X波段满带小型化微带环行器设计*

刘水平，汪晓光

（电子科技大学，四川 成都 611731）

0 引 言

在无线通信领域，微波通信技术起着非常关键的作用。上个世纪，随着铁氧体的发现，人们在微波通信技术上取得了重大的突破，铁氧体是一种磁性材料，利用其旋磁特性以及非线性效应，可以制作出环行器，隔离器等器件[1-2]。

环行器的应用领域非常广泛，在军工、民用等领域都扮演着重要的角色，例如雷达，卫星通信，医疗等方面。

Milano U 等人[3]编写的关于带线Y结环行器的文章，对环行器的理论分析有着很大的启迪意义。1964年，Bosma阐述了环形带状线y环行器边值问题的简化，并根据实验结果近似求解[4]。

随着微波技术的不断进步发展，器件越来越趋向于小型化、高集成度。微带结环行器与其他环行器相比，具有小体积、低成本、结构紧凑等特点，在微波集成电路方面应用十分广泛[5]。X频段在空间应用方面有空间研究、广播卫星、气象卫星、地球探测卫星等用途。雨衰减对X频段的信号传输有一定的影响。因此，X波段微带环行器的研究具有非常大的实用意义。

1 微带结构的设计

微带线是一种平面传输线[6]，它易于其他的有源和无源的微波器件集成。它的结构如图1所示。宽度为W的导体印制在薄的、厚度为d、相对介电常数为εr的接地电介质基板上。

图1 微带线结构

微带线的有效介电常数可以等效为一个均匀介质的介电常数，其等效公式如下：

这个均匀介质代替了微带线的电介质与空气两个部分。

2 微带环行器的设计

2.1 环行器的工作原理

三端口环行器的工作原理图如图2所示。

图2 环行器工作原理

信号从2端口输入，从1端口输出，3端口为隔离端口，没有信号输出，但是若1端口作为输入端口时，3端口是输出端口，2端口没有信号输出，因此环行器可以实现单向传输。

由图3（a）可见，铁氧体未磁化时，端口2与端口3的场型相同，电压相等；由图3（b）可见，铁氧体磁化时，1端口与2端口的场型相同，切割磁力线相同，电压相等，而3端口与磁力线平行，没有耦合，电压为零。此时1端口与2端口为环行器的传输端，3端口为隔离端。

图3 环行器的场分布

2.2 微带环行器

带线结环行器是目前理论研究最完善的一种结环行器，带线结环行器的电磁场理论基本上是基于Bosma、Fa和Comstock等人的理论研究。目前没有微带结环行器的理论，所以微带环行器的设计方法是沿用带线结环行器的基本理论。

根据带线结环行器的理论，可以得到铁氧体圆片的半径R：

在式（2）中，λ为工作频率的自由空间波长，εr为铁氧体的相对介电常数，μe=(μ2-k2)/μ。

由环行器的有载QL，铁氧体内部存储的能量与总的功率耦合到微带线之间的关系可以导出共振腔的有载QL值及铁氧体圆片的厚度d：

若在环行器中沿铁氧体圆片轴向加上稳恒磁场HO后，各向异性k/μ会随着HO的增大而增大，简并模便开始分裂，在频带的中心频率上，一对旋转方向相反的“+”，“-”的模，它最终合成的场型将会旋转30度。所以，环行器的相对带宽2δ与铁氧体结的QL关系如下：

在较小的分裂情况下，该分裂模，可以近似为线性。所以可以得到铁氧体结的QL与各向异性k/μ的近似关系：

一般情况下，k/μ的值可以取0.25～0.5这个范围，该关系在低场区与髙场区比较适合。

根据Bosma定义的反射系数γ小于等于0.1，即驻波系数ρ等于1.22，也就是隔离为20 dB时，环行器的相对带宽为：

由式（6）可见，环行器的相对带宽是与k/μ成正比的，若要获得大带宽，k/μ的值需要取得大一些，但是不能太大，因为铁氧体有铁磁共振区，k/μ取得太大了会接近铁磁共振区，这样会引起环行器的损耗增大。

微带环行器可以采用两种方法来制作，采用较多是全铁氧体基片的微带结环行器，另外一种是在基片内嵌入铁氧体结。

全铁氧体基片环行器的Kc比陶瓷介质匹配环的基片低，从而有利于小型化，同时其具有较高的介电常数，可以缩短匹配段的长度，有助于小型化。

2.3 双Y结中心导体

对于宽带环行器，中心导体用的较多的是双Y结，在没有外接匹配电路情况下，带宽比Y结中心导体要宽。双Y结中心导体如图4所示，双Y结的中心点处的场强为零。

图4 双Y结中心导体结构示意图

由双Y结的中心点到小Y的端点可以看做是一段λ/4开路线。不加小Y时，环行器输入阻抗为并联谐振，用GR1、L1、C1表示；加入小Y时，小Y的并联回路用L2、C2表示。因此，总的等效电路如图5所示。

图5 双Y结构等效电路

小Y的电抗网络可以补偿输入阻抗的频散，增加环行器的带宽，这就是双Y结的结内加抗原理[5]。

2.4 三角形铁氧体的选择

为了提高环行器的性能，人们尝试了许多方法，包括在铁氧体的形状的选择方面。

如图6所示，三角形铁氧体的面心与波导结的面心重合，三角形的三个顶点分别与三个端口的宽边的中点构成一条直线，此时可以将三角形铁氧体近似的看作渐变匹配变换器。

当铁氧体未饱和磁化时，它的非互易性比较弱，但是在理论上，使用满高度的三角形铁氧体柱的环行器的带宽是使用满高度的铁氧体圆柱的环行器的两倍[7]。同时，三角形铁氧体谐振腔的辐射损耗小，有更高的无载Q值。

图6 三角形铁氧体柱Y结波导环行器横截面图

3 仿真结果与分析

根据上面的理论分析，本文的X波段的微带环行器选择的铁氧体的形状为三角形柱，如图7所示。

图7 X波段微带环行器示意图

为了满足实际的应用需要，本文将环行器的1端口与2、3端口设置在同一个方向上以便于集成。

根据环行器的相关理论计算出铁氧体、双Y结中心导体、匹配段的大小、位置以及介质基板的大小和相关参数，其中铁氧体的相对介电常数与介质基板的保持一致，建好模型后进行仿真实验，得到最终结果如图8所示。

图8 环行器仿真结果图

图8 中S31代表的是环行器的插入损耗，S21代表的是隔离，S11代表的是反射，由图8（a）以及图8（b）可以看出，在8～12 GHz的范围内，S11和S21均小于-18.5 dB，S31大于-0.8 dB，隔离最好处可以小于-35 dB。由此可以说明环行器在X波段内达到了比较好的匹配。

4 结 语

本文设计了一种X波段满带小型化微带环行器，选择的铁氧体为三角形柱，介质基板与铁氧体的相对介电常数保持一致，中心导体结构选择为双Y，并增加匹配段来获得更大的带宽，依据相关理论知识并通过计算得出了环行器的各个部分的具体参数并进行HFSS仿真，最终得到在X波段内，S11和S21均小于-18.5 dB，插入损耗S31大于-0.8 dB，并且器件的尺寸小于6 mm×5 mm，满足了高性能，小型化的需求，具有重大的应用价值。