高場帶線環(huán)行器溫度補償磁路的設(shè)計分析

高昌杰 李曉華

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

高場帶線環(huán)行器具有體積小、易于集成等優(yōu)點，尤其在低頻段，這一優(yōu)勢更加明顯。在獲得廣泛應用的同時，高場帶線環(huán)行器性能的溫度穩(wěn)定性已成為用戶的關(guān)注熱點，特別對有源陣列天線和有源相控陣雷達，所用環(huán)行器的溫度穩(wěn)定性與系統(tǒng)噪聲密切相關(guān)［1-2］。飽和磁化強度參數(shù)存在較大溫漂是鐵氧體材料的固有特性，也是環(huán)行器性能隨溫度產(chǎn)生漂移的重要原因。對高場環(huán)行器而言，為了提高溫度穩(wěn)定性，可通過減小鐵氧體內(nèi)場Hif，對溫度升高導致的飽和磁化強度降低進行補償［5］。對普通磁路，飽和磁化強度降低會使Hif增加，根本不會產(chǎn)生補償效果。多年來，國內(nèi)外研究工作者提出了在磁路中增加NiFe 合金片進行溫度補償?shù)挠行Т胧?-5］，其主要機理是:利用NiFe 合金材料磁導率隨溫度升高而降低的特點，使磁路中的Hif隨溫度升高而變小。相關(guān)文獻對含有NiFe 合金片的磁路設(shè)計僅限于定性分析和試驗，缺乏較準確的磁路計算方法。為此，本文將磁路解析計算與Ansoft HFSS 電磁場仿真相結(jié)合，形成了一種溫度補償磁路的較準確計算分析方法，取得了良好的工程應用效果。

1 設(shè)計分析方法介紹

相對于其它性能參數(shù)，環(huán)行器的插入相移對溫度變化最為敏感。下文僅以某S 波段高場帶線環(huán)行器插入相移的溫度穩(wěn)定性為例，對相應方法進行介紹。

1．1 磁路分析計算公式推導與修正

整個環(huán)行器等效磁路框圖如圖1所示。假定磁路各處橫截面面積相等，根據(jù)高斯定理和安培定律，可寫出如下等式:

其中，Bf為鐵氧體磁感應強度(Gs);μj為殼體(軛鐵)相對磁導率;lj為軛鐵磁路長度;4πMsf為鐵氧體飽和磁化強度(Gs);lf為單片鐵氧體厚度;la0為內(nèi)導體厚度(內(nèi)導體材料相對磁導率取為1);la1為等效空氣縫隙厚度;4πMsn為NiFe 合金片飽和磁化強度(Gs);ln為NiFe 合金片總厚度;lm為單片磁鐵厚度;:單片磁鐵磁場強度(Oe)(由磁鐵退磁曲線確定)。

圖1 環(huán)行器等效磁路框圖

通過進一步推導，可得到Bf 的計算式如下:

于是，可按下式計算出鐵氧體內(nèi)的磁場強度Hif:

下面，對照試驗參數(shù)，對上述公式的計算結(jié)果進行評估。具體試驗(未加NiFe 合金片)參數(shù)如下:μj=3000，lj=4mm，4πMsf=1800Gs，lf=0.8mm，la0=0.15mm，la1=0.17mm，ln=0，lm=0.45mm，Hif=1290Oe(通過性能測試和仿真比對得到)。將上述相關(guān)參數(shù)代入(2)、(3)式，可求得:Hif=2273Oe，該結(jié)果與試驗值有顯著差別，主要原因可能是磁路計算中未考慮通量損失和磁鐵表面場的不均勻等因素，考慮實際磁路，應使磁鐵的磁感應強度工作點高于Bf，為此，可在(1)、(2)式中“l(fā)m/1.06”項前乘以大于1 的修正因子ηm，得到Bf 的修正計算公式如下:

通過與實際試驗參數(shù)比對，適用于本文列舉磁路的ηm=2.038。

1．2 環(huán)行器插入相移對溫度的敏感度分析

根據(jù)試驗測試和仿真比對，可知鐵氧體材料的飽和磁化強度參數(shù)在不同環(huán)境溫度下的變化情況如下:常溫為1800Gs，低溫(-40℃)為1980Gs，高溫(70℃)為1680Gs。由(4)、(3)式，可求得不同環(huán)境溫度下Hif 的變化情況(未補償)如下:常溫為1290 Oe，低溫(-40℃)為1189 Oe，高溫(70℃)為1357 Oe。由此可知，在不做補償?shù)那闆r下，隨著溫度升高，Hif會明顯增加。

