论文部分内容阅读
【摘要】环行器作为卫星中雷达、通讯等微波系统中的必备元件，起到信号定向传输、收发双工的作用。作为大功率信号的发射通路和反射信号的接收通路，其性能的优劣直接影响整机系统的功能实现，随着雷达、通信和电子对抗一体化技术的发展，对环行器提出了高谐波抑制及表贴安装要求。本文介绍了一种高谐波抑制设计的表贴环行器，该类产品的特点是高谐波抑制、體积小，表贴安装便于集成。
【关键词】环行器;高谐波抑制;表贴
1. 引言
环行器是一种非互易的多端口器件，当信号进入其中一个端口时会被耦合到它一个邻近的端口，但不会被耦合到其它的端口。通信要采用微波作为传输手段，因此环行器是不可缺少的基本器件。随着科学技术的发展，雷达、电子对抗和通信等电子设备往小型化、轻量化、多功能集成方向发展，整机对环行器提出了小型化、多功能、便于集成等要求，越来越多的设备要求环行器具有较好的滤波特性，也就是要求环行器要有高的谐波抑制，同时要小型化、表贴结构便于安装。但目前市场上环行器在带内有较好的性能，带外的滤波特性普遍较差，通常通过增加滤波器来提升带外特性，但会带了较大的尺寸，针对环行器的高谐波抑制及小型化要求，需在材料、电路、结构等方面开展研究。
2. 研究目标及途径
2.1 研究目标
本项目要求产品达到的技术指标见表1。
2.2 研制途径
产品的设计将分为三步，带线环行器结构、材料选取、高谐波抑制环行器电路设计、表贴结构输出设计。
2.2.1 产品组成
产品采用带线drop-in结构转表贴输出，主要由腔体、锶恒磁、接地板、旋磁基片、中心导体、防转片、永磁体、补偿片、盖板、介质套、内导体等组成，通过盖板和螺纹腔紧密配合压紧，内导体与中心导体采用焊接工艺连接。
2.2.2 旋磁铁氧体基片的选择
由于该环行器的使用频率和尺寸较小必须采用高场带线环行器进行设计，铁氧体基片的选择遵循以下几个原则：
目前旋磁铁氧体基片饱和磁化强度最高为5200Gs，故铁氧体基片的饱和磁化强度只能在1420～5200Gs之间选择。
（2）选择低损耗的旋磁铁氧体：对比两种体系铁氧体材料的损耗，选择石榴石系材料，饱和磁化强度只能在1420～1950 Gs之间选择，见表2。
（3）功率的选择：根据技术指标要求功率50W及上表参数，该功率较低，较容易满足。
2.3 高谐波抑制表贴环行器电路设计
环行器需采用高场设计，以压缩尺寸，降低损耗，便于产品通过50W的功率和宽温的设计要求。
环行器的非互易电路有圆结、双Y圆结、双Y结、扇形结、三角结边耦等电路模型，匹配电路有多节λ/4阻抗匹配和LC匹配电路，LC匹配比多节λ/4阻抗匹配更能压缩尺寸。项目产品相对带宽达到18%，且尺寸较小。根据双Y结、扇形结、三角结等结构及其变形结构进行电路仿真，扇形结和紧凑型三角结结构谐波抑制效果最优。本项目拟选择双Y扇形结、三角结边耦电路模型和LC匹配电路来实现产品的电性能。
环行器设计使用的旋磁铁氧体材料及介质材料一般有单基片、基片+聚四氟乙烯、基片+空气、陶瓷复合铁氧体基片等。采用高介电常数的陶瓷时，可以压缩电路的尺寸，同时给谐波抑制设计留出足够的空间，本项目拟采用陶瓷复合铁氧体基片进行环行器设计。根据现有陶瓷介电常数数据，选择介电常数最高且性能稳定的陶瓷材料，陶瓷材料介电常数为30。电路实验验证扇形结空间利用不够，带宽不够无法满足带内指标，能满足带内要求。
为了设计环行器的谐波，我们需要在保证环行性能的前提下，将环行结以外的匹配电路设计为滤波电路结构，这就需要给外围匹配电路留出较多的电容和电感量用于谐波设计。因此，圆盘结类的电路结构不利于谐波设计。因为圆盘结大小决定了频率范围，该频段下，大的圆盘结占据较大电容和较大空间，不利于带外滤波电路设计。通常情况，要获得高的谐波抑制量，中心结区域应尽量小，并将外围补偿结构设计为滤波结构。针对本项目，外围滤波电路有两种结构：
