Ka波段微带环行器和隔离器的仿真与设计.pdf

《Ka波段微带环行器和隔离器的仿真与设计.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、Ka波段微带环行器和隔离器的仿真与设计孙海华成华娟刘旷希(南京广顺电子技术研究所，南京，211132)电话：025—84176080EMAIL：Sunhaihua321@163．com摘要：本文介绍了一种用于微波组件中的微带环行器和隔离器，对其进行分析、设计。在AnsoftHFSS中建立模型进行仿真和优化。设计了环行器尺寸为4．5×4．5×0．3唧，隔离器尺寸为5．0×5．0×0．3m，在34～36GHz频带内电性能可以达到插损≤1．0dB，反向隔离≥20dB。驻波系数≤1．25。关键词：微带环行器和隔离器：HFSS仿真1概述由于微带环行器和隔离器具有体积小，易与微波电路集成等优点；同时

2、随着微波电路趋向集成化，微带环行器和隔离器越来越多地应用于雷达、通讯等系统中，这些系统要求微带环行器和隔离器体积小、重量轻、结构简单和性能可靠，从而成为现阶段环行器和隔离器研究的主要对象。我们研制的Ka波段的微带环行器和隔离器，采用了磁钢紧贴铁氧体基片表面，铁氧体基片焊接在金属导磁底座上(图1)，使用时底座焊接或黏贴在系统中，端口通过金丝键合技术连入系统中，从而达到了系统所需的上述要求。2工作原理图1微带环行器和隔离器的结构2．1环行器和隔离器的功能环行器和隔离器具有单向传输能量的特性，常用于电视发射机的天线和功率放大器或功率放大器与功率放大器之间，以防止后级打火对前级的损伤；后级开路或

3、阻抗变化对前级的影响，使每级放大器具有相当的独立性。电路符号如图2。l输图2环行器和隔离器电路符号1922．2微带环行器的工作原理微带环行器的工作原理可以从带线环行器推演出来，环行器工作显著特点就是其中心圆盘的谐振效应，圆盘结构在最低频率上的谐振具有如图3所示的偶极子模式，其射频磁场矢量与圆盘平面平行，而电场矢量垂直于圆盘平面。杰⋯一血⋯㈨I铲。渤H一9图3环行器铁氧体圆盘的驻波形式在无外加磁场情况，正负模式为一对简并模式，它们具有相同的谐振频率。如图1(a)所示，这时H产0，入射波从端1输入，激励出如图1(a)的场型，在端口2和端口3呈对称输出。其端电压与输入电压反向180。，而大小则

4、为输入电压的一半，这个驻波场可以设想为由两个同样结构的同频率的反向旋转场图合成。每个场图的磁场在圆盘中心是圆极化的，而半径增加时成为椭圆极化，在圆盘柱面上为线极化。故无环形现象。在外加磁场的情况下，正负模的谐振频率产生分裂，为了获得环形作用，两个模的分裂程度必须使得每个模的阻抗的相角在工作频率上均为30。，结果使得合成的驻波场型相对于外磁场为零时的驻波场旋转了30。如图1(b)所示，由于场图旋转了300，入射波仍从端口1输入，激励出的场型在端口3处电场为零，此端口即为隔离端，而端口2处的电场与输入端的电压大小相等，相位相反。能量从端口2处全部输出。由于结构的对称性，使得从端口2输入的功率

5、只能从端口3输出而不能进入端口1，从端口3输入的功率只能从端口1输出而不能进入端口2，由此形成理想环行器。3设计计算3．1铁氧体材料、饱和磁矩和厚度的选择3．1．1铁氧体材料选择由于微带环行器和隔离器一般工作在低场区，考虑到零场损耗及频带等因素，选材时一般二≈0．4U(K、p为张量导磁率[u]的分量)，据此可估算出铁氧体材料的4万M。值，从而确定选用何种材料。在本文设计的微带环行器和隔离器我们选择镍锌铁氧体材料。3．1．2铁氧体饱和磁矩及厚度的选择在铁氧体饱和磁矩选择时，为了使磁耗减少至最小，应满足下列条件：0．38≤竺≤0．44国其中，功=2丌，∞m=2丌厶，厶=y4万Mj为本征铁磁谐

6、振频率，厂为环行器和隔离器频率，旋磁比y-2．8×106Hz／oe。根据设计的器件在Ka波段，我们选择铁氧体的饱和磁矩为5000Gs。选择铁氧193体基片的厚度为0．3mm。3．2电路图形的设计微带隔离器是由微带环行器的第三端加吸收负载而成的，一个环行器可看作由结及阻抗匹配电路两部分组成，要使器件小型化，就必须从这两部分来考虑。这里我们把电路图制作成三条互成120。对称的微带线，在其结合处变成一个适当直径的金属薄圆盘(图4所示)。504．5卜—÷卜_二二一图4隔离器和环行器的电路图形3．3铁氧体基片的加工由于铁氧体基片的加工对器件性能有较大的影响，我们首先对铁氧体片进行抛光，再对铁氧体片

7、进行清洗等处理，电路图形通过光刻技术电镀在铁氧体片上。3．4隔离器的负载设计隔离器的负载的作用是将多余的微波吸收掉，稳定系统信号，是隔离器的关键元件，常用的有体吸收、共振吸收和厚膜匹配吸收等形式，本文采用的是薄膜匹配的吸收形式，其薄膜负载材料是氮化钥。仿真计算与实际设计结果根据上述计算结果，在AnsoftHFSS中进行仿真，仿真结果和实际调试性能如图5、图6所示：PIofI：SMofr．×Dofoj敛¨曲)SI

8、(dB)——詈锚S砣