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1 引 言 鐵氧體是一種在微波頻段具有旋磁性質(zhì)的特殊磁材料，由于他具有一系列非互易特性，可以使用他構(gòu)造出環(huán)行器等一系列微波非互易器件。微波環(huán)行器已成為信息通訊、電子對(duì)抗、航天航空等領(lǐng)域不可缺少的關(guān)鍵性器件之一。如今微波環(huán)行器的應(yīng)用迅速向民用通訊、能源技術(shù)、工農(nóng)醫(yī)等領(lǐng)域擴(kuò)展。 環(huán)行器具有單向傳輸特性，入射信號(hào)能順利通過，反射信號(hào)由于被吸收電阻吸收而不能通過。其工作原理就是利用中心結(jié)構(gòu)在射頻場和外加偏置磁場之間滿足一定關(guān)系時(shí)產(chǎn)生的諧振效應(yīng)，從而獲得環(huán)行效果。目前環(huán)行器大致上使用的是圓盤結(jié)，Y型結(jié)，雙Y結(jié)，三角結(jié)的中心諧振導(dǎo)體。本文研究的對(duì)象是用于基站中，中心導(dǎo)體為雙Y結(jié)的帶線鐵氧體環(huán)行器。根據(jù)設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果在工作頻帶內(nèi)滿足隔離度大于26 dB，插損小于0.3 dB，回波損耗大于26 dB，電壓駐波比小于1.14，中心導(dǎo)體外接半徑尺寸約為5 mm，達(dá)到高性能與小型化兼顧，基本滿足幾乎所有GSM基站對(duì)于環(huán)行器的要求。同時(shí)本文通過把結(jié)環(huán)行器的場理論與路理論結(jié)合起來，推導(dǎo)出一些通用的設(shè)計(jì)公式，給出簡明的設(shè)計(jì)流程，并結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)給出仿真結(jié)果，對(duì)一般設(shè)計(jì)者起到一定指導(dǎo)意義。 2 設(shè)計(jì)過程 圖1為雙Y帶線結(jié)環(huán)行器結(jié)構(gòu)示意圖。金屬導(dǎo)體圓盤半徑為R，小Y臂長度為R0，耦合角為φs寬為Ws，電長度為θs，大Y臂寬為W，耦合角為φ，鐵氧體厚度為H，金屬導(dǎo)體厚度為t。環(huán)行器的核心是一個(gè)外加恒定磁場的鐵氧體非互易結(jié)，中心導(dǎo)體一般可以是圓盤形、Y形、雙Y形或三角形等各種形狀。通過網(wǎng)絡(luò)理論分析可證明一個(gè)匹配的無耗對(duì)稱三端結(jié)就是一個(gè)環(huán)行器，用散射矩陣表示為： 如果此非互易結(jié)是無耗的，則通過圓盤結(jié)波動(dòng)方程加以正負(fù)與同相本征激勵(lì)推導(dǎo)出圓盤雙Y結(jié)的同相與正負(fù)激勵(lì)阻抗本征值： 式中： 其中Z0與Z±都是純虛數(shù)。若其歸一化值在阻抗圓圖上的分布以及其所對(duì)應(yīng)的S本征值間的相角差互成120o，則此非互易結(jié)是環(huán)行的。這里可取其歸一化的導(dǎo)納本征值進(jìn)行討論，其滿足環(huán)行條件時(shí)必有： 這里yq表示對(duì)應(yīng)的是歸一化導(dǎo)納本征值，sq對(duì)應(yīng)的歸一化散射矩陣本征值，這樣非互易結(jié)的散射參量可以通過其本征值表達(dá) 上述環(huán)行條件是所有非互易結(jié)通用的，環(huán)行性能參數(shù)為滿足環(huán)行條件的理想?yún)?shù)。然后通過上式推導(dǎo)可得在基模下圓盤雙Y結(jié)的環(huán)行條件，他是在結(jié)阻抗歸一化情況下得到的，在兩種基模的共同作用下可知第一與第二環(huán)行條件： 式中： 然后通過環(huán)行條件得到y(tǒng)值可推出結(jié)阻抗 。非互易圓盤結(jié)的結(jié)阻抗Rj的概念為，若非互易結(jié)的三端均接上阻抗為Rj的源或負(fù)載阻抗，則此非互易結(jié)是環(huán)行的。其中Zf為鐵氧體帶狀線的特性阻抗，φ為Y臂與圓盤的耦合角。 由以上算式通過定義環(huán)行器的工作頻率，選擇合適的飽和磁場強(qiáng)度的鐵氧體，然后確定外加偏置磁場，得到歸一化飽和磁矩和歸一化內(nèi)場等磁參數(shù)。再通過雙Y結(jié)環(huán)行條件推導(dǎo)可得到一組參數(shù)(y；K/μ；kR)。因此，如果按這組參數(shù)來設(shè)計(jì)器件，則必然是一個(gè)理想環(huán)行器，所以環(huán)行器的設(shè)計(jì)在于仔細(xì)研究這組參數(shù)，了解他們彼此之間有何關(guān)系，相互間怎樣制約，以便合理選取獲取更好的性能。 y參數(shù)為歸一化的導(dǎo)納參數(shù)，從上式可看出，他主要取決于雙Y結(jié)環(huán)行器的結(jié)構(gòu)參數(shù)W，H，t，φ，ξ1，ξ2，鐵氧體介電常數(shù)εf以及有效張量磁導(dǎo)率μeff。環(huán)行器結(jié)構(gòu)參數(shù)及εf，通常事先已決定，所以y主要取決于鐵氧體磁參數(shù)μeff的選取。 k/μ參數(shù)為張量磁導(dǎo)率非對(duì)角分量除以對(duì)角分量，他也是鐵氧體的磁參數(shù)。 kR為貝塞爾函數(shù)的宗量，其中R是鐵氧體的半徑，k為波數(shù) 。而μeff，μ，k這些磁參數(shù)取決于鐵氧體歸一化磁矩和歸一化內(nèi)磁場。