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结环行器的设计流程【摘要】根据结环行器理论，推导出通用的设计公式，提出设计流程，并据此设计出二公分波段带线环行器，验证了方法的有效性。关键词：结环行器设计流程铁氧体器件1引言带线结环行器是一种用途广泛的铁氧体器件，虽然其理论研究和设计实践具有深厚的基础，但对一般设计者来说却显得深沉而无从着手。本文把结环行器的场理论与路理论结合起来，推导出一些通用的设计公式，提出一个简明的设计流程，并以此研制出二公分波段结环行器，为将来更有效的计算机辅助设计打下基础。2设计依据图1是环行器的结构示意图，其核心是一个外加恒定磁场的铁氧体非互易结，中心导体可以是圆盘形、Y形、双Y形或三角形等各种形状。网络理论分析可证明一个匹配的无耗对称三端结就是一个环行器，用散射矩阵表示为： 对应散射矩阵的三个本征值为：根据导纳矩阵与散射矩阵的关系，可导出相应导纳本征值 (3)式中是任意值，消去后可得 (4)这就是三端结环行器的两个环行条件，它是一个通用公式，也就是说不论何种结构形式的三端结环行器，只要能导出它的三个导纳本征值，并令其满足上式，则它必然是一个理想环行器。为了导出不同结构形式的导纳本征值，可以从结的场理论或路理论出发。对于圆盘结环行器，只考虑三个低次模，得1式中，y为以未知结导纳Yj归一化的导纳参量而Yf为铁氧体带状线的特性导纳当然还可导出其它结构形式，例如Y形、双Y形甚至包括集中元件环行器的导纳本征值，这里不一一列出。令式（5）满足环行条件式（4），可以得出一组参数（kR，y，k）。反过来说，如果按这组参数来设计器件，则必然是一个理想环行器，因此环行器的设计在于仔细研究这组参数，看看它们彼此有什么关系，相互间有什么制约，以便合理选取。y参数：归一化的导纳参数，从式（6）、（7）可看出，它主要取决于环行器的结构参数W，H，铁氧体介电常数f以及有效张量磁导率。结构参数及f通常事先选取，所以，y主要取决于铁氧体磁参数。k参数：张量磁导率非对角分量除以对角分量，它也是铁氧体的磁参数。kR：贝塞尔函数的宗量，其中R是铁氧体样品的半径，而，k这些磁参数取决于铁氧体归一化磁矩和内磁场：式中，Ms为铁氧体饱和磁化强度，Hi，He为铁氧体内部、外部磁化场，Nz是磁化场方向的退磁因子，曲线见图2和图32。因此当工作频率和铁氧体材料选定后，k的大小由外加磁场决定，可见铁氧体半径与外加磁场是两个重要设计参数，是实现两个环行条件的具体操作。现在来分析一下设计过程：确定kR：即选取半径R以及选好磁场工作点，确定，k，得到kR。计算y：已知kR，由式（4）第一式计算y，通常y是无法与连接环行器的传输线（一般特性阻抗为50匹配的，故必须加匹配网络，或者改变结构参数，尤其是H或，使系统匹配。计算k：已知kR及y，由式（4）第二式计算k，若计算结果符合所确定的k值，设计成功，否则需重新确定kR，进行循环计算，直到符合条件。3设计流程经过上面的分析可写出环行器的设计流程如图4所示。为了简明起见，对环行器的匹配网络以及优化过程没有展开来叙述。设计只适合于窄带器件。从设计流程图可以看出，环行器设计的关键是选取R，为此要给出一个合理范围，对于低场器件，为了避免零场损耗，P通常选在0407之间，而外加磁场要使材料饱和，即0，由此可得出（k）理P1P2（10）至于R的选取，若考虑器件小型化，则应尽可能小，反之，若是高功率应用，则必须大一些，通常kR在0818之间确定，对于高场器件，必须使1，P1，当然也不能太大，大致范围为152，1P2。4实验结果按上述流程来设计一个二公分波段带线圆盘结环行器。输入条件：F016GHz，FF1F2，H22mm，t02mm，W08mm，10，所用材料的饱和磁化强度为KA/m,即P052，而f15。赋初值：R15mm，0，得（ k）理052，072，kR165。当把上述条件代入式（4）进行计算后，发现不能满足条件，须修改初值，为此，样品半径改为R136mm，磁场工作点不变，这时kR15。计算结果y681，k047，005。这个结果说明二公分波段这类频率较高的器件，样品尺寸的选取是很灵敏的，可以进一步计算Yj也就是结阻抗Rj1Yj855，这是一个低阻抗结，可以采用递增式网络与50传输线匹配，图5是这个器件的性能曲线。 5 结束语本