射頻結環(huán)行器的設計流程與仿真

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、電子對抗、航天航空等領域不可缺少的關鍵性器件之一。如今微波環(huán)行器的應用迅速向民用通訊、能源技術、工農醫(yī)等領域擴展。

環(huán)行器具有單向傳輸特性，入射信號能順利通過，反射信號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構在射頻場和外加偏置磁場之間滿足一定關系時產生的諧振效應，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，Y型結，雙Y結，三角結的中心諧振導體。本文研究的對象是用于基站中，中心導體為雙Y結的帶線鐵氧體環(huán)行器。根據設計，仿真結果在工作頻帶內滿足隔離度大于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，中心導體外接半徑尺寸約為5 mm，達到高性能與小型化兼顧，基本滿足幾乎所有GSM基站對于環(huán)行器的要求。同時本文通過把結環(huán)行器的場理論與路理論結合起來，推導出一些通用的設計公式，給出簡明的設計流程，并結合計算機輔助設計給出仿真結果，對一般設計者起到一定指導意義。

2 設計過程

圖1為雙Y帶線結環(huán)行器結構示意圖。金屬導體圓盤半徑為R，小Y臂長度為R0，耦合角為φs寬為Ws，電長度為θs，大Y臂寬為W，耦合角為φ，鐵 氧體厚度為H，金屬導體厚度為t。環(huán)行器的核心是一個外加恒定磁場的鐵氧體非互易結，中心導體一般可以是圓盤形、Y形、雙Y形或三角形等各種形狀。通過網絡理論分析可證明一個匹配的無耗對稱三端結就是一個環(huán)行器，用散射矩陣表示為：

如果此非互易結是無耗的，則通過圓盤結波動方程加以正負與同相本征激勵推導出圓盤雙Y結的同相與正負激勵阻抗本征值：

式中：

其中Z0與Z±都是純虛數。若其歸一化值在阻抗圓圖上的分布以及其所對應的S本征值間的相角差互成120o，則此非互易結是環(huán)行的。這里可取其歸一化的導納本征值進行討論，其滿足環(huán)行條件時必有：

這里yq表示對應的是歸一化導納本征值，sq對應的歸一化散射矩陣本征值，這樣非互易結的散射參量可以通過其本征值表達

上述環(huán)行條件是所有非互易結通用的，環(huán)行性能參數為滿足環(huán)行條件的理想參數。然后通過上式推導可得在基模下圓盤雙Y結的環(huán)行條件，他是在結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)值可推出結阻抗 。非互易圓盤結的結阻抗Rj的概念為，若非互易結的三端均接上阻抗為Rj的源或負載阻抗，則此非互易結是環(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強度的鐵氧體，然后確定外加偏置磁場，得到歸一化飽和磁矩和歸一化內場等磁參數。再通過雙 Y結環(huán)行條件推導可得到一組參數(y；K/μ；kR)。因此，如果按這組參數來設計器件，則必然是一個理想環(huán)行器，所以環(huán)行器的設計在于仔細研究這組參 數，了解他們彼此之間有何關系，相互間怎樣制約，以便合理選取獲取更好的性能。

y參數為歸一化的導納參數，從上式可看出，他主要取決于雙Y結環(huán)行器的結構參數W，H，t，φ，ξ1，ξ2，鐵氧體介電常數εf以及有效張量磁導率μeff。環(huán)行器結構參數及εf，通常事先已決定，所以y主要取決于鐵氧體磁參數μeff的選取。