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宽带七端口铁氧体环行器组件的研制

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宽带七端口铁氧体环行器组件的研制
沈维福
(西南应用磁学研究所,四川绵阳  621000)
    摘  要:介绍了一种新型的宽带X波段七端口环行器组件,当信号从输入端输入时可分成若干个分支信道输出。组件的总插入损耗(6个信道)≤3.5dB,各输出信道之间的反向损耗α≥30dB,可用于频率变换技术。
    关键词:环行器组件;插损;阻抗

 
1  前言
    宽带环行器、隔离器在微波通讯、雷达等电子设备中已经获得了广泛的应用,常见的有三端、四端口器件。为了获得输入信号分为多个通道信号输出的方法,用于实现工作频率的变换而达到多信号输出的目的。为此本文将报道一种新颖的七端口环行器组件,其工作频率覆盖X波段范围。目前,虽说国内外已有不少关于4~8GHz倍频程三端环行器、隔离器的设计论文,但作为这种组合器件的研究还未见报导。本文主要介绍X波段宽带七端口环行器磁性组件的设计、实验方法以及所获得的磁性组件性能。
2  七端口环行器组件的设计
    七端口环行器组件实质上是由单结环行器串接而成,并有多个输出端口,如图1所示。因此,设计信道化环行器组件的关键问题是首先设计单结环行器,然后解决各级之间的匹配问题。
2.1  设计考虑
    结环行器的设计在很多论文里已作了描述,并已为研究者们所熟知。本七端口环行器组件工作频率在X波段,覆盖一个倍频程。在早先的倍频程环行器中,一般都选择在圆形旋磁铁氧体周围套一介质环,考虑到机加工一般都采用聚苯乙烯,介电常数(εr)仅为2.6。所以,1/4波长过渡线相应地较长,这无疑增大了环行器的几何尺寸,多个结环行器组成的组件更加如此。目前,国外报导了采用高介电常数陶瓷环,εr可达到25。采用高介电常数陶瓷环作介质有两个优点,一是大大减小了1/4波长过渡线的几何长度;二是应用高介电常数介质环后耦合角减小,截止波数KR值可由原来得出的1.84降低到1.2,这又进一步减小了所选铁氧体圆片的半径。由此可见,采用高εr介质环可减小环行器的尺寸及重量。但是采用介质环也有不利因素,例如陶瓷材料硬而脆,不易加工成环形。此外,介质环的内径和旋磁铁氧体圆片外径公差配合精度一定要高。如果介质环内径小、铁氧体外径大,铁氧体嵌不进介质环内;反之,两者之间形成间隙而影响环行器电性能。本课题采用全磁铁氧体基片来设计结环行器[1],既减少了很多机加工的麻烦,同时由于铁氧体圆片的介电常数可达到15,按照有关文献同样可大大降低截止波数KR值,亦有利于器件小型化。
2.2  设计计算    全磁基片X波段环行器的设计计算按下列步骤进行,中心导体采用平面Y结,器件的中心频率为f
    人们早已熟知铁氧体圆片半径R由下式计算:
   
式中,W0为中心频率,ε0、u0分别为真空介电常数和磁导率,εr、ue分别为铁氧体有效介电常数和有效磁导率。       
     通过多年的研究及计算机分析,此式的解不是唯一的,(KR)的许多解在不同的条件下不同。Helszajn对Rr角和Rr的影响作了描述[2],所使用的平面Y结如图2所示。

 

这种谐振器的分裂频率随Rκ/μ的变化而变化。图2中当Ri /R0=1时的分裂频率与圆盘谐振器相同。在其余条件下,分裂频率与耦合角Ψs有关。当Ψs为某一数值时,分裂频率与Ri /R0、κ/μ之间有一定的关系,这里就不一一列举了。总之,适当的耦合角和Ri /R0有利于环行器在宽频带工作。
    Helszajn在另外文章里应用两个1/4波长变换器对Y结环行器所作的分析中指出,当Ψs=0.26rad时,KR与介质环的εrR/H有关,经计算获得了如图3所示的曲线。从图3中可以看出,R/HH为铁氧体圆片厚度)值愈小,KR值愈小;εr愈大,KR值愈小,这对环行器的小型化极其有利。
    本设计中环行器使用的旋磁铁氧体圆片又充
i /R0、分裂因子

   
当1/4波长变换器的介质,可用一整片铁氧体基片,减少了许多不必要的机加工,简化了结构。按文献[2]分析,本文计算时选用了KR=1.2,再应用(1)式计算得:
  
    如果R/H<1.575,则选择H=2.4mm。至于1/4波长变换器的长度L1可按在介质传播的电磁波的对应公式来计算,即
  

    1/4波长变换器的宽度可应用相关阻抗公式来计算,本文不再描述。
    通过上述计算所获得的全磁基片环行器中心导体形状如图4所示。
3  结果和讨论
3.1  小型化
    X波段全磁基片环行器的截止波数KR值大约为1.2,明显低于加低介电常数介质环结构环行器的KR值(1.84),由此可见这非常有利于器件的小型化。最终所研制的全磁基片环行器外形尺寸缩小了大约30%,环行器的主要电性能为a-≤0.5dB,a+≥18dB,VSWR≤1.38,也达到了令人满意的结果。
3.2  结间匹配    为了使环行器组件有良好的电性能,必须要求各个结的输入、输出特性阻抗相匹配,各端VSWR相等,这样,各结联接后才能有良好的特性。但这种要求实际上是难以达到的,特别是结环行器的输入、输出特性阻抗受腔体尺寸、基片材料的尺寸及εr一致性和装配基片与中心导体在腔中的位置等多种因素影响,很难做到一致。因此,各结之间的联接失配将影响信道化组件的性能。
    众所周知,各结间联结方式很多。本七端口环行器组件依次用50Ω线脊联,每个之间相互隔离,互不影响,获得了较为满意的性能。
3.3  电磁兼容特性    鉴于每个结都要求适当的偏置工作磁场,而组件的连接结果磁场又必然相互影响。为此,我们设计了全屏蔽磁路,将各个结的磁体完全隔离开,避免了工作磁场的相互影响,达到了电磁兼容的目的。
3.4  温度特性    一般的宽带环行器工作温度范围都不很宽,其温度特性受铁氧体饱和磁化强度、磁体的温度特性影响。铁氧体饱和磁化强度随工作温度的升高而降低,因而导致工作频率向下漂移,铁氧体的这一物理特性是无法克服的。但是,我们可以采用低温度系数的铁氧体圆片,以减小其温度变化的影响。为了克服磁体的温度特性影响,我们设计了补偿磁路,当温度升高时,磁路的漏磁减小;当温度降低时,磁路的漏磁加大,从而基本保持偏置磁场不受温度变化的影响。由此,保证了七端口环行器磁性组件的宽温工作性能。
    最终,所研制的七端口环行器磁性组件性能如下:
    工作频带:X波段;
    a1-7≤3.5dB;
    a3-2、4-3、5-4、6-5、7-6≥30dB;
    各端VSWR≤1.25;
    工作温度:-55~+85℃。
    由此可见,组件工作频带覆盖倍频程,正向损耗和各结之间反向损耗都达到了设计要求。
4  结论
    从所研制的七端口环行器磁性组件性能可以看出,全磁基片所计算的截止波数KR值与实验结果相符合,说明分析是合理的,可用于宽频带同轴环行器/隔离器的设计计算。
 
参考文献
[1] 沈维福.小型化2~4GHz环行器的研制[J].磁性材料及器件,1994,25(4):2.
[2] Helszajn J.IEEE Trans MTT, 1991, 39(10):1681.

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