今日薦文
今日薦文的作者為南京資訊工程大學， 江蘇省氣象探測與資訊處理重點實驗室專家楊現志， 葛俊祥， 李浩， 汪潔。 本篇節選自論文《X波段波導環形器的設計與實現》，
摘要：為滿足某X波段船舶導航雷達系統的需求， 設計了一種部分高度雙三角形鐵氧體中心結形式的波導環形器。 在設計過程中， 採用三角形阻抗變換器和三螺釘匹配器來實現環形器的阻抗匹配， 利用商務軟體HFSS對環形器的結構進行模擬優化， 最終加工出實物並進行了測試。 測試結果表明， 在9.1GHz~10.5GHz範圍內， 該環形器插入損耗小於0.3db， 隔離度大於20db， 駐波小於1.25， 整體指標滿足系統要求， 目前已成功應用于雷達系統中。
引 言
由旋磁鐵氧體樣品製作的環形器作為雷達天線的收發隔離， 可以實現發射機和接收機的天線共用。 X波段雷達， 許多採用脈衝磁控管做發射機，
為實現較好的阻抗匹配， 本文採用了波導內H面減高的結環結構， 對稱三埠波導的中心處的鐵氧體設計為正三角形。 為實現環形器的寬頻帶， 採用了在鐵氧體樣品處分別載入三角形金屬匹配片， 以構成一個阻抗變換器；同時， 在環形器的三個埠各加一個匹配螺釘， 有效調節三埠的匹配。 該環形器體積相對較小，
1. 環形器的設計
1.1 鐵氧體材料的選擇
鐵氧體材料決定了環形器的功率容量和損耗特性。 影響環形器性能的鐵氧體材料的主要參數有飽和磁化強度4πMs、鐵磁共振線寬△H、自旋波線寬△Hk、居裡溫度TC等， 其中最重要的參數是飽和磁化強度4πMs。 在低場設計時， 通常按式(1)選取4πMs。
（1）
式(1)中， p為歸一化磁矩， γ為旋磁比， f0為工作頻率。 為使環形器獲得較寬的工作頻寬， p應選擇較大的取值， 另外為避免低場損耗， p的取值又不能過高。 同時為了提高器件承受峰值功率容量， 本器件的設計採用了飽和磁化強度為2100GS的鐵氧體材料。
1.2 鐵氧體的尺寸
理想的三埠波導環形器的設計概念基於散射矩陣以及網路技術。
圖1 環形器腔體結構
為實現較好的阻抗匹配， 本文採用了波導內H面減高的結環結構， 三埠中心結設計成部分高度兩片上下對稱的三角鐵氧體樣品形式， 並且使鐵氧體樣品等邊三角形每一角的頂點均對準環形器的三個輸入輸出埠正中。 這種結構能夠有效減小鐵氧體樣品的尺寸， 利於散熱和減小外加磁場。
所述波導環形器工作於TM模式。 由於鐵氧體的相對介電常數εr=9~16>>1， 因此三角形鐵氧體的邊界面可近似處理為磁壁。 圖1中的鐵氧體樣品， 其形狀是正三角形， 這種部分高度三角形鐵氧體的諧振頻率為：
（2）
式（2）中， A為三角形鐵氧體的邊長， h為三角形鐵氧體的厚度， m=1， n=-1， p=1， μeff、εr分別為鐵氧體的有效磁導率和有效介電常數。 因此三角形鐵氧體樣品的諧振頻率主要由其邊長A和厚度h決定。
鐵氧體結可以看成諧振電路， 其結阻抗很低， 約為十歐；而空波導的特性阻抗一般很高， 約為百歐。 因此想要獲得較寬的頻帶， 需要實現鐵氧體結與空波導的寬頻匹配， 本文採用三角形金屬阻抗變換器進行匹配。 這種阻抗變換器是脊寬逐漸減小的雙脊波導， 其楔形結構的作用可理解為一漸變匹配變換器， 利於增加頻寬。
三角形金屬阻抗變換器的尺寸決定了波導與鐵氧體共振子之間的匹配作用， 通過調整三角形阻抗變換器尺寸， 可以使輸入波導內的功率盡可能完全傳輸到鐵氧體共振子，從而達到寬頻的匹配效果。
由此，可以對鐵氧體樣品和三角形阻抗變換器尺寸進行初步計算，方便後面的設計使用。
1.3 外加磁場的選擇
在鐵氧體材料已經選定，環形器結構初步確定後，需要選擇合適的外加偏置磁場H0使鐵氧體樣品接近飽和，然後適當的調整磁場大小使環形器達到最佳環形性能。鐵氧體內場Hi為：
（3）
式（3）中，Nz為退磁因數，其值取決於鐵氧體樣品的形狀、磁化方向。該環形器為低場器件，此時Hi=0。因此，H0=Nz4πMs為外加偏置磁場的大小。
2. 模擬與測試
在波導結環形器基本理論指導下，確定波導環形器各參數的初始值，然後利用模擬軟體HFSS進行模擬和優化設計。圖2為電磁模擬模型示意圖。
圖2 環形器模型示意圖
考慮到在實際應用中，為方便與發射機以及接收機部分連接，本文將Y結環形器的兩個臂與H面波導彎頭連接，從而設計為T-Y結構。這樣可以使環形器結構更加緊湊以及在安裝分路系統時，不必在Y型波導環形器外接150°波導彎頭。