（1） LC低通滤波电路结构。该结构要求滤波截止频率f=1/（2π√LC）在该使用频率下，需要设计较大的LC值才能满足要求。
（2） 谐波的1/4波长开路线结构。该结构设计需要较大的空间设计谐波的1/4波长开路线。考虑到谐波带宽为5000-7000MHz，频带范围极宽且指标较高。要实现较好的谐波抑制带宽，抑制电路阶数需要较高。
另外，根据谐波激发理论，要抑制谐波激发，环行器内场设计需要较高值。σ的选择遵从以下关系：σ=（γHi）/f≈1.5-1.8。考虑到带宽要求，σ值不宜过高，取σ值为1.65。
选用紧凑型三角结结合两级谐波二次谐波1/4波长开路线结构，综合工程经验，将尺寸利用到极致后确定基片尺寸为Φ8.5mm×0.5mm，外面为Φ10.8mm×0.5mm的陶瓷环，制作的环行器能同时满足带内设计和带外谐波抑制性设计。
3. 结果
传统设计器件和本文介绍的高谐波抑制设计器件的带外S21仿真曲线如下：
如图所示，传统设计器件的带外谐波抑制为7.5 dB，而应用了高谐波抑制设计的器件其带外谐波抑制最低达到了27 dB。其测试结果与仿真结果具有良好的一致性，带内（2500-3500MHz）回波损耗小于18 dB，插入损耗小于0.4 dB ，隔离度大于18 dB，带外5000-7000MHz的频段范围大于25 dB，完全达到指标要求。
4. 结束语
环行器具有体积小、重量轻、功率容量大、可靠性高等系列优点，是卫星通讯微波电路中必不可少的重要元器件之一，市场需求量巨大，提升环行器高谐波抑制指标，增加环行器的带外滤波特性，可以提升整机性能指标，是环行器未来的发展方向之一。
参考文献：
[1]蒋仁培.带线环行器的设计综述[J]. 微波学报，1982， 6-15.
[2]魏克珠，蒋仁培，李士根.微波铁氧体新技术与应用[M]. 北京：国防工业出版社，2013， 85-131.
[3] 蒋仁培，宋淑平.微波铁氧体器件HFSS设计原理（上册）. [M]. 北京：科学出版社，2015， 31-32.
作者简介：赖金明，江西万安人，高级工程师，工程硕士，主要从事微波器件技术研究。
【关键词】环行器;高谐波抑制;表贴
1. 引言
环行器是一种非互易的多端口器件，当信号进入其中一个端口时会被耦合到它一个邻近的端口，但不会被耦合到其它的端口。通信要采用微波作为传输手段，因此环行器是不可缺少的基本器件。随着科学技术的发展，雷达、电子对抗和通信等电子设备往小型化、轻量化、多功能集成方向发展，整机对环行器提出了小型化、多功能、便于集成等要求，越来越多的设备要求环行器具有较好的滤波特性，也就是要求环行器要有高的谐波抑制，同时要小型化、表贴结构便于安装。但目前市场上环行器在带内有较好的性能，带外的滤波特性普遍较差，通常通过增加滤波器来提升带外特性，但会带了较大的尺寸，针对环行器的高谐波抑制及小型化要求，需在材料、电路、结构等方面开展研究。
2. 研究目标及途径
2.1 研究目标
本项目要求产品达到的技术指标见表1。
2.2 研制途径
产品的设计将分为三步，带线环行器结构、材料选取、高谐波抑制环行器电路设计、表贴结构输出设计。
2.2.1 产品组成
产品采用带线drop-in结构转表贴输出，主要由腔体、锶恒磁、接地板、旋磁基片、中心导体、防转片、永磁体、补偿片、盖板、介质套、内导体等组成，通过盖板和螺纹腔紧密配合压紧，内导体与中心导体采用焊接工艺连接。
2.2.2 旋磁铁氧体基片的选择
由于该环行器的使用频率和尺寸较小必须采用高场带线环行器进行设计，铁氧体基片的选择遵循以下几个原则：
目前旋磁铁氧体基片饱和磁化强度最高为5200Gs，故铁氧体基片的饱和磁化强度只能在1420～5200Gs之间选择。
（2）选择低损耗的旋磁铁氧体：对比两种体系铁氧体材料的损耗，选择石榴石系材料，饱和磁化强度只能在1420～1950 Gs之间选择，见表2。
