5×5集總參數環行器的設計

楊春雷，徐晶晶

(1.南京機電職業技術學院 電子工程系，江蘇 南京211135；2.北京航天微電科技有限公司 南京分公司，江蘇 南京 210012)

0 引言

環行器自20世紀50年代問世以來，一直是微波系統的重要組成部分，保證了微波電路的發射和接收部分之間的隔離。由帶線環行器理論可知，結環行器內旋磁鐵氧體圓片半徑R與工作波場λ成正比。這就意味著頻率越低，鐵氧體半徑R越大。為了縮小體積，集總參數環行器應運而生[1]。

1965年，KONISHI提出了一種用鐵氧體代替普通Y帶線環行器中心導體網格結構的集總元件Y型環行器，并提出了鐵氧體的電勢能和張量磁導率隨帶寬、插入損耗和溫度的變化關系理論。1995年，TARO Miura采用鐵氧體與內導體共燒的方法，研制出了6 mm×6 mm×3 mm的圓環形管環行器，在800 MHz時插入損耗為0.7 dB。20世紀末，日本TDK公司率先推出了適合表面貼裝的超小型環行器/隔離器，最新產品已經達到了2.2 mm×2.2 mm×1 mm。到目前為止，國內產品還沒有達到此水平[2]。

1 環行器設計原理

1.1 環行器基本原理

如圖1所示，從環行器1端口輸入的微波信號只會按照1端口到2端口再到3端口的方向單向傳輸，不會逆向傳輸。環行器單向傳輸的原理，是由于采用了鐵氧體旋磁材料。這種材料在外加高頻波場與恒定直流磁場共同作用下，產生旋磁特性(又稱張量磁導率特性)。這種旋磁特性，使在鐵氧體中傳播的電磁波發生極化的旋轉(法拉第效應)以及電磁波能量強烈吸收(鐵磁共振)。利用這個旋磁現象，可以制作出結型隔離器、環行器[3]。

圖1 環行器環行方向示意圖

1.2 環行器結構

集總參數式環行器實際上是一個非互易微波器件,它的基本結構是由3個電感器互成120°角,彼此交叉絕緣,置于兩片高頻鐵氧體之間或置于一片鐵氧體之上。只要在其三端各接上合適的電容器,在外加直流磁場的軸向磁化下產生旋磁效應,電感之間產生非互易耦合,在理想的情況下旋轉對稱構成環行器,其環行方向與磁化方向有關。如在第3端口接上匹配負載就成為通常的隔離器。集總參數環行器一般在高場區共振點以上工作，分為并聯諧振和串聯諧振兩種形式。目前主流的集總參數環行器有兩種結構：平衡型和不平衡型。平衡型采用兩片鐵氧體，結構如圖2所示；不平衡型只有一片鐵氧體，結構如圖3所示。

圖2 印制電路板平衡型

圖3 電感條編網不平衡型

圖3展示了金屬電感條的結構及編織方法和腔體結構，這種方法工藝簡單，采用1片鐵氧體、3個電感條互成120°角將內導體包圍其中，電感條中間用絕緣膜隔開，形成導體-絕緣膜-導體-絕緣膜-導體疊層網狀電感結構。三端口處的并聯電容C1、C2、C3可以用微型電容壓接在內導體上，有利于小型化設計。一般而言，并聯電容C1=C2=C3，這里的微小差別是由于編網結構疊層不對稱所致，用C1、C2、C3的不一致來調整網狀結構不對稱，以達到三端性能對稱。此外采用導磁腔體與導磁蓋板將內部堆疊的片狀器件進行封閉式一體安裝，不僅能提高環行器的磁路閉合能力，也減小了環行器的體積；另一方面采用整體印刷板和獨立焊盤的結構，大大提高了焊接的可靠性，也能增加產品的集成度，實現小型化。

在圖3所示結構的3個端口加上并聯電容后，就可以得到理想環行器的兩個條件：

(1)

(2)

其中：μe為有效磁導率；L0為非互易歸一化電感值。

(3)

(4)

(5)

(6)

對于20 dB隔離度，相當于|r|=0.1，Z0為環行器端口阻抗，可以看出調整電容C和電感L可以改變環行器的中心頻率。環行器中，電感L由下式計算：

(7)

