通信用V波段寬帶小型化波導隔離器設計.docx

1、通信用V波段寬帶小型化波導隔離器設計袁興武，何紹強，羅明(中國電子科技集團公司第九研究所，四川綿陽621000)摘要：設計了一款工作在V波段、帶寬為8GHz的寬帶小型化波導隔離器。根據(jù)隔離器要求的工作頻帶寬和外形尺寸小，通過對其工作模式分析，采用高階模工作方式突破該頻帝隔離器的材料限制，改善V波段隔離器的帶寬和性能；對結式環(huán)行器三角臺階匹配與圓臺階匹配原理進行分析，應用不對稱匹配設計方法進行設計，建立初步仿真模型，并通過HFSS軟件進行全波仿真優(yōu)化。最終設計的隔離器性能指標為：電壓駐波比WI.4,插入損耗W().5dB,隔離度Ml7dB,外形尺寸僅為30.5mmX6mmX26mm,滿足通信系統(tǒng)

2、應用使用要求。關鍵詞：波導隔離器；V波段：小型化：設計中圖分類號：TN627文獻標識碼：A文章編號：1001-3830(2019)04-0044-03DOI:10.19594/ki.09.l9701.2019.04.011DesignofV-bandbroadbandminiaturewaveguideisolatorforcommunicationapplicationsYUANXing-wu,HEShao-qiang.LUOMingNinthInstitute,ChinaElectronicsTechnologyCorporation,Mianyang621000,ChinaAbstrac

3、t:AbroadbandminiaturewaveguideisolatoroperatingatV-bandandbandwidthof8GHzisdesigned.Accordingtorequirementsforwidefrequencyband,smallsize,basedonmodeanalysis,operationofhighordermodeisappliedtobreakthroughmateriallimittothehandisolator,improvingthehandwidthandperformanceofV-bandisolator;byanalyzingm

4、atchingprincipleofdeltaandcircularstep,andusingasymmetricmatchingdesignmethod,thesimulationmodelisestablishedwithHFSSsoftwaretorealizefullwavesimulationandoptimization.ThedesignedisolatorfeaturesVSWR<1.4,insertionloss<0.5dB,isolations17dB,anddimensionof30.5mmx6mn】x26mm,meetingtheapplicationreq

5、uirementsforcommunicationsystem.Keywords:waveguideisolator;V-band;miniaturization;design1引言隨著新代無線通信技術的發(fā)展，對通信帶寬、傳輸速率的要求也越來越高，由此對微波點對點通信的載波頻率也提出了更高的要求，就各大通信巨頭預先研發(fā)的平臺看，其傳輸頻率己從目前的Ku、K、Ka頻段(1240GHz)躍升至V波段(5070GHz),同時，由于微波信號在大氣中的衰減、散射作用隨頻率的上升而顯著增強，基于高頻信號傳輸?shù)囊苿臃涓C基站布點也必然較傳統(tǒng)模式更為密集;同時隨著通信頻段的不斷占用，高頻通信成為競相搶占的發(fā)展先

6、機。V波段小型化波導隔離器的研究，將加快通信頻帶向高頻的發(fā)展。波導結式隔離器是發(fā)展最早的經(jīng)典微波鐵氧體器件，跨越頻率范圍最大，從P到W波段廣泛應用于各種微波設備中231。隨著毫米波技木的不斷發(fā)展,微波遙感、測距、微波成像技術以及航空航天的設備需求不斷提高，毫米波波導隔離器的重要性也不斷凸顯。從設計角度對通信用隔離器提出了小型化、低損耗、寬頻帶、高功率等要求，成為波導隔離器未來的發(fā)展方向。對8mm和6mm的波導環(huán)行器的研充己經(jīng)有30多年的歷史仇形成了相對豐富的理論基礎?；诟綦x器相關設計原理和工程實踐，我們設計了一款工作于V波段的小型化鐵氧體波導隔離器。2設計方法2.1鐵氧體基片選擇收稿日期:2

7、017-11-17修回日期：2018-12-03通訊作者：袁興武E-mail:xingwuyuan24鐵氧體材料飽和磁化強度般按下式確定：m=M(1)$4時式中，M.為飽和磁化強度，A/m：P為歸一化飽和磁化強度；y為旋磁比，對于旋磁鐵氧體材料，7約為3.5X104Hzm/A；to為設計輸入工作頻率的中心頻率，Hzo現(xiàn)有旋磁鐵氧體材料最高飽和磁化強度僅為5200G,由式可知，該飽和磁化強度的鐵氧體基片僅能滿足Ka及以下頻段使用。故而在V波段工作時，鐵氧體基片只能選擇最高飽和磁化強度的鐵氧體基片，然后通過匹配來實現(xiàn)高頻隔離器的性能。2.2匹配設計結式環(huán)行器常用寬帶匹陀方式有Y型多級臺階匹配、三角

