现代移动通信中的微波磁性器件

 

 

中国西南应用磁学研究所研究员　余声明

 

 

移动通信的业务主要是：（1）便携式双向无线电话的无线通话；（2）单向通信的无线寻呼系统；（3）如车队，火车调度之类的调度系统；（4）移动电话；（5）无线电数据包交换。而这些业务的工作频段的超高频（UHF）、L波度、C波段和Ku波段等，工艺都在微波频率范围。由于微波磁性器件的非互易等特殊功能，为使高速多路无线通信得以实现，微波磁性器件是不可能缺少的一种基础元件。

微波磁性器件在移动通信系统的基台和手机中都是不可缺少的基础件和关键件，对其基本要求则是高性能（低插入损耗、高隔离、宽频带高温度稳定性），小型轻量、低成本，尤其是用于手机中的微波铁氧体隔离器、环行器、小型轻量与低成本尤其重要。

在移动通信基站和手机中应用的微波磁性器件主要是微波铁氧体隔离器和环行器，若在三端环行器的第三端配以匹配吸收负载便成为了隔离器，所以隔离器与环行器并无本质上的区别。

微波铁氧体隔离器主要用在便携式电话系统中，放在功率放大器之间，图1、图2示出了应用实例方框图，其主要功能是：

 

 

 

环行器作收发双工器之用，即通过环行器的功能信号的收和发可由一付天线完成。

用于数字式手持电话系统中的隔离器，其主要作用是：阻止反射信号从发射端进入功率放大器以保护晶体管；阻止来自天线的杂散波进入功率放大器，抑制调制失真；稳定功放（PA）的负载阻抗，减小放大相位的非一致性和电流波动，从而使功放稳定地工作。后一点对于CDMA移动通信系统而言显得更为重要，因为宽带工作下容易出现工作点及输出端的阻抗变化。

一般来说，用于移动通信系统中的微波隔离器/环行器要求高度低、重量轻、价格低。能满足小型轻量化的器件常有两种形式：一种是全铁氧体基片的微带式；一种是输入式（drop-in），大多采用集中参数方法设计制成。目前用得最多的是后一种形式。

考虑到移动通信基站发射功率较高，对器件的体积、重量要求不太严格，所以外形尺寸较大；而对于手持机应用的器件则必须满足小轻，低价格，表面安装化要求。这种手机用小型集中参数隔离器的构造如图3所示。它由石榴石型旋磁铁氧体、永磁体、3根中心网孔导体（相当于电感L）、3只电容器（C），负载电阻（R）和外壳（图中未画出）组成。永磁体给旋磁铁氧体施加外磁场，中心导体交叉绕于石榴石旋磁铁氧体上。各中心导体的一端与区配电容器、输入/输出端连接，另一端接地。3根中心导体中只有1根与电容器和负载电阻端接，以构成隔离器。

 

 

若信号从功放输出端进入（1）端口，传输到中心导体上，便给旋磁铁氧体励磁，在外磁场共同作用下，微波信号会发生120o旋转，从另一根中心导体传输到端口（2），进入天线端发射出去。反之，由天线反射器来的信号进入端（2），同样旋转120°，由下一根中心导体传输到端口（3），被电阻吸收，这便是隔离器的工作原理。

移动通信的工作频段大部分在900MHz，1.5GHz、2GHz、2.4GHz等不同网络上，公众移动通信网是450MHz，800～900MHz，因此微波隔离器/环行器的技术性能亦应适不同频段需求。

基站用器件的插入损耗为0.4～0.8dB，最小隔离度≥20dB，电压驻波比（VSvR）≤1.20，承受功率（平均）≥50W，工作温度范围-20～+75℃，连接形式可以是SMA，N型或带线，其尺寸有20×20、15×15、10×10mm多种。

对于手机用器件而言，为适应小型轻量和高性能发展的需要，微波隔离器/环行器的体积，重量和性能在不断改善提高。例如，日本TDK公司在五年前研制的CU407系列7×7×4mm小型隔离器，频率范围824～1929MHz，带宽3～5%，插损0.8～1.0dB，隔离12～15dB，电压驻波比1.3～1.6，承受平均功率2.5W，器件重0.8克，工作温度范围-20～75℃。这种器件仍嫌尺寸大，价格高，插损大。于是各国不少厂家致力于低高度、低价格、轻量化更好的小型隔离器的研发，日本村田所在将CE074系列7×7×2mm小型隔离器以每月生产100万只的规模大量推入市场的同时，又将CE052系列5×5×2mm小型隔离器开发出来，其体积比CE074系列减小45%，重量减少47%达到0.2克。在1429～1453MHz范围内工作，常温下的典型性能指标为：插损0.37dB，隔离20dB，输入/输出端口的电压驻波比为1.10，倍频波的衰减量18dB，三倍频波的衰减量是25dB。

美国Sonoma Scientific公司是专门生产环行器和隔离器的厂商，它提供的600多个品种用于蜂窝式通信、Inmarsat、空军战术导航系统（TACAN）、个人通信网络（PCN）、个人通信服务（PCS）、强化的汽车通信全球系统（EGSM）和微波无线电的产品，其性能指标是相当好的。