X波段微带环行器的设计与实现∗

王计鹏 陈 明

（西安邮电大学电子工程学院 西安 710121）

1 引言

作为无线通讯领域内的主力军，微波通信技术被普遍应用于军事设备的研制和民用等方面。而铁氧体环行器作为一种单向传递微波信号的微波器件在整个射频收发系统［1］中具有非常重要的作用。例如，精密制导雷达、舰载雷达、机载、远程警戒预警雷达，导航和炮描雷达等都采用了相控阵雷达技术，相控阵雷达中最核心的就是发射与接收系统，环行器应用其中，对整个收发系统的性能优劣起着不可替代的作用。此外，环行器的第三端口可以外接50Ω的匹配负载，作为隔离器，应用于放大器的输入和输出端来保护系统［2～3］。环行器这种单向传递微波信号［4］的非互易性微波器件［5］已经被广泛应用于雷达、电子对抗、航天航空、微波测量［6～9］等主要领域。

随着微波集成电路的不断发展，微波器件逐渐向片式化、小尺寸、高集成度化方向发展，对于环行器的设计也有了越来越高的要求［10］。微带环行器是为了满足微波集成电路的需要而研制出的新型微波铁氧体器件。它相对于同轴环行器，波导环行器等其他类型的环行器而言，具有结构紧凑，轻量化、小型化、生产周期短。并具有一致性好，价格成本低，便于实现单片集成等一系列突出优点，使得其在微波集成电路中得到了广泛应用。而X频段应用于空间研究、广播卫星、固定通讯业务卫星、地球探测卫星、气象卫星等用途。因此对X波段微带环行器研究设计，具有重要的实践意义和应用价值。

2 工作原理

三端口环行器的结构如图1所示，信号从1端口输入时将从2端口输出，2端口输入时则从3端口输出，3端口输入时将从1端口输出，以此单方向循环，实现微波信号的单向传播。

由图2（a）所示，当未加偏置磁场时，铁氧体处于未被磁化状态，自1端口输入的波在2端口和3端口的场型分布是一样的，1端口输入的功率可以等分至2、3端口传输，没有环行效果。

由图2（b）所示，当加上恒定磁场以后，场结构发生变化。电磁波在外加磁场作用下产生旋磁效应。铁氧体内及其周围的电磁场结构就会向左旋方向旋转。适当的改变铁氧体基片的尺寸和外加偏置磁场H0的数值，使得旋转角度为30°时，就会使得从1端口输入的功率几乎全部从2端口输出，而3端口隔离，没有功率输出，从而实现环行效果。

3 设计思路与建模

依据环行器工作的频带来确定其中心频率f0，然后选择适当的铁磁共振线宽▽H，饱和磁化强度MS以及相对介电常数εr的铁氧体材料。然后根据双Y结环行条件求得（；KR；Y）等参量值，并确定外加偏置磁场H0得到归一化饱和磁化强度P和归一化内场σ等磁参数。根据这些参量进行设计。

环行器属于低场器件，外加的偏置磁场远远小于谐振磁场，通常需要将样品磁化到饱和，所以

其中，k和μ分别为铁氧体张量磁导率的对角分量和非对角分量。

其中，MS为饱和磁化强度，γ为有效旋磁比，P为归一化饱和磁化强度。通常P的取值范围为0.4～0.7，为了避免零场损耗，使环行器获得较宽的工作带宽，P取值应该大一些，本设计中P取值为0.7。

其中μe为有效磁导率。

第二步确定KR的值；

从麦克斯韦方程组出发，根据环行器的第一环行条件，可得到铁氧体的半径为

其中R为铁氧体半径，K为波数

根据蒋仁培等人的理论研究［11～12］，KR的取值范围在1.2～2.7内仍满足环行条件，对于低场器件而言，工作磁场远低于谐振场，尽管外磁场较强可以使得铁氧体材料在趋于饱和状态下工作，本文中KR取较小值为1.2。

第三步确定y的值；

已知KR取值后结合环行器的第二环行条件计算可得到Y值。

其中Yeff为铁氧体微带线的特性导纳，ψ为耦合角。

端口1上的输入导纳与端口2上的输出导纳必须调整到与由式（5）计算出的导纳相匹配，取倒数之后，即达到阻抗匹配。

基于以上的的设计思路和设计公式，采用基片厚度为0.6mm牌号为XN28的镍系铁氧体材料，其饱和磁化强度为2800Gauss，相对介电常数εr为12.6，通过式（4）计算得到铁氧体半径R约为1.7mm。

根据镍铁氧体材料的电磁参数和计算得到的尺寸值，使用三维电磁仿真软件HFSS进行建模、仿真。其三维模型如图3所示。环行器结构中包括铁氧体圆盘，大小Y结和50Ω微带线。它是在大Y结基础上加上一个小Y结，采用结内加阻抗技术，小Y臂作为λ 4开路线，与复数的端口阻抗的电抗部分相互抵消，使得端口阻抗为纯电阻。通过调节小Y结的长和宽，可以在比较宽的频带内实现阻抗匹配，采用结内加阻抗的方法，不仅可以有效减小环行器设计的尺寸，而且能够拓宽工作带宽［13］。

4 仿真优化及结果分析

利用HFSS，通过仿真，参数扫描、优化分析［14］之后，得到当小Y结的宽度为0.76mm时，环行器性能相对达到最佳。各项性能指标的仿真结果分别如图4、图5所示。

如图4可以看出，在8.8GHz处，性能比较理想，此时的隔离度约在-40dB左右，回波损耗约为-28dB，插入损耗约在-0.42dB左右。在所研究的X频段范围内的回波损耗和隔离度都约在-20dB以下，插入损耗约在-0.5dB以内，从而满足设计要求，具有比较理想的环行性能和良好的隔离性能，从而有效实现微波信号的单向传递性能。

如图5所示，可以看出三个端口在工作频段范围内的驻波比均小于1.22，从而有效降低能量的反射损耗，实现良好的环行性能。

5 实物制作与测试

将仿真模型导出版图进行实物制作，对铁氧体基片表面进行抛光处理，然后采用磁控溅射技术在基片表面沉积厚度约为3μm的金膜，经薄膜光刻腐蚀之后，所制备出的环行器样品如图6所示。

将环行器的一端口接50Ω匹配负载，采用Ag⁃ilent E5071C矢量网络分析仪进行测试，测试结果分别如图7、图8所示。

通过图4、图5和图7、图8的对比，可以看出仿真结果与实测结果在误差允许的范围内基本吻合，这主要是由于铁氧体材料是一种非线性磁性材料，其材料电磁参数的测量值存在一定的偏差，在HFSS中材料的电磁参数与实际材料的电磁参数有偏差，以及实际制作工艺过程中存在的工艺误差引起的。

6 结语

基于带状线环行器设计理论，采用四分之一波长阻抗变换，提出了X波段双Y结微带环行器的设计思路，利用三维电磁仿真软件HFSS进行建模、仿真及优化分析，并最终设计出了一款应用于X波段范围内的微带环行器，且做出实物。实验结果表明，X波段微带环行器具有良好的环行性能，相对带宽达到40%，隔离度大于20dB，插入损耗约在0.5dB左右，电压驻波比约在1.22左右。实现了“超”带宽特性。此外，所设计的环行器尺寸约在8mm*8mm左右，也满足了小型化，高集成度化的设计要求。

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