（3）功率的选择：根据技术指标要求功率50W及上表参数，该功率较低，较容易满足。
2.3 高谐波抑制表贴环行器电路设计
环行器需采用高场设计，以压缩尺寸，降低损耗，便于产品通过50W的功率和宽温的设计要求。
环行器的非互易电路有圆结、双Y圆结、双Y结、扇形结、三角结边耦等电路模型，匹配电路有多节λ/4阻抗匹配和LC匹配电路，LC匹配比多节λ/4阻抗匹配更能压缩尺寸。项目产品相对带宽达到18%，且尺寸较小。根据双Y结、扇形结、三角结等结构及其变形结构进行电路仿真，扇形结和紧凑型三角结结构谐波抑制效果最优。本项目拟选择双Y扇形结、三角结边耦电路模型和LC匹配电路来实现产品的电性能。
环行器设计使用的旋磁铁氧体材料及介质材料一般有单基片、基片+聚四氟乙烯、基片+空气、陶瓷复合铁氧体基片等。采用高介电常数的陶瓷时，可以压缩电路的尺寸，同时给谐波抑制设计留出足够的空间，本项目拟采用陶瓷复合铁氧体基片进行环行器设计。根据现有陶瓷介电常数数据，选择介电常数最高且性能稳定的陶瓷材料，陶瓷材料介电常数为30。电路实验验证扇形结空间利用不够，带宽不够无法满足带内指标，能满足带内要求。
为了设计环行器的谐波，我们需要在保证环行性能的前提下，将环行结以外的匹配电路设计为滤波电路结构，这就需要给外围匹配电路留出较多的电容和电感量用于谐波设计。因此，圆盘结类的电路结构不利于谐波设计。因为圆盘结大小决定了频率范围，该频段下，大的圆盘结占据较大电容和较大空间，不利于带外滤波电路设计。通常情况，要获得高的谐波抑制量，中心结区域应尽量小，并将外围补偿结构设计为滤波结构。针对本项目，外围滤波电路有两种结构：
（1） LC低通滤波电路结构。该结构要求滤波截止频率f=1/（2π√LC）在该使用频率下，需要设计较大的LC值才能满足要求。
（2） 谐波的1/4波长开路线结构。该结构设计需要较大的空间设计谐波的1/4波长开路线。考虑到谐波带宽为5000-7000MHz，频带范围极宽且指标较高。要实现较好的谐波抑制带宽，抑制电路阶数需要较高。
另外，根据谐波激发理论，要抑制谐波激发，环行器内场设计需要较高值。σ的选择遵从以下关系：σ=（γHi）/f≈1.5-1.8。考虑到带宽要求，σ值不宜过高，取σ值为1.65。
选用紧凑型三角结结合两级谐波二次谐波1/4波长开路线结构，综合工程经验，将尺寸利用到极致后确定基片尺寸为Φ8.5mm×0.5mm，外面为Φ10.8mm×0.5mm的陶瓷环，制作的环行器能同时满足带内设计和带外谐波抑制性设计。
3. 结果
传统设计器件和本文介绍的高谐波抑制设计器件的带外S21仿真曲线如下：
如图所示，传统设计器件的带外谐波抑制为7.5 dB，而应用了高谐波抑制设计的器件其带外谐波抑制最低达到了27 dB。其测试结果与仿真结果具有良好的一致性，带内（2500-3500MHz）回波损耗小于18 dB，插入损耗小于0.4 dB ，隔离度大于18 dB，带外5000-7000MHz的频段范围大于25 dB，完全达到指标要求。
4. 结束语
环行器具有体积小、重量轻、功率容量大、可靠性高等系列优点，是卫星通讯微波电路中必不可少的重要元器件之一，市场需求量巨大，提升环行器高谐波抑制指标，增加环行器的带外滤波特性，可以提升整机性能指标，是环行器未来的发展方向之一。
参考文献：
[1]蒋仁培.带线环行器的设计综述[J]. 微波学报，1982， 6-15.
[2]魏克珠，蒋仁培，李士根.微波铁氧体新技术与应用[M]. 北京：国防工业出版社，2013， 85-131.
[3] 蒋仁培，宋淑平.微波铁氧体器件HFSS设计原理（上册）. [M]. 北京：科学出版社，2015， 31-32.
作者简介：赖金明，江西万安人，高级工程师，工程硕士，主要从事微波器件技术研究。