CDMA 870~880MHz頻段的結環(huán)行器設計
利用帶線結環(huán)行器的相關理論,設計了870~880MHz結環(huán)行器,最后實現的環(huán)行器在0.5~1.5GHz內,插入損耗≤0.4dB,最小隔離度≥20dB,電壓駐波比≤1.20,符合基站用環(huán)行器的技術指標。
帶線結環(huán)行器是常用的微波鐵氧體器件,具有單向傳輸特性,入射信號能順利通過,反射信號由于被吸收電阻吸收而不能通過。因此,帶線結環(huán)行器在各類基站中被廣泛使用,放置于發(fā)射機與發(fā)射天線之間,防止因發(fā)射天線的開路或短路引起天線系統(tǒng)失配的情況下,由駐波造成的對發(fā)射機后級功率放大器件的損壞。
雖然國內外對環(huán)行器的設計有所報道,但是大多是工作在S波段以上的環(huán)行器的設計,對工作在870~915MHz波段的基站用環(huán)行器的設計的報道還是比較少。本文就將介紹我們在設計該波段的環(huán)行器時的工作。最后實現的環(huán)行器插入損耗為0.4~0.8dB,最小隔離度≥20dB,電壓駐波比≤1.20,連接形式可以是SMA、N型或帶線,尺寸為12mm12mm7mm,完全符合基站用環(huán)形器的技術指標。
環(huán)行器設計
帶線結環(huán)行器的種類繁多,但其設計方法大同小異。本文所設計的環(huán)行器是微帶Y型結環(huán)行器,采用的設計方法是基于控制微帶線與環(huán)行結交接處形成的耦合角和環(huán)行結的直徑而獲得寬頻帶工作。
鐵氧體材料的選擇
鐵氧體基片的介質損耗和磁損耗必須很小,前者一般可與微波介質的損耗相比較,而后者是頻率的函數。當用非磁化鐵氧體基片時,為了使磁耗減小,應按照的條件選擇材料。式中,是工作頻率(單位:兆赫,MHz),是有效旋磁比(=2.8 MHz/Oe),是飽和磁化強度(單位:高斯,Gs),是各向異性磁場強度(單位:奧斯特,Oe)。在制作器件時,為了使磁耗減至最小,應滿足下列條件:
(1)
式中,而是本征鐵磁諧振頻率。根據上式就可以確定鐵氧體的飽和磁導率的范圍,從而選定合適的鐵氧體材料。
微帶線材料的選擇
金、銀和銅是基片上微帶線最常用的導體材料。一般先在基片上真空淀積上厚度為200~400mil的薄鉻層,以獲得良好的表面附著力。然后再蒸鍍或電鍍上希望厚度的導體材料。為了使總損耗最小,應當注意這幾個方面:導體的導電率要盡可能高,厚度至少為最低工作頻率上的趨膚厚度深度的2~4倍,基片盡量厚一些,以減小導體中的電流密度。
鐵氧體尺寸的設計
根據Fay的理論,帶線結環(huán)行器有兩個環(huán)行條件:
(2)
(3)
其中K是鐵氧體中傳播的電磁波波數,μ和κ分別是鐵氧體的導磁率張量的對角線和非對角線分量,Yin是輸入導納,Yeff是鐵氧體的有效波導納;GR是當Yin為純實數時的輸入電導。現在經過研究發(fā)現KR的值并不是唯一的,但是在本文設計中還是采用了KR=1.84。
通過式(2)可以計算出鐵氧體環(huán)行結的半徑R。
(4)
其中
(5)
(6)
由式(2)和(4)可知,根據所需要的工作頻率選擇具有合適飽和磁導率的鐵氧體材料,就可以方便的得到鐵氧體的尺寸要求。
由式(6)可知,當工作頻率和鐵氧體材料選定后, μe和κ/μ的大小由外加磁場決定,所以外加磁場也是一個很重要的設計參數。在理論上,外加磁場應該使得有效偏置磁場為0,但是在實際中還要進行微調。
內導體的設計
對于帶線結環(huán)行器的非互易結如圖1所示。
圖1 帶線結的非互易結
可采用散射矩陣的方法來描述,它把結的反射波和入射波幅度聯系起來對非互易結進行唯象描述,可得出這樣的結論:一個匹配的無耗對稱三端結就是一個環(huán)行器。其散射矩陣可寫為:
(7)
(8)
(9)
(10)
其中:
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
在上式中:
反射損耗=;
隔離=;
插入損耗=
從上式可以看出耦合角y是一個基本的設計參數,根據Wu和Rosenbaum的理論,微帶環(huán)行器要獲得寬帶環(huán)行特性,耦合角y的理論值是。
實驗驗證
圖2 隔離度隨頻率變化圖
圖3 插入損耗隨頻率變化圖
利用上文介紹的理論設計一個工作于CDMA 870~880MHz頻段的環(huán)行器,其設計參數如下:中心頻率為875MHz,鐵氧體的飽和磁化強度4πMs=1350Gs,有效偏置磁場為0,鐵氧體介電常數15.5,鐵氧體的半徑為12mm、厚度為3.6mm,耦合角y取0.25rad。由圖2、3可以看出其隔離度為38.9dB,插入損耗為0.309dB,電壓駐波比為1.10,完全滿足基站用環(huán)行器指標。
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