高功率X波段铁氧体微带环行器设计与验证*

杨 雷，罗会安

高功率X波段铁氧体微带环行器设计与验证*

杨 雷，罗会安

（南京国睿微波器件有限公司 南京 210000）

针对装备向高功率密度发展的趋势，提出高功率铁氧体材料配合外接吸收负载的微带环行-隔离器方案，对其中关键技术：器件通过功率、负载耐功率进行了分析，并对根据此方案设计制作的微带环行-隔离器进行测试，结果表明，所设计的X波段铁氧体微带环行-隔离器工作频率在8.5GHz~10.5GHz范围内，额定功率达50W（47.1dBm）,插入损耗<0.85dB，隔离度>16dB，电压驻波比<1.2，达到设计要求。器件可运用于大功率有源T/R组件中，提升系统性能。

X波段；大功率；微带；小型化；环行-隔离器

引 言

环行器这种单向传递微波信号[1]的非互易性微波器件[2]已经被广泛应用于电子对抗、雷达、航天航空、微波测量等领域，它具有集成度高、体积小、电气性能优良、可靠性高等优点[3]。其中铁氧体微带环行隔离器大量应用于有源T/R组件和通讯系统中，其额定功率通常小于20W。随着三代半导体如GaN基高功率功放技术的逐步成熟和应用，其后端的铁氧体微带环行-隔离器也随之需要提高功率容量。因此，根据现实需要，本文拟设计和制作一种X波段、额定功率50W量级的铁氧体微带环行隔离器。

1 理论分析及仿真

1.1 材料及谐振结分析

X波段的铁氧体器件通常需要工作在低场状态下，器件的功率容量主要受限于铁氧体材料在高功率下的自旋波激发，当铁氧体材料中的射频磁场分量超过一个临界值时，器件性能便极速恶化[4]。对于低场状态下工作的铁氧体微带隔离器，铁氧体材料中的射频磁场分量垂直于施加的稳恒磁场，此时临界磁场c表达式如式（1）所示。

Δk为自旋波线宽，s为饱和磁化强度，为工作频率，为旋磁比。由于功率c2，可见要提高器件的功率容量，可以选择k大或/和s小的材料。但s值过小会严重影响器件的工作频率和带宽。现阶段大量使用的铁氧体微带环行-隔离器由于铁氧体材料的限制通过功率一般小于20W，铁氧体材料导热率的限制负载耐功率一般小于2W，本项目提升其功率容量主要通过以下两个方式：①改进铁氧体材料提高其通过功率容量；本文通过提高自旋波线宽的方式来提高材料的耐功率，主要措施有：一是加入少量快弛豫离子，一般是加入Co3+、Gd3+、Sm3+、Ho3+等稀土离子，细化烧结样品的晶粒。二是通过降低烧结温度、降低成型压力或者采用热压烧结等工艺手段来减小材料的晶粒尺寸。②外接氮化铝负载来提高其耐功率容量，氮化铝材料的导热率高达180W/（m·K），可以有效提升负载的功率容量。

因此综合权衡下，本文选择如下参数针对功率改进后的铁氧体材料：饱和磁化强度s=1.6T，介电常数er=13.5，介质损耗角正切tand=2*10–4，Δk=17500A/m。

图1 带有凸起的铁氧体谐振子

图2 几种梳状凸起的形式

图3 圆盘谐振子结构

图4 单结环行器建模

微带环行器电路部分的设计和带线环行器基本一致，通常是基于Bosma[5]以及Fay和Comstock[6]对于三端口带线结环行器的理论分析，为了缩小器件尺寸，本文采用双Y加圆盘结[7]，并进一步采用圆盘形梳状结内加抗的谐振结形式，如图1所示。对于薄铁氧体片，只有主模传输情况下，边界条件可以写为

其中1为梳状凸起的宽度，2为梳状凸起间距。in可以表示为

其中1为梳状凸起的特征导纳，是凸起长度，g是在电磁波在微带中的波长。因此，通过以上导纳变换方法，平均输入导纳可以表示为

其中梳状凸起并不是唯一的，为了得到更好的频率响应，通常可以有多种形式[8]，如图2所示。

同样的，圆盘谐振子也可以有多种形式。

本次设计将采用图3所示的谐振子形式。这样结构的器件通过阻抗匹配，带宽理论上能扩至60%。

运用以上的方案进行双结三端口微带环行-隔离器的设计，将铁氧体材料的相关参数代入在三维仿真软件中进行建模仿真，图4为单结环行器的建模图[9]。

优化计算后单结环行器的S参数曲线如图5所示。

1.2 吸收负载分析

对于低功率铁氧体微带环行-隔离器，通常采用单铁氧体基片形式，薄膜电阻吸收负载直接制作在铁氧体基片上，这样集成度高，易于加工和生产。但是由于铁氧体基材的导热率较差，在10–13W/（m·K）之间，高功率时电阻产生的热量无法有效传递出去，容易导致基片炸裂或/和电阻烧毁。为了提高整个器件的功率容量，本文采用外接吸收负载的方案，在高导热率的氮化铝基片（导热率在150W/（m·K）以上）上制作薄膜电阻吸收负载，并借助三维电磁仿真软件及热仿真软件对薄膜电阻的图形结构、阻值、热场进行优化仿真设计。

图5 优化计算后单结环行器的S参数

1.2.1 半圆电阻

由于微带环形器的结阻抗为25Ω，因此吸收负载在工作频段内也应为25Ω。首先采用半圆电阻形成进行阻抗匹配（方阻为80Ω），如图6所示。

图6 半圆电阻方案

图7 半圆型电阻的热分析

图8 矩形电阻方案

图9 矩形电阻的热分析

改变薄膜电阻内径R1及外径R2，通过Maxwell V12场计算器对直流电阻进行计算，使负载阻抗达到25Ω（R1=0.35mm，R2=1.25mm）。通过HFSS和ephysics进行联合仿真，得到电阻在9.5GHz连续波50W时的发热情况如图7所示，可见热量主要集中在内径边沿，大的内径有利于电阻的功率容量。下面考虑用常规的矩形电阻制作系数负载。