8、結臺階匹配等。由于鐵氧體材料限制以及腔體尺寸限制，Y型多級臺階匹配方式的臺階尺寸較多，匹配臺階的加工精度對性能指標影響較大；采用三角結臺階匹配設計時，匹配的三角形鐵氧體基片尺寸太小，難以加工成型。故而采用不對稱匹配設計，即匹配臺階采用三角形和圓形，鐵氧體基片采用圓形基片進行設計。由于環(huán)行器不再關于分型面對稱，因此臺階匹配就同時具備三角形匹配和圓形匹配的特點，能夠極大地拓展帶寬，提升隔離器電性能參數(shù)。同時該設計結合了圓形基片易于加工的特點，便于生產加工。2.3模式分析圖1結環(huán)行器分析模型如下關系:低階模：1.841<k,Ro<2.405(1)高階模：3.045<<3.83

9、2(2)式中，各數(shù)值為貝塞爾函數(shù)根，Ro為鐵氧體半徑，上為最低階體內模的徑向傳播常數(shù)。高階模和低階模的結構差別在于鐵氧體半徑不同，在Ka波段以下，高階模沒有優(yōu)勢。但超過Ka波段，設計時將受到鐵氧體材料參數(shù)限制。在低階諧振模Cv.s模和Cs-v模中，前者不能提供較大帶寬,后者不能提供足夠的隔離度，因此高階模是改善V波段隔離器性能的有效選擇。2.4電路設計結合上述分析，對結式環(huán)行器的主要工作模式進行論證，其電路可用如圖1的模型進行分析！3】。區(qū)域電磁場分布，最后得到5區(qū)即端口處波導區(qū)域的電磁場，波導內本征模式包含傳輸波模式和局域波模式，即主模和高階模：主模(包括入射波和反射波)：波導環(huán)行器的諧振結

10、存在多種諧振模式叫，來支持其實現(xiàn)環(huán)行功能；鐵氧體內本征模的不同線性疊加就構成了不同的諧振模，并使諧振模具有不同的特性。諧振模分為低階模和高階模兩類，近似存在E笙笙-0=-sin(y+al2)exp(-rsin(y+«/2)exp(-JZ;10x)aaaa-cos(y+a/2)exp(jn(p)+r!cos(y+a/2)sin幾(y+。/2)exp(水x)+廠勿.n+。/2)cxp(-*x)l0I)匚£_sinZ(y+a/2)exp(-廠狎)(8)a其中廠”=&p7Tja)2_k；，p22為場強隨坐標起伏的次數(shù)；Gp為高斯系數(shù)。由矩形波導傳輸理論可知，當工作波長小于波

11、導寬邊尺寸時，波導中會出現(xiàn)兩種以上波型，形成多模區(qū)。結合上述分析，高階模H=-_/如)H=佑。>0(5)朝JLaa式中，(為角頻率，州為真空磁導率，加o為主模截止波數(shù)，廠為反射系數(shù)，是最后所要求的量。高階模為凋落波，無反射波：E=0四而皿(y+a/2)exp(-廠(6)1a1p兀拘4cos一)，+tz/2)exp(-心工)(7)Hw=G沖10sin其中旋磁基片尺寸半徑&，臺階半徑膈通過確定各區(qū)域的場邊界條件和傳輸模式，先求解鐵氧體區(qū)域和間隙區(qū)域的電磁場分布，再一一求解其他"4就彼圖3隔離器仿真結果：（a）電壓駐波比，（b）隔離度的激發(fā)主要通過調節(jié)鐵氧體基片尺寸和改變波導

12、寬邊尺寸來獲得。2.4仿真分析根據(jù)隔離器的工作頻率，選用BJ620波導進行設計。結構上采用三角形臺階和圓形臺階匹配設計，采用圓形基片；同時對波導寬邊尺寸進行壓縮。建立環(huán)行器仿真分析模型如圖2所示，仿真結果如圖3所示。由仿真結果可以看出，在工作帶寬內器件的電壓駐波比WI.25,隔離度219dB。環(huán)行器損耗與材質、表面處理及裝配密封工藝有很大關系，故而仿真中不考慮損耗曲線。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗可知，當電壓駐波比1.4.隔離度17dB時，該頻段環(huán)行器或隔離器的損耗在0.20.4dB之間。隔離器即環(huán)行器加個匹配負載構成，根據(jù)前面結果可知，匹配負載的駐波比應219dB,通過仿真分析，負載長度約為10mm,負

