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X波段易集成微带环行器/隔离器的设计 刘少辉程圣华 (中电科技集团第38研究所安徽合肥高新区香樟大道199号230088) 电话:055子邮箱:sdulsh8@sina.com 摘要:本文介绍了一种x波段易集成微带环行器/隔离器的研制。基于薄膜电路、微带基 板、薄膜电阻等的设计及制作技术,对微带环行器/隔离器的设计进行了简要的论述。该器件 工作在x波段。具有易集成、宽频带、轻小型化等特点,广泛应用于各种微波组件中。 关键词:微带;环行器:隔离器:薄膜电路:基板:薄膜电阻:工艺制造 1.引言 随着微波集成技术的发展,固态有源相控阵已成为当前雷达系统发展的主流,作为有源相控阵天馈 系统及收发T/R组件中的重要器件——微带环行器/隔离器,只有进行小型化、集成化设计与制造才能 够满足当前及未来需求。当前,微波电路的集成度越来越高,常将微带环行器/隔离器与接收机和发射 机集成在同一个单片上。 微带环行器通常是一种三端口器件,微波信号通过环行器时按一定方向传输(1—2—3一1),图1 示。若在环行器的3端口接一吸收电阻,即成为隔离器,微波信号可以从1端口传输到2端口,而从2 端口输入的微波信号将会被3端口的吸收电阻吸收。因此,对于隔离器,微波信号只能单方向传输。隔 离器对微波信号单向传输的特点,可使其用于发射机内系统间或功放组件内部放大器间起去耦作用,避 免微波信号交调干扰,以达到级间隔离的目的。而环行器可以用作收发开关,切换天线的工作状态,使 收发共用同一副天线,T/R组件中广泛应用的微带环行器即基于此应用,图2示。 本文简要介绍了一种X波段易集成微带环行器/隔离器的研制过程。 图1环行器工作示意图 图2某T/R组件原理框图 2.设计分析 微带环行器/隔离器设计主要涉及到如下几个方面:电路设计、基板设计、薄膜电阻设计、工艺设 计、稳恒磁场设计等内容。 133 2.1基本原理 环行器之所以具有非互易传输特性,是因为采用了微波铁氧体材料。在微波磁场与恒偏磁场的共同 作用下,微波铁氧体表现出旋磁特性,根据Bosma的研究理论,电磁波在环行器铁氧体中具有张量磁导 率特性。基于微带线准TEM模式传输近似,结合边界条件,将张量磁导率代入麦克斯韦方程,可以求得 具有不同磁导率的左旋、右旋两种圆极化波。铁氧体未磁化时,两旋转模共振模式简并,频率相同,成 为环行器的第一环行条件,图3为满足第一环行条件的驻波场图;铁氧体磁化时,两旋转模的两个共振 模的共振频率开始分裂成右旋共振模频率和左旋共振模频率,环行器频率介于两个频率之间,成为环行 器的第二环行条件。图4为满足第二环行条件的驻波场图,此时,环行器3端口电场场形为零点,传输 发生在1端口和2端口之间,第二环行条件也决定了环行器的带宽。 ,蕊膏 3 图3未磁化铁氧体驻波场图 图4磁化铁氧体驻波场图 2.2薄膜电路 基于铁氧体谐振腔模型分析,薄膜电路中心结尺寸应参照铁氧体模型尺寸进行设计。对于窄带环行 器/隔离器,使用圆盘结即能满足带宽要求。为进一步减小尺寸、增大带宽,常采用双Y结电路结构: 通过调节小Y结,尽量抵消结的电抗分量以实现宽带阻抗匹配。在本设计中,把小Y结设计成一系列的 多枝节开路短截线,各端口利用枝节拓宽带宽,见图5示。 2.3微带基板 微带基板是微带环行器/隔离器的主体部分,微带基板有两种做法:1、环行器微带基板使用陶瓷材 料,基板在结处挖圆孔,嵌入结铁氧体;2、环行器微带基板使用铁氧体材料(与结处铁氧体材料相同), 与结处铁氧体自然一体,无须另外挖孔嵌入。本文选用第2种方法。 对于x波段工作的环行器,因频段较高,只能选择低场工作方式。选择饱和磁矩约为2200高斯的 铁氧体材料,仅就饱和磁化强度、介电损耗和共振线宽等考虑,锂铁氧体和镍锌铁氧体均能满足材料要 求。需要注意的是,锂铁氧体晶格结构相对疏松,镜面抛光后表面将存在较多的孔缺陷,可能会带来较 大的插入损耗。

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