1.2.2 矩形电阻

通过矩形电阻进行匹配（方阻为80Ω），如图8所示。

由于方阻为80Ω，其长宽比为16：5时可得到电阻为25Ω，通过Maxwell场计算器对直流电阻进行验证，可得此模型阻值为25.04Ω。通过HFSS和ephysics进行联合仿真，得到电阻在9.5GHz连续波50W时的发热情况如图9所示，可见热量主要集中在电阻中部。

综合考虑电阻发热量和所占用面积，半圆型电阻具有较好的匹配性及较小的面积，因此本次设计通过半圆电阻制作吸收负载。

2 器件制作和测试

通过薄膜电路工艺制作铁氧体微带环行器和氮化铝上薄膜电阻吸收负载，然后共同焊接在载板上，再通过金丝键合方式连接如图10所示。

最终用微带转同轴进行测试如图11所示。

实测电性能参数如图12所示，可见制作的铁氧体微带环行隔离器在8.5GHz~10.5GHz范围内，VSWR<1.2、S21<0.85dB、S12>16dB、S23>35dB、S32<1.2dB、S13>20dB、S31>20dB。

图10 器件外形

图11 器件实物

图12 器件实测S参数曲线

最后，对所制器件进行功率容量测试，结果如表1所示。可见所制铁氧体微带环行-隔离器在50W（47dBm）功率下损耗低于0.82dB，对负载进行了耐功率试验，负载的电阻变化率仅2%，工作良好。

并对器件在9.5GHz进行了极限功率测试。

表1 功率试验（占空比40%）结果

表2 极限功率试验（占空比40%）结果

高功率微带环行器在输入功率大于70W时已产生非线性效应，损耗开始增大。并对负载进行了耐功率试验，试验50W时负载温度120℃，60W时为180℃，70W时200℃，80W时烧毁。实测温度与仿真温度存在差距的主要原因是由于仿真状态下边界条件设置不充分造成的，故该大功率微带环行-隔离器的极限功率在70W。

3 高功率微带环行器与常规微带环行器低功率性能比较

高功率微带环行器小信号下性能与常规微带环行器性能相比损耗略大0.1dB，主要原因是为了抑制高功率下自旋波激发而增大了材料线宽。

图13 常规器件实测S参数曲线

4 结束语

为满足T/R组件中三代半导体如GaN高功率密度功放对高功率铁氧体微带环行-隔离器的需求，本文根据铁氧体旋磁器件工作原理，借助三维电磁仿真软件，设计并制作样件验证了额定功率达50W的X波段双结三端口铁氧体微带环行-隔离器，对铁氧体微带环行-隔离器的大功率应用进行了有益探索。

[1] 余声明. 环行器/隔离器在微波通信中的应用[J]. 磁性材料及器件, 2003, 34(1):25–29.

[2] 楼一辉, 贾建华. 通信系统射频环行器的研究与设计[J]. 电子工艺技术, 2008, 29(4):235–237.

[3] 王卫华, 孙卫忠. 微波环行器､隔离器在雷达固态发射机中的应用(上)[J]. 磁性材料及器件, 2012, 43(2):6–9.

[4] 蒋仁培, 戴杰. 双Y结带线环行器的本征值理论[J].电子学报, 1988, (6):108–111.

[5] BOSMA H. On stripline Y-circulation at UHF[J]. IEEE Trans MTF, 1964, 12: 61–72.

[6] FAY C E, COMSTOCK R L. Operation of the ferrite junction circulator [J]. IEEE Trans MTF, 1965, 13: 15–27.

[7] HAMMERSTAD E. Computer-aided design of microstrip couplers with accurate discontinuity models[C]. Microwave Symposium Digest, 1981 IEEE MTT-S International, 1981:54–56.

[8] RJBLET G. Techniques for broad-banding above resonance circular junctions without the use of external matching networks[J]. IEEE Trans MTF,1980, 28(2):125–129.

[9] OSHIRO K, NOBORIO T, FUJIMORI H, et al. Design of a circulator with ferrite thin film (measurement and high-frequency devices) [J]. Journal of the Magnetics Society of Japan, 2005, 29(4):490–493.

Design and demonstration of a high power X-Band ferrite microstrip circulator

YANG Lei, LUO Huian

（Nanjing Glarun Microwave Devices Co. Ltd., Nanjing 210000, China）

This paper focuses on the trend of developing equipment with high power density, a microstrip isolator with high power ferrite material and external absorbing load is proposed, firstly, The key technology of the device is analyzed, including the passing power of the device and the power capacity of the load, then the microstrip isolator designed by this scheme is fabricated and tested. The test results show that the designed X-band microstrip isolator has a rated power of 50W (47.1dBm), frequency in the range of 8.5GHz to 10.5GHz, the insertion loss<0.85dB, isolation>16dB and VSWR<1.2, it meets the design requirements. This kind of device can be used in high-power active T/R module to improve the performance of the system.

X-band; high power; microstrip; miniaturization; isolator

TN621

A

CN11-1780(2019)04-0066-05

杨 雷 1985年生，硕士，工程师，主要研究方向为微波铁氧体器件。

罗会安 1974年生，硕士，研究员，主要研究方向为微波技术及器件的应用。

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

2017年度民品发展基金（南京国睿微波器件有限公司）

2019-06-03

2019-07-18