，可見(jiàn)熱量主要集中在內(nèi)徑邊沿，大的內(nèi)徑有利于電阻的功率容量。下面考慮用常規(guī)的矩形電阻制作系數(shù)負(fù)載。

1.2.2 矩形電阻

通過(guò)矩形電阻進(jìn)行匹配（方阻為80Ω），如圖8所示。

由于方阻為80Ω，其長(zhǎng)寬比為16：5時(shí)可得到電阻為25Ω，通過(guò)Maxwell場(chǎng)計(jì)算器對(duì)直流電阻進(jìn)行驗(yàn)證，可得此模型阻值為25.04Ω。通過(guò)HFSS和ephysics進(jìn)行聯(lián)合仿真，得到電阻在9.5GHz連續(xù)波50W時(shí)的發(fā)熱情況如圖9所示，可見(jiàn)熱量主要集中在電阻中部。

綜合考慮電阻發(fā)熱量和所占用面積，半圓型電阻具有較好的匹配性及較小的面積，因此本次設(shè)計(jì)通過(guò)半圓電阻制作吸收負(fù)載。

2 器件制作和測(cè)試

通過(guò)薄膜電路工藝制作鐵氧體微帶環(huán)行器和氮化鋁上薄膜電阻吸收負(fù)載，然后共同焊接在載板上，再通過(guò)金絲鍵合方式連接如圖10所示。

最終用微帶轉(zhuǎn)同軸進(jìn)行測(cè)試如圖11所示。

實(shí)測(cè)電性能參數(shù)如圖12所示，可見(jiàn)制作的鐵氧體微帶環(huán)行隔離器在8.5GHz~10.5GHz范圍內(nèi)，VSWR<1.2、S21<0.85dB、S12>16dB、S23>35dB、S32<1.2dB、S13>20dB、S31>20dB。

圖10 器件外形

圖11 器件實(shí)物

圖12 器件實(shí)測(cè)S參數(shù)曲線(xiàn)

最后，對(duì)所制器件進(jìn)行功率容量測(cè)試，結(jié)果如表1所示?？梢?jiàn)所制鐵氧體微帶環(huán)行-隔離器在50W（47dBm）功率下?lián)p耗低于0.82dB，對(duì)負(fù)載進(jìn)行了耐功率試驗(yàn)，負(fù)載的電阻變化率僅2%，工作良好。

并對(duì)器件在9.5GHz進(jìn)行了極限功率測(cè)試。

表1 功率試驗(yàn)（占空比40%）結(jié)果

表2 極限功率試驗(yàn)（占空比40%）結(jié)果

高功率微帶環(huán)行器在輸入功率大于70W時(shí)已產(chǎn)生非線(xiàn)性效應(yīng)，損耗開(kāi)始增大。并對(duì)負(fù)載進(jìn)行了耐功率試驗(yàn)，試驗(yàn)50W時(shí)負(fù)載溫度120℃，60W時(shí)為180℃，70W時(shí)200℃，80W時(shí)燒毀。實(shí)測(cè)溫度與仿真溫度存在差距的主要原因是由于仿真狀態(tài)下邊界條件設(shè)置不充分造成的，故該大功率微帶環(huán)行-隔離器的極限功率在70W。

3 高功率微帶環(huán)行器與常規(guī)微帶環(huán)行器低功率性能比較

高功率微帶環(huán)行器小信號(hào)下性能與常規(guī)微帶環(huán)行器性能相比損耗略大0.1dB，主要原因是為了抑制高功率下自旋波激發(fā)而增大了材料線(xiàn)寬。

圖13 常規(guī)器件實(shí)測(cè)S參數(shù)曲線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

為滿(mǎn)足T/R組件中三代半導(dǎo)體如GaN高功率密度功放對(duì)高功率鐵氧體微帶環(huán)行-隔離器的需求，本文根據(jù)鐵氧體旋磁器件工作原理，借助三維電磁仿真軟件，設(shè)計(jì)并制作樣件驗(yàn)證了額定功率達(dá)50W的X波段雙結(jié)三端口鐵氧體微帶環(huán)行-隔離器，對(duì)鐵氧體微帶環(huán)行-隔離器的大功率應(yīng)用進(jìn)行了有益探索。

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Design and demonstration of a high power X-Band ferrite microstrip circulator

YANG Lei, LUO Huian

（Nanjing Glarun Microwave Devices Co. Ltd., Nanjing 210000, China）

This paper focuses on the trend of developing equipment with high power density, a microstrip isolator with high power ferrite material and external absorbing load is proposed, firstly, The key technology of the device is analyzed, including the passing power of the device and the power capacity of the load, then the microstrip isolator designed by this scheme is fabricated and tested. The test results show that the designed X-band microstrip isolator has a rated power of 50W (47.1dBm), frequency in the range of 8.5GHz to 10.5GHz, the insertion loss<0.85dB, isolation>16dB and VSWR<1.2, it meets the design requirements. This kind of device can be used in high-power active T/R module to improve the performance of the system.

X-band; high power; microstrip; miniaturization; isolator

TN621

A

CN11-1780(2019)04-0066-05

楊 雷 1985年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄨF氧體器件。

羅會(huì)安 1974年生，碩士，研究員，主要研究方向?yàn)槲⒉夹g(shù)及器件的應(yīng)用。

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

2017年度民品發(fā)展基金（南京國(guó)睿微波器件有限公司）

2019-06-03

2019-07-18