射頻結(jié)環(huán)行器的設(shè)計(jì)流程與仿真
1 引 言
鐵氧體是一種在微波頻段具有旋磁性質(zhì)的特殊磁材料,由于他具有一系列非互易特性,可以使用他構(gòu)造出環(huán)行器等一系列微波非互易器件。微波環(huán)行器已成為 信息通訊、電子對(duì)抗、航天航空等領(lǐng)域不可缺少的關(guān)鍵性器件之一。如今微波環(huán)行器的應(yīng)用迅速向民用通訊、能源技術(shù)、工農(nóng)醫(yī)等領(lǐng)域擴(kuò)展。
環(huán)行器具有單向傳輸特性,入射信號(hào)能順利通過,反射信號(hào)由于被吸收電阻吸收而不能通過。其工作原理就是利用中心結(jié)構(gòu)在射頻場(chǎng)和外加偏置磁場(chǎng)之間滿足一定關(guān)系時(shí)產(chǎn)生的諧振效應(yīng),從而獲得環(huán)行效果。目前環(huán)行器大致上使用的是圓盤結(jié),Y型結(jié),雙Y結(jié),三角結(jié)的中心諧振導(dǎo)體。本文研究的對(duì)象是用于基站中,中心導(dǎo)體為雙Y結(jié)的帶線鐵氧體環(huán)行器。根據(jù)設(shè)計(jì),仿真結(jié)果在工作頻帶內(nèi)滿足隔離度大于26 dB,插損小于0.3 dB,回波損耗大于26 dB,電壓駐波比小于1.14,中心導(dǎo)體外接半徑尺寸約為5 mm,達(dá)到高性能與小型化兼顧,基本滿足幾乎所有GSM基站對(duì)于環(huán)行器的要求。同時(shí)本文通過把結(jié)環(huán)行器的場(chǎng)理論與路理論結(jié)合起來,推導(dǎo)出一些通用的設(shè)計(jì)公式,給出簡(jiǎn)明的設(shè)計(jì)流程,并結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)給出仿真結(jié)果,對(duì)一般設(shè)計(jì)者起到一定指導(dǎo)意義。
2 設(shè)計(jì)過程
圖1為雙Y帶線結(jié)環(huán)行器結(jié)構(gòu)示意圖。金屬導(dǎo)體圓盤半徑為R,小Y臂長(zhǎng)度為R0,耦合角為φs寬為Ws,電長(zhǎng)度為θs,大Y臂寬為W,耦合角為φ,鐵 氧體厚度為H,金屬導(dǎo)體厚度為t。環(huán)行器的核心是一個(gè)外加恒定磁場(chǎng)的鐵氧體非互易結(jié),中心導(dǎo)體一般可以是圓盤形、Y形、雙Y形或三角形等各種形狀。通過網(wǎng)絡(luò)理論分析可證明一個(gè)匹配的無耗對(duì)稱三端結(jié)就是一個(gè)環(huán)行器,用散射矩陣表示為:
如果此非互易結(jié)是無耗的,則通過圓盤結(jié)波動(dòng)方程加以正負(fù)與同相本征激勵(lì)推導(dǎo)出圓盤雙Y結(jié)的同相與正負(fù)激勵(lì)阻抗本征值:
式中:
其中Z0與Z±都是純虛數(shù)。若其歸一化值在阻抗圓圖上的分布以及其所對(duì)應(yīng)的S本征值間的相角差互成120o,則此非互易結(jié)是環(huán)行的。這里可取其歸一化的導(dǎo)納本征值進(jìn)行討論,其滿足環(huán)行條件時(shí)必有:
這里yq表示對(duì)應(yīng)的是歸一化導(dǎo)納本征值,sq對(duì)應(yīng)的歸一化散射矩陣本征值,這樣非互易結(jié)的散射參量可以通過其本征值表達(dá)
上述環(huán)行條件是所有非互易結(jié)通用的,環(huán)行性能參數(shù)為滿足環(huán)行條件的理想?yún)?shù)。然后通過上式推導(dǎo)可得在基模下圓盤雙Y結(jié)的環(huán)行條件,他是在結(jié)阻抗歸一化情況下得到的,在兩種基模的共同作用下可知第一與第二環(huán)行條件:
式中:
然后通過環(huán)行條件得到y(tǒng)值可推出結(jié)阻抗 。非互易圓盤結(jié)的結(jié)阻抗Rj的概念為,若非互易結(jié)的三端均接上阻抗為Rj的源或負(fù)載阻抗,則此非互易結(jié)是環(huán)行的。其中Zf為鐵氧體帶狀線的特性阻抗,φ為Y臂與圓盤的耦合角。
由以上算式通過定義環(huán)行器的工作頻率,選擇合適的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度的鐵氧體,然后確定外加偏置磁場(chǎng),得到歸一化飽和磁矩和歸一化內(nèi)場(chǎng)等磁參數(shù)。再通過雙 Y結(jié)環(huán)行條件推導(dǎo)可得到一組參數(shù)(y;K/μ;kR)。因此,如果按這組參數(shù)來設(shè)計(jì)器件,則必然是一個(gè)理想環(huán)行器,所以環(huán)行器的設(shè)計(jì)在于仔細(xì)研究這組參 數(shù),了解他們彼此之間有何關(guān)系,相互間怎樣制約,以便合理選取獲取更好的性能。
y參數(shù)為歸一化的導(dǎo)納參數(shù),從上式可看出,他主要取決于雙Y結(jié)環(huán)行器的結(jié)構(gòu)參數(shù)W,H,t,φ,ξ1,ξ2,鐵氧體介電常數(shù)εf以及有效張量磁導(dǎo)率μeff。環(huán)行器結(jié)構(gòu)參數(shù)及εf,通常事先已決定,所以y主要取決于鐵氧體磁參數(shù)μeff的選取。
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