射频结环形器的设计流程与仿真

射频结环的设计过程及仿真环，射频环，微带环，小环，射频连接环，铁氧体环1导言铁氧体是一种特殊的磁性材料，在微波频段具有旋磁特性。由于它的一系列不可逆特性，它可以用来构造一系列微波不可逆器件，如循环器。微波循环器已经成为信息通信、电子对抗、航空航天等领域不可缺少的关键设备之一。如今，微波循环器的应用正迅速扩展到民用通信、能源技术、工农兵医疗等领域。循环器具有单向传输特性，入射信号可以平滑通过，反射信号由于被吸收电阻吸收而无法通过。其工作原理是利用中心结构满足射频场和外偏磁场之间的一定关系时产生的共振效应，从而获得圆形效应。目前，循环器通常使用圆盘结、Y结、双Y结和三角形结的中心谐振导体。本文的研究对象是一种以双Y结为基站中心导体的铁氧体环行器。根据设计，仿真结果满足隔离度大于26 dB、插入损耗小于0.3 dB、回波损耗大于26 dB、VSWR小于1.14、工作频段中心导体外半径尺寸约为5 mm的要求，实现了高性能和小型化，基本满足了几乎所有GSM基站对环行器的要求。同时，结合结环行器的场理论和路径理论，推导出一些通用的设计公式，给出了简洁的设计过程，并结合计算机辅助设计给出了仿真结果，对广大设计人员具有一定的指导意义。2设计过程图1是双y带结环行器的结构示意图。金属导体盘的半径为r，小y臂的长度为R0，耦合角为s，宽度为Ws，电长度为s，大y臂的宽度为w，耦合角为，铁氧体厚度为h，金属导体厚度为t。循环器的核心是施加恒定磁场的铁氧体不可逆结。中心导体通常可以是盘形、Y形、双Y形、三角形和其他形状。通过网络理论分析，可以证明匹配无损对称三端结是一个环行器，用散射矩阵表示如下：如果非互易结是无损的，那么圆盘双Y结的同相和正、负激励阻抗的本征值是通过将正、负和同相本征激励加到圆盘结波动方程中得到的：其中：其中Z0和Z是纯虚数。如果它在阻抗圆上的归一化值的分布和它对应的S个特征值之间的相角差彼此为120，则不可逆结是圆形的。归一化导纳特征值可以在这里讨论。当满足循环条件时，它必须是：这里yq表示归一化导纳特征值，sq对应于归一化散射矩阵特征值，因此非互易结的散射参数可以用它们的特征值来表示上述环路条件是所有非互易结所共有的，环路性能参数是满足环路条件的理想参数。然后，通过上述公式的推导，可以得到基模下圆盘双Y结的圆形条件，该条件出现在结阻抗归一化的条件下，在两个基模的共同作用下可以知道其条件：其中：然后，通过环路条件，可以从Y值推导出结阻抗。非互易盘结的结阻抗Rj的概念是，非互易结是圆形的，除非非互易结的所有三个末端都与具有Rj阻抗的源阻抗或负载阻抗相连。其中Zf是铁氧体带状线的特性阻抗，是Y形臂和圆盘之间的耦合角。上述公式定义了循环器的工作频率，选择具有适当饱和磁场强度的铁氧体，然后确定所施加的偏置磁场，以获得诸如归一化饱和磁矩和归一化内部场的磁参数。一组参数Y参数是归一化导纳参数。从上述公式可以看出，它主要取决于双Y结环行器的结构参数W、H、T、1、2、铁氧体介电常数f和有效张量磁导率eff。环行器的结构参数和f通常是预先确定的，所以y主要取决于铁氧体磁性参数eff的选择。k/参数是张量磁导率的非对角分量除以对角分量，对角分量也是铁氧体的磁参数。KR是贝塞尔函数的标量，其中r是铁氧体的半径，k是波数。磁参数eff、k取决于铁氧体的归一化磁矩和归一化内部磁场。饱和磁化和无损耗条件下的磁参数k、eff可由下式获得：其中p和分别代表归一化饱和磁矩和归一化内部场：其中Ms是铁氧体的饱和磁化强度；Hi是所施加的偏置磁场的大小。主要设计过程分析如下：首先，确定kR，即选择半径r和磁场工作点，并确定eff、k/、kR。然后计算y，即已知的kR，并通过循环条件计算y。通常，Y的结阻抗Rj不能与循环器的传输线连接。由于一般传输线的特性阻抗为50，环行器需要匹配才能接人，因此需要增加匹配网络或结构参数，特别是h或、1、2等。应该改变以匹配系统。然后计算k/，即已知的kR和y，并根据第二个环路条件计算k/。如果计算结果符合先前由P和确定的k/值，则设计成功。否则，需要重新确定kR并循环计算，直到满足条件，这可以通过Matlab来计算。一般来说，误差在0.05以内是可以接受的。从以上设计过程可以看出，结环行器设计的关键是选择R、P和，因此需要给出一个合理的范围。例如，对于低场器件，为了避免零场损耗，p通常选择在0.4和0.7之间，而施加的磁场应使材料饱和，即=0，偏置磁场为0。可用k/=p。eff=1-P2 .至于R的选择，如果考虑到器件的小型化，它应该尽可能小。另一方面，对于高功率应用，它会更大。kR的值通常在0.8和1.8之间确定。对于高现场设备，1和p1不应太大，近似范围为1.52和1 p 2。2 .3模拟结果和分析本文研究的频率范围是925960兆赫的GSM接收机，属于微波频率范围的低端。因此，循环器所需的偏置磁场高于铁氧体共振场。在高场工作时，设备的尺寸可以尽可能小。同时，它还要求饱和磁化材料具有更高的磁化强度和更高的偏置磁场。选择饱和磁化强度为1 800高斯、线宽H为40欧姆(Oe)、损耗角正切tan=0.005的铁氧体材料进行仿真。参考上述设计流程计算的参数为：R=4.0 mm，R0=1O mm，W=3.1 mm，s=36，=22，h=2.2 mm，t=0.2 mm，k/=0.52，归一化导纳y=4.53，结阻抗Rj=14.6，环路条件误差0.003。在计算机上，利用HFSS电磁场仿真软件进行三维建模和仿真，并设置合适的边界条件和激励源。仿真分别扫描工作频率f和内部偏置磁场强度Hi，并对性能参数进行比较和分析。因为匹配部分使用两阶段非增量匹配，所以仿真中计算结果的性能不是很理想，如图2所示。这里使用了HFSS的优化函数优化模块。通过将循环的结构参数作为变量，并创建成本函数作为优化的目标函数，循环性能得到了极大的提高，如图3所示。另外，通过内部磁场大小的比较，分析表明在相同的外部尺寸条件下，内部磁场的大小对环行器的性能有很大的影响，特别是在谐振频率附近曲线更陡，如图4所示。在940兆赫的谐振频率下，选定的内部磁场接近39 000安培/米。性能曲线表明，通过多次内磁场微调，频带隔离度大于24 dB，插入损耗小于0.3 dB，回波损耗大于26 dB，电压驻波比(VSWR)小于1.12。谐振点的隔离度为41 dB，插入损耗为0.22 dB，回波损耗为38 dB，电压驻波比(VSWR)为1.03，完全满足实际的GSM高性能要求。从电场能量的示意图来看，显然端口1至3的能量传输是明显的，而端口2几乎没有能量并且是隔离的，如图5所示。仿真结果表明，根据本文设计方