進而可以確定網狀電感L。

1.3 環行器材料選擇

微波鐵氧體材料的研制已經到了成熟階段并廣泛應用到各種微波鐵氧體器件中。根據使用頻率、承受功率、器件插入損耗、帶寬和溫度穩定性等要求選用不同參數性能的鐵氧體材料。例如，飽和磁矩MS高的材料，可適用于高頻段工作，共振線寬△H窄的材料適用于低頻低場工作及寬頻帶設計；居里溫度TC高的材料，適應于高平均功率下使用，溫度系數αT低的材料有利于寬溫條件下使用；對小損耗低功率器件宜選用△Heff小的材料；自旋波線寬△Hk高的材料用于高峰值功率的條件。材料電損耗tanδ大都等于10-4量級，比起磁損耗要小一個數量級，所以它對器件損耗影響不大[4]。本文選取了飽和磁矩為800 Gs的石榴石鐵氧體，△H約為15 Oe，介電常數εr為14.2。

磁路補償的主要原理是在磁路中串或并上溫度系數較大的磁補償合金片,在一定的溫度范圍內,使外磁場的變化同材料的4πMS變化一致。1J30是一類低居里溫度合金,其突出特點是在居里溫度以下,磁感值隨溫度升高而急劇減小,并幾乎呈現線性關系。此外作為環行器核心的鐵氧體材料的飽和磁矩4πMS通常情況下有負溫度系數的特征，所以工作在高場區的帶線環行器常用和鐵氧體材料相類似的負溫度系數的鍶鈣恒磁體作為內置工作場。外加磁場一般使用鍶鈣鐵氧體恒磁，它的溫度系數平均為-0.18%℃左右，比材料的4πMS變化小,從而影響器件性能變化。

2 仿真與測試結果

2.1 HFSS仿真方法及結果

圖4是本器件的仿真模型，本模型編織網狀電感條L寬為0.21 mm，并聯電容C值約為2.5 pF，3個獨立的互感條交叉120°，相互間用絕緣介質隔開，間距0.01 mm。鐵氧體尺寸為2.2 mm×3 mm×0.22 mm，4πMS=800 Gs，在Hi=6.1 kA/m的內磁場作用下，得到圖5和圖6的仿真結果[5]。

圖4 仿真模型及場強分布圖

圖5 HFSS仿真S參數圖

圖6 HFSS仿真Smith圓圖

由圖5可知，1 805 MHz～1 880 MHz范圍內駐波隔離度均達到-19.6 dB，插入損耗均<0.36 dB，回波損耗S11、S22和隔離度S21具有良好的一致性。由圖6的 Smith曲線圖可知，此時曲線是圍繞匹配點1的圓弧，說明在此頻段內，環行器的整個阻抗匹配是比較好的。

2.2 實驗測試結果

1)常溫測試結果

如圖7所示，在網絡分析儀上實際測得的指標與仿真結果相差無幾，在1 805 MHz～1 880 MHz的通帶范圍內，回波損耗可以達到-18 dB以下，隔離度達到-19 dB以下，常溫插入損耗在0.4 dB左右，通過調節并聯電容的大小可以使器件獲得良好的一致性。

圖7 網分實測S參數圖

2)高低溫測試結果

本器件通過1J30合金片進行溫度補償，其溫度在-40 ℃～+115 ℃的范圍內具有良好的穩定性。圖8是基于大量實驗數據下得出的器件在該溫度范圍內與常溫狀態相比較的最大插入損耗變化度。通常情況下在0.2 dB左右，即在-40 ℃～+115 ℃的溫度范圍內插入損耗最大值為0.6 dB左右。圖9顯示了在-40 ℃～+115 ℃的溫度范圍內回波損耗的最大值在-16 dB左右，與常溫相比變化了2 dB～5 dB。本器件帶寬較窄，旋磁材料飽和磁矩隨溫度的變化對環行器特性參數影響很大，主要是因為溫度的變化引起中心頻率的飄移[6]。因此追蹤曲線的中心頻點1 842 MHz點，在-40 ℃～+115 ℃的溫度范圍內中心頻率變化控制在25 MHz以下，證明其具有良好的溫度穩定性。

圖8 高低溫插入損耗變化量正態分布

圖9 高低溫回波損耗最低值正態分布圖

3 結語

本文主要闡述了5 mm×5 mm集總參數環行器的設計，從設計原理到各個材料的選擇，再到仿真以及溫度補償都作了簡單的介紹,在減小插入損耗方面取得了重大突破。在已研制出來的1 805 MHz～1 880 MHz頻段的集總參數環行器基礎上，可以研究出更高頻段的小型化集總參數環行器。