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(guò)，反射信號(hào)由于被吸收電阻吸收而不能通過(guò)。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(mǎn)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(pán)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(xiàn)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(mǎn)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(mǎn)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(guò)把結(jié)環(huán)行器的場(chǎng)理論與路理論結(jié)合起來(lái)，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(guò)程

圖1為雙Y帶線(xiàn)結(jié)環(huán)行器結(jié)構(gòu)示意圖。金屬導(dǎo)體圓盤(pán)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(pán)形、Y形、雙Y形或三角形等各種形狀。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)理論分析可證明一個(gè)匹配的無(wú)耗對(duì)稱(chēng)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(wú)耗的，則通過(guò)圓盤(pán)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(pán)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(mǎn)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(guò)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(mǎn)足環(huán)行條件的理想?yún)?shù)。然后通過(guò)上式推導(dǎo)可得在基模下圓盤(pán)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(guò)環(huán)行條件得到y(tǒng)值可推出結(jié)阻抗 。非互易圓盤(pán)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(xiàn)的特性阻抗，φ為Y臂與圓盤(pán)的耦合角。

由以上算式通過(guò)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(guò)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(lái)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。