13、載仿真過程不再贅述。2.4結構設計V波段隔離器尺寸很小，波導口尺寸僅為3.76mmxl.88mm,為了減小負載端尺寸，負載端部單獨成腔，與環(huán)行器部分一起加工。為滿足小型化要求，傳輸長度要盡是小，因此腔體結構分為上、下腔設計，負載端不單獨成腔，根據(jù)所需長度在隔離端口預留足夠匹配長度。為保證器件損耗特性，在分型面上設置密封槽，使上下腔結合緊密。同時為了為方便實際使用及測試，將輸入輸出波導轉為平行面，即將常規(guī)的Y型傳輸路徑設計為T型。3樣品制作及測試結果通過仿真優(yōu)化和結構設計，制作出隔離器樣品,如圖4所示。器件外形尺寸為30.5mm（長）x16mm（寬）x26mm（高）。圖4隔離器實物照片通過標量網(wǎng)

14、絡測試系統(tǒng)對樣品進行測試，測試結果如圖5所示。由圖5可以看出，在5764GHz頻段范圍內，隔離器的電壓駐波比W1.3,隔離度218dB,損耗0.3dB,滿足設計指標要求。4結語通過非對稱設計方法，結合三角形臺階匹配和圓形臺階匹配的優(yōu)勢來拓展帶寬，設計了帶寬為8GHz的V波段寬帶波導隔離器，在仿真的基礎上制作出隔離器樣品，性能測試表明，在V波段57-64GHz寬頻內，器件的電壓駐波比1.4,插損W0.5dB,隔離度17dB,同時傳輸尺寸僅為16mm。設計的隔離器滿足微波通信設備寬頻化、小型化、高性能的要求，可望在通信系統(tǒng)中廣泛應用。（下轉69頁）體，卻只有25-50mToFe-Co-Si-B-P

15、-Cu納米晶合金Nanomet»其）A/、>1.8T,Hc<0A/m,在50Hz、1.7T時的功耗為0.4W/kg。因此，使用非晶納米晶合金，與使用軟磁鐵氧體相比，可以顯著降低高頻磁性元器件的損耗、體積和重量，優(yōu)勢明顯。除以上一些因素之外，從應用角度，對于磁性元器件來說，還需要在各種環(huán)境因素條件下能正常穩(wěn)定工作，這就要求其磁性能要不隨工作環(huán)境（如溫度等）或運行條件（如直流偏磁DC-bias等）等的變化而變化，或者變化很小。在電訊工業(yè)中尤其需要如此，例如，戶外電話需要在一40°C+5（）°C甚至更高的溫度下都能正常運行，這就相應地要求所用的磁性材料的磁性

16、能要在此溫度范圍內保持恒定。戶外電話線路有時會遭受雷擊，會在電路中產生非常大的直流電，此時如果線路中的磁性材料因此而改變性能，電話線就無法正常工作，況且，由于振鈴需要，電話線路中本身就有直流成分，這就要求線路中所用的磁性材料不但直流疊加性能（DC-Bias）要非常好，而且抗飽和能力也要非常強，有時要承受幾卜kA/m的疊加磁場而不飽和。也就是說，磁導率在一個很寬的磁場范圍內要基本上不隨磁場的變化而變化。在網(wǎng)結線路中，信號是工作在一個很寬的頻率范圍，這也就要求所使用的磁性材料在這個頻率范圍內其磁導率要保持恒定，不隨頻率的變化而變化，因為只有這樣線路才能正常工作。由此可見，除上面提到的一些指標外，還

17、對軟磁材料提出了寬溫特性、寬頻特性和抗直流疊加特性等要求。（未完待續(xù)）（上接46頁）（b）2端口電壓駐波比，（c）插損，（d）隔離度圖5隔離器性能：（a）I端口電壓駐波比,參考文獻：1尹久紅，何紹強，閆歡，等.3mm波鐵氧體高速開關仿真設計與研制J.磁性材料及器件，2016.47(5):41-44.|2ZhangDG,YuangEKN.8mmT-junctionwaveguidecirculatorwithaferritesphere|J|.ElectronLett.1995,31(25):2185-2187.3 OwenB.Theidentificationofmodalresonanceinferriteloadedwave