設計中採用的是波導結構，本文在環形器三埠正中各加一個調諧螺釘，構成三螺釘匹配器。在實物測試中，通過該三螺釘匹配器可以有效調節三埠的匹配，減少加工誤差的影響，並進一步拓展頻寬。
顯然，波導彎頭引起的不連續性以及三螺釘匹配器的引入對環形器性能有影響，因此將上述的改變加入器件模型進行優化模擬，得到了合適的尺寸。
圖3~5為在HFSS中進行模擬優化後的結果。從圖中可以看出，在9.1GHz~10.5GHz頻段內，該環形器的三埠性能均較好，由於引入了波導彎頭造成了不對稱性，三個埠之間有少許差異。
圖3 環形器的插入損耗（模擬）
圖4 環形器的隔離度（模擬）
圖5 環形器的駐波比（模擬）
按照模擬優化的結果，加工出實物（如圖6所示）。為方便環形器的定位裝配和快速調試，本文將圖1中的小臺階設計為與鐵氧體樣品同形狀0.05mm的凹進。裝配完成後，使用向量網路分析儀Agilent E8363C進行測試。
圖6 環形器加工實物圖
圖7~9為實物測試的結果。結果表明，該環形器性能優良，在9.1GHz~10.5GHz頻段內，各項指標滿足系統要求（插入損耗20db，VSWR
圖7 環形器的插入損耗（測試）
圖8 環形器的隔離度（測試）
圖9 環形器的駐波比（測試）
3 結 語
本文設計了一種X波段波導環形器，該環形器採用三角形阻抗變換器進行阻抗匹配，並且使用了三螺釘匹配器，調節加工以及裝配誤差引起的埠不匹配。模擬和測試結果表明，在9.1GHz~10.5GHz頻率範圍內，性能優良，並且加工裝配較為方便，能較好地滿足實際應用要求。
參考文獻略
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電話：010-68893411
郵箱：dkyxuebao@vip.126.com
封面配圖來自於網路
可以使輸入波導內的功率盡可能完全傳輸到鐵氧體共振子，從而達到寬頻的匹配效果。由此，可以對鐵氧體樣品和三角形阻抗變換器尺寸進行初步計算，方便後面的設計使用。
1.3 外加磁場的選擇
在鐵氧體材料已經選定，環形器結構初步確定後，需要選擇合適的外加偏置磁場H0使鐵氧體樣品接近飽和，然後適當的調整磁場大小使環形器達到最佳環形性能。鐵氧體內場Hi為：
（3）
式（3）中，Nz為退磁因數，其值取決於鐵氧體樣品的形狀、磁化方向。該環形器為低場器件，此時Hi=0。因此，H0=Nz4πMs為外加偏置磁場的大小。
2. 模擬與測試
在波導結環形器基本理論指導下，確定波導環形器各參數的初始值，然後利用模擬軟體HFSS進行模擬和優化設計。圖2為電磁模擬模型示意圖。
圖2 環形器模型示意圖
考慮到在實際應用中，為方便與發射機以及接收機部分連接，本文將Y結環形器的兩個臂與H面波導彎頭連接，從而設計為T-Y結構。這樣可以使環形器結構更加緊湊以及在安裝分路系統時，不必在Y型波導環形器外接150°波導彎頭。
設計中採用的是波導結構，本文在環形器三埠正中各加一個調諧螺釘，構成三螺釘匹配器。在實物測試中，通過該三螺釘匹配器可以有效調節三埠的匹配，減少加工誤差的影響，並進一步拓展頻寬。
顯然，波導彎頭引起的不連續性以及三螺釘匹配器的引入對環形器性能有影響，因此將上述的改變加入器件模型進行優化模擬，得到了合適的尺寸。
圖3~5為在HFSS中進行模擬優化後的結果。從圖中可以看出，在9.1GHz~10.5GHz頻段內，該環形器的三埠性能均較好，由於引入了波導彎頭造成了不對稱性，三個埠之間有少許差異。
圖3 環形器的插入損耗（模擬）
圖4 環形器的隔離度（模擬）
圖5 環形器的駐波比（模擬）
按照模擬優化的結果，加工出實物（如圖6所示）。為方便環形器的定位裝配和快速調試，本文將圖1中的小臺階設計為與鐵氧體樣品同形狀0.05mm的凹進。裝配完成後，使用向量網路分析儀Agilent E8363C進行測試。
圖6 環形器加工實物圖
圖7~9為實物測試的結果。結果表明，該環形器性能優良，在9.1GHz~10.5GHz頻段內，各項指標滿足系統要求（插入損耗20db，VSWR
圖7 環形器的插入損耗（測試）
圖8 環形器的隔離度（測試）
圖9 環形器的駐波比（測試）
3 結 語
本文設計了一種X波段波導環形器，該環形器採用三角形阻抗變換器進行阻抗匹配，並且使用了三螺釘匹配器，調節加工以及裝配誤差引起的埠不匹配。模擬和測試結果表明，在9.1GHz~10.5GHz頻率範圍內，性能優良，並且加工裝配較為方便，能較好地滿足實際應用要求。
參考文獻略
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