在飽和磁化且無耗情況下的磁參數(shù)k，μ，μeff可由下式獲得： 式中，p和σ分別代表歸一化飽和磁矩和歸一化內(nèi)場： 式中，Ms為鐵氧體飽和磁化強(qiáng)度；Hi為外加偏置磁場的大小。 下面分析主要的設(shè)計(jì)流程： 首先確定kR，即選取半徑R以及選取磁場工作點(diǎn)，確定μeff，k/μ，得到kR。再計(jì)算y，即已知kR，由第一環(huán)行條件計(jì)算得y。通常由y得到的結(jié)阻抗Rj是無法與連接環(huán)行器的傳輸線。因?yàn)橐话銈鬏斁�特性阻抗為50 Ω，環(huán)行器需匹配才能接人，故必須添加匹配網(wǎng)絡(luò)，或者改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，尤其是H或φ，ξ1，ξ2等，使系統(tǒng)匹配。 然后計(jì)算k/μ，即已知kR及y，由第二環(huán)行條件計(jì)算得k/μ。若計(jì)算結(jié)果符合之前由p和σ所確定的k/μ值，則設(shè)計(jì)成功；否則需重新確定kR，進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，直到符合條件為止，可由Matlab進(jìn)行計(jì)算，通常誤差在0.05以內(nèi)是可以接受的。 從以上設(shè)計(jì)流程中可以看出，結(jié)環(huán)行器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在于選取R，p和σ，因而需要給出一個(gè)合理的范圍。例如對(duì)于低場器件，為了避免零場損耗，p通常選在0．4～0．7之間，而外加磁場要使材料飽和，即σ=0，偏置磁場為0。可得k/μ=p;μeff=1-P2。至于R的選取，如果考慮器件小型化，則應(yīng)盡可能小；反之，若是高功率應(yīng)用，則必須大一點(diǎn)。通常kR的值在0.8～1.8之間確定，而對(duì)于高場器件，必須使σ>1，p>1，同時(shí)也不能太大，大致范圍為1.5。 3 仿真結(jié)果與分析 本文研究的頻率范圍為GSM接收端的925～960 MHz，屬于微波頻率段的低端，所以環(huán)行器所需的偏置磁場選用高于鐵氧體諧振場。處于高場工作，器件尺寸才能盡可能小，同時(shí)也要求較高磁化強(qiáng)度的飽和磁化材料和較高的偏置磁場。仿真選用飽和磁化強(qiáng)度為1 800高斯(Gauss)，線寬△H為40奧(Oe)，損耗角正切tan δ=O.005的鐵氧體材料。 參照上述設(shè)計(jì)流程計(jì)算得到的參數(shù)為，R=4.0 mm，R0=1O mm，W=3.1 mm，φs=36，φ=22，H=2.2l mm，t=0.2 mm，k/μ=0.52，歸一化導(dǎo)納y=4.53，結(jié)阻抗Rj=14.6，環(huán)行條件誤差為0.003。在計(jì)算機(jī)上使用HFSS電磁場仿真軟件進(jìn)行三維建模仿真，設(shè)置好合適的邊界條件和激勵(lì)源。仿真分別對(duì)工作頻率F以及內(nèi)偏置磁場強(qiáng)度Hi進(jìn)行了掃描，對(duì)性能參數(shù)作了對(duì)比分析。由于匹配部分使用的是二級(jí)非遞增式匹配，計(jì)算得到的結(jié)果在仿真中性能并不是最理想，見圖2。這里使用HFSS自帶的優(yōu)化功能OPtimetrics模塊，以環(huán)行器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為變量，創(chuàng)建COST函數(shù)為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，環(huán)行性能得到很大改善，見圖3。另外通過對(duì)內(nèi)磁場大小的比較，分析可得在相同外形尺寸的條件下，內(nèi)磁場的大小對(duì)環(huán)行器的性能影響非常大，尤其在接近諧振頻率處曲線更陡峭，見圖4。在諧振頻率940 MHz處選擇最佳內(nèi)場接近39 000(A/m)。通過對(duì)內(nèi)磁場多次循環(huán)微調(diào)，最終性能曲線為頻帶內(nèi)隔離度大于24 dB，插損小于0.3 dB，回波損耗大于26 dB，電壓駐波比(VSWR)小于1.12。諧振點(diǎn)處隔離度為41 dB，插損為0.22 dB，回波損耗38 dB，電壓駐波比(VSWR)為l.03，完全滿足實(shí)際GSM高性能要求。從電場能量示意圖明顯可以看出1～3端口的能量傳輸，而2端口近乎無能量，被隔離，見圖5。仿真結(jié)果證明，按照本文的設(shè)計(jì)方法得出的參數(shù)值已非常接近最佳性能指標(biāo)，驗(yàn)證了本文的設(shè)計(jì)流程以及仿真是切實(shí)可行的。 4 結(jié) 語 對(duì)于雙Y結(jié)環(huán)行器的鐵氧體環(huán)行器研究和設(shè)計(jì)，按照環(huán)行條件給出了自己的設(shè)計(jì)方案，通過仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)，證明了設(shè)計(jì)的正確性，可行性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。對(duì)一般結(jié)環(huán)行器設(shè)計(jì)有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義,符合現(xiàn)代更高的性能優(yōu)勢(shì)和小型化特點(diǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。 |
