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高谐波抑制环行器技术研究

作者：***

来源：《卫星电视与宽带多媒体》2020年第06期

【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、体积小，表贴安装便于集成。

【关键词】环行器;高谐波抑制;表贴

引言1.

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。

研究目标2.及途径

研究目标2.1

本项目要求产品达到的技术指标见表1。

研2.2制途徑

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1420～1950Gs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。

高2.3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