宽带七端口铁氧体环行器组件的研制

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(ε_r)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，ε_r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ε_r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，ε_r、u_e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R_r角和R_r的影响作了描述^[2]，所使用的平面Y结如图2所示。