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Ri /R0、分裂因子κ/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εr和R/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/H（H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
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.
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Ri /R0、分裂因子κ/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εr和R/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/H（H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
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.