由Ansoft HFSS 軟件仿真可知，影響環(huán)行器插入相移穩(wěn)定性的主要參數(shù)是鐵氧體的4πMsf和Hif。為了便于分析設(shè)計，現(xiàn)通過仿真，可得到不同環(huán)境溫度下的4πMsf和不同Hif與插入相移的對應關(guān)系，相應數(shù)據(jù)表格見表1。從中可以看出，在不做補償情況下，由4πMsf和Hif變化引起的插入相移變化規(guī)律如下:低溫——相對常溫，插入相移變化量約為-49o(高頻);高溫(相對常溫)，插入相移變化量約為22o(高頻)。此計算結(jié)果與試驗測試有著很好的一致性。

從表1 還可以看出，環(huán)行器插入相移隨內(nèi)場Hif的變化規(guī)律與高低溫條件下的飽和磁化強度參數(shù)基本沒有關(guān)系;對較大Hif，Hif每增加10Oe，三個頻率點對應的插入相移增加量分別為1°、1.4°、2°;對較小Hif，Hif 每增加10Oe，三個頻率點對應的插入相移增加量分別為2.4°、3°、5.7°。即:對較小Hif，相移增量臺階較大(尤其是高頻點)。由此可知，適當提高Hif工作點，有助于改善高低溫條件下插入相移變化量隨頻率變化的離散性。

1．3 溫度補償磁路的參數(shù)設(shè)計

試驗測試結(jié)果表明，lj38 型NiFe 合金片在高、低溫條件下磁導率參數(shù)變化較大，具有較大范圍的補償調(diào)節(jié)能力。在此，主要針對lj38NiFe 合金材料研究溫度補償磁路的設(shè)計問題。具體研究工作分兩步進行，首先，根據(jù)初步試驗數(shù)據(jù)，反推lj38NiFe 合金材料在高、低溫條件下的磁參數(shù);其次，根據(jù)得到的磁參數(shù)，結(jié)合HFSS 仿真結(jié)果，計算補償磁路中NiFe 合金片的厚度及相應補償效果。

1.3.1 NiFe 合金片磁參數(shù)反推計算

按如下參數(shù)進行溫度補償試驗:μj=3000，lj=4mm，lf=0.8mm，la0=0.15mm，la1=0.07mm，ln=0.6mm，lm=0.525mm。測試得到的高、低溫條件下插入相移變化量如下:常溫～高溫時三個頻率點分別為-2°、-4°、-9°;常溫～低溫時三個頻率點分別為-3.7°、-2.2°、0°。

常溫下4πMsf=1800Gs，4πMsn=1500Gs，代入(4)、(2)式，可算得Hif=1260Oe。

由表1 可知，當高溫下Hif=1225Oe、低溫下Hif=1280Oe 時，常溫～高溫、常溫～低溫情況下三個頻率點的插入相移變化量分別為-2°、-4.5°、-9°和-3°、-2°、0°，與試驗結(jié)果一致。將上述高、低溫下的Hif值代入(4)、(3)式，可反推得到高、低溫條件下的4πMsn值分別為675Gs 和2500Gs。

1.3.2 各因素對插入相移溫度穩(wěn)定性的影響關(guān)系分析

利用上述(4)、(2)式及高低溫條件下的相關(guān)材料參數(shù)，結(jié)合HFSS 仿真軟件，可得到各相關(guān)因素對環(huán)行器插入相移溫度穩(wěn)定性的影響關(guān)系:

a.磁鐵厚度lm的影響

Hif隨磁鐵厚度lm增加的遞增規(guī)律與ln無關(guān)，僅與工作溫度有關(guān);lm每增加0.01mm，Hif增加量變化范圍分別為:16.2 ～12.4 Oe(低溫)、18.1 ～13.9 Oe(常溫)、19.5 ～15Oe(高溫)。磁鐵愈厚，遞增臺階愈小。以常溫態(tài)為參考，高溫下Hif隨lm增加而增加，低溫下Hif隨lm增加而減小。也就是說，減小磁鐵厚度，有利于改善插入相移溫度穩(wěn)定性。

b.等效空氣縫隙la1的影響

分析計算結(jié)果表明，la1對環(huán)行器插入相移溫度穩(wěn)定性影響很小，可以忽略。

c.NiFe 合金片厚度ln的影響

以常溫為參考，ln每增加0.05mm，低溫條件下Hif相對增加量約為10 Oe，高溫條件下Hif相對減小量約為8 Oe。也就是說，ln增大使得低溫條件下相對相移增大(向“+”變化)，高溫則減小(向“-”變化)。

