通信用低場(chǎng)小型化集總參數(shù)隔離器設(shè)計(jì)

楊勤，馮楠軒，張華峰，何海洋

西南應(yīng)用磁學(xué)研究所，四川 綿陽 621000

0 引言

隔離器有改善系統(tǒng)鏈路匹配、改善功放（PA）的線性度、提升功放效率（PAE）等多種功能，是信息通信、電子對(duì)抗、航天航空等領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵器件之一。

隨著工信部批復(fù)4.4～5.0GHz用于我國的5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)，該頻段的分布式皮基站研發(fā)提上了日程，該頻段不僅適用于地鐵、機(jī)場(chǎng)、火車站等高容量的補(bǔ)熱場(chǎng)景，還可針對(duì)2.6GHz宏站部署的覆蓋空洞補(bǔ)盲，也可滿足高上行速率和低時(shí)延要求的行業(yè)應(yīng)用。5G室內(nèi)布站加速了對(duì)高頻小型化隔離器的需求。

民用通信頻段鐵氧體隔離器研究主要集中在分布參數(shù)類型。文獻(xiàn)[1]研究了中心頻率3.5GHz的分布式微帶結(jié)式環(huán)行器；文獻(xiàn)[2]研究了帶狀線結(jié)式環(huán)行器的設(shè)計(jì)方法；文獻(xiàn)[3]研究了S波段隔離器，采用了集總參數(shù)的功率電阻，但中心結(jié)部分仍然是分布式的；S.Yamamoto等人[4]開發(fā)了4～5GHz低高度微帶隔離器解決了高頻集總參數(shù)器件高度過高問題。以上文獻(xiàn)的研究都集中在分布式設(shè)計(jì)，其中心節(jié)尺寸需與工作頻率相關(guān)，在Sub6頻段內(nèi)難以滿足5G通信系統(tǒng)對(duì)小型化隔離器的要求。

集總參數(shù)設(shè)計(jì)更容易實(shí)現(xiàn)隔離器小型化，目前對(duì)高頻集總參數(shù)隔離器和環(huán)行器相關(guān)研究文獻(xiàn)較少。文獻(xiàn)[5]研究了1.92～1.98GHz的隔離器設(shè)計(jì)，采用共振式集總參數(shù)設(shè)計(jì)，制作難度較大；文獻(xiàn)[6]研制了2.47～2.69GHz的隔離器，其采用CORE繞線設(shè)計(jì)，推導(dǎo)了該類設(shè)計(jì)下低插損的設(shè)計(jì)公式；文獻(xiàn)[7]采用鐵磁共振以下的弱磁場(chǎng)設(shè)計(jì)集總參數(shù)隔離器，實(shí)現(xiàn)了1.71GHz～2.17GHz的較大帶寬的隔離；文獻(xiàn)[8]研究了L波段集總參數(shù)LTCC小型化環(huán)行器設(shè)計(jì)，采用高場(chǎng)集總參數(shù)設(shè)計(jì)，尺寸為7×7.4×3.1mm，性能較優(yōu)。上述文獻(xiàn)的研究結(jié)果表明，采用集總參數(shù)設(shè)計(jì)的隔離器可有效減小器件尺寸，國內(nèi)外的未見小型化的低場(chǎng)集總參數(shù)隔離器的設(shè)計(jì)報(bào)道。

基于此，研制了4.6～4.8GHz的小型隔離器，外形尺寸5mm×5mm×2.4mm，并且性能參數(shù)良好，滿足相應(yīng)的基站使用需求。

1 原理和方案設(shè)計(jì)

隔離器的工作模式一般分兩大類：高場(chǎng)模式和低場(chǎng)模式。高場(chǎng)模式一般適用于低頻、高功率器件的設(shè)計(jì)；低場(chǎng)模式一般適用于高頻、低功率器件的設(shè)計(jì)。該頻段尺寸要求5×5×2.4mm，采用高場(chǎng)設(shè)計(jì)由于頻率過高導(dǎo)致器件的高度超高，且磁化較為困難。因此該頻段器件采用低場(chǎng)設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[9]提到關(guān)于低場(chǎng)集總參數(shù)設(shè)計(jì)材料的選用與分布參數(shù)環(huán)行器相同。

旋磁鐵氧體材料的飽和磁化強(qiáng)度采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Ms為飽和磁化強(qiáng)度，單位為A/m；P為歸一化飽和磁矩，無量綱；f為中心頻率，單位為Hz；γ為電子自旋的回旋磁比，2.21×105rad·m/（S·A）。低場(chǎng)工作模式，P的取值范圍一般在0.5～0.7，依據(jù)公式計(jì)算該頻段器件選用的鐵氧體材料磁矩在800～1000gauss。

集總參數(shù)隔離器的原理如圖1所示，內(nèi)部三個(gè)相互耦合電感和鐵氧體形成中心結(jié)，通常情況下中心結(jié)具有低阻抗，每個(gè)電感分路上并聯(lián)一個(gè)適當(dāng)?shù)钠ヅ潆娙?，可將器件端口匹配到常用?0Ω，形成一個(gè)窄帶匹配的器件。將其中任意一個(gè)端口連接匹配電阻，便構(gòu)成集總參數(shù)隔離器。