1.3.3 NiFe 合金片厚度及補償效果計算

由1.3.1 可以看出，采用0.6mm 厚的NiFe 合金片對低溫的補償量接近最佳，而對高溫的補償量偏大。兼顧高、低溫溫漂，通過初步優(yōu)化，在NiFe 合金片厚度ln=0.55mm 時，可得到接近最佳的插入相移理論補償效果:常溫～高溫時三個頻率點變化量分別為0°、-1.4°、-5°;常溫～低溫時三個頻率點變化量分別為-4°、-3.4°、-3.4°。相應實際測量結(jié)果為:常溫～高溫為-1°、-3°、-6.5°;常溫～低溫為-6°、-5°、-3.5°。可以看出，理論計算結(jié)果與實際測量比較接近，僅在高溫高頻點出現(xiàn)略大偏差。

1．4 溫度補償效果的最佳化措施

從1.3.3 的理論計算和試驗測試結(jié)果來看，通過調(diào)節(jié)ln達到的最佳補償效果仍然不夠理想(低溫補償不足、高溫補償過量)。為了進一步減小插入相移溫漂，需采取如下兩方面措施:

提高Hif工作點，對ln進行精細調(diào)節(jié)。

從上文補償結(jié)果可以看出，通過改善相移偏差的頻率特性，可以減小插入相移溫漂。為此，在1.3.3 的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整等效空氣間隙，將常溫下Hif工作點提高約50 Oe，可得到接近最佳的插入相移理論補償效果如下:常溫～高溫時三個頻率點變化量分別為1.2°、-0.3°、-2.5°;常溫～低溫時三個頻率點變化量分別為-2.6°、-2.8°、-2.3°。

調(diào)整NiFe 合金材料參數(shù)，使其飽和磁化強度隨溫度變化曲線在工作溫區(qū)內(nèi)出現(xiàn)“上凹”特征。

從上文計算式(4)可以看出，影響高低溫補償效果的主要參數(shù)是4πMsn，而該參數(shù)在工作溫區(qū)內(nèi)的變化曲線一般會接近線性(如圖2所示［5］)。計算分析表明，上述“線性變化”規(guī)律一般會產(chǎn)生“低溫不足、高溫過量”的補償效果。

圖2 NiFe 合金的Ni 含量、飽和磁化強度與溫度的相互影響關(guān)系示意圖

下面，對接近理想補償效果的NiFe 合金材料參數(shù)進行計算分析。

選取常溫下Hif=1260 Oe，由表1 可以看出，當?shù)蜏叵翲if=1285 Oe、高溫下Hif=1250 Oe 時，可得到最佳補償效果:常溫～高溫時三個頻率點變化量分別為2°、1.9°、0.2°;常溫～低溫時三個頻率點變化量分別為-2°、-0.6°、1°。利用(4)、(3)式，對如下兩種情況:低溫下4πMsn由2500Gs 提高至2850Gs、高溫不變;高溫下4πMsn由675Gs 提高至900Gs、低溫不變，通過分別調(diào)整la1 和ln，均可得到滿足上述最佳補償條件的計算結(jié)果。由此可知，如果能將4πMsn隨溫度變化的“直線”特征調(diào)整成“上凹曲線”，則插入相移補償效果會得到明顯改善。由圖2 可以看出，實際NiFe 合金材料的4πMsn隨溫度變化曲線在高溫端會出現(xiàn)“上凹”特征。為了改善溫漂，可通過調(diào)整Ni 含量，使相應“上凹”曲線段進入環(huán)行器工作溫區(qū)。

2 結(jié)束語

本文針對高場帶線環(huán)行器，提出的計算分析方法和相關(guān)措施，已在工程實踐中驗證，在某S 波段小型化帶線環(huán)行器的研制中，對實現(xiàn)最佳溫度補償磁路起到了較強的指導作用。該方法可在其它形式的環(huán)行器中進行推廣應用。為了進一步提高設(shè)計準確度，還需通過仿真和試驗，在充分考慮磁通量損失的基礎(chǔ)上，對磁路模型進行修正和完善。

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