圖1 集總參數(shù)隔離器原理圖

根據(jù)微波信號(hào)傳輸?shù)沫h(huán)行條件，有

其中ω為器件工作時(shí)的中心角頻率數(shù)值，單位rad/s；為張量磁導(dǎo)率對(duì)角分量；為張量磁導(dǎo)率非對(duì)角分量；為歸一化內(nèi)場(chǎng)；和分別為歸一化電容和電感。根據(jù)上述公式可計(jì)算出隔離器初始電容電感，但實(shí)際情況的環(huán)行條件更復(fù)雜，因一般確定元件的初始值后通過仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 仿真設(shè)計(jì)

基于上述原理，設(shè)計(jì)仿真了4.6～4.8GHz的低場(chǎng)集總參數(shù)隔離器，表貼封裝形式。采用電磁仿真軟件對(duì)器件進(jìn)行仿真計(jì)算，三維仿真模型如圖2所示。端口阻抗均按50歐姆設(shè)計(jì)，器件貼裝于電路板，鐵氧體磁飽和強(qiáng)度設(shè)置為1000gauss，內(nèi)場(chǎng)設(shè)置為0A/m?；诋a(chǎn)品的外形尺寸和結(jié)構(gòu)，仿真設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置鐵氧體大小為φ2.2×0.25mm。三個(gè)電容分別位與左上、右上和下方三個(gè)槽的電路下面，在下方電容旁設(shè)置一個(gè)50Ω電阻，通過優(yōu)化容值分別為1.07pF、1.22pF、0.81pF。

圖2 三維仿真模型

同時(shí)進(jìn)行容差分析得出電容容值、中心導(dǎo)體寬度影響劇烈；鐵氧體直徑、鐵氧體厚度以及電阻阻值等參數(shù)對(duì)性能影響中等，外殼尺寸參數(shù)對(duì)器件性能影響較小。

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)得出電性能仿真數(shù)據(jù)如圖3所示，仿真結(jié)果顯示在器件的工作頻段內(nèi)，隔離度大于18dB，損耗小于0.41dB，回波損耗大于18dB，性能指標(biāo)優(yōu)良。

圖3 仿真電氣性能

3 元件與材料選型

集總參數(shù)器件的電氣性能隨溫度變化惡化，原因是旋磁鐵氧體4πMs隨溫度變化，電容容值也隨溫度變化；造成器件中心頻率漂移；同時(shí)外磁場(chǎng)的變化與4πMs的變化不一致，導(dǎo)致環(huán)行狀態(tài)處于非完全諧振狀態(tài)。所以元件選型時(shí)需全面考慮磁性材料與元件在使用溫度范圍內(nèi)對(duì)電性能造成的影響。文獻(xiàn)[10]指出高場(chǎng)設(shè)計(jì)的集總參數(shù)環(huán)行器在匹配電容波動(dòng)范圍很小的情況下，外磁場(chǎng)的溫度系數(shù)在鐵氧體飽和磁化強(qiáng)度4πMs的溫度系數(shù)值的50%左右就可以獲得相對(duì)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)良好的器件溫度穩(wěn)定性，該理論同樣適用于低場(chǎng)器件。依據(jù)上述分析開展相應(yīng)的元件和材料選型。

考慮器件使用溫度范圍內(nèi)的電性能指標(biāo)要求，本次器件設(shè)計(jì)采用飽和磁化強(qiáng)度溫度系數(shù)-0.3%/℃的石榴石鐵氧體材料，鍶恒磁選用剩磁溫度系數(shù)-0.2%/℃的材料。針對(duì)使用環(huán)境和仿真分析得出電容的材料采用溫度系數(shù)±30PPM/℃的一類瓷。該器件頻率較高，所需電容容量低，為提高電容可靠性采用介電常數(shù)15左右陶瓷制作電容。隔離端的電阻阻值波動(dòng)對(duì)器件性能的影響相對(duì)較少，設(shè)計(jì)仿真確定采用溫度系數(shù)為±200 PPM/℃的氮化鋁基板電阻。

4 試驗(yàn)結(jié)果

制作了樣品進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)電氣性能如圖4所示。4.6～4.8GHz范圍內(nèi)駐波比小于1.6，插損小于0.7dB，隔離度大于10dB。器件性能良好，可在通信系統(tǒng)中使用。

圖4 器件常溫實(shí)測(cè)性能

針對(duì)該類器件最終使用環(huán)境開展溫度下性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明器件在，器件在-15℃下性能變化?。?105℃下的器件性能變差，但也滿足當(dāng)前用戶高溫下1dB損耗的要求。

表1 器件在溫度下的電性能測(cè)試指標(biāo)

5 結(jié)語

本文通過原理分析、仿真設(shè)計(jì)以及樣品試制成功研制出低場(chǎng)小型化集總參數(shù)隔離器樣品。成功實(shí)現(xiàn)低場(chǎng)模式下環(huán)行性能，表現(xiàn)出較好的隔離性能，可在通信領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。通過理論分析和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)較為詳盡地?cái)⑹隽思倕?shù)小型化環(huán)行器設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，可對(duì)從事本行業(yè)人員起到一定的指導(dǎo)作用。