通信用V波段宽带小型化波导隔离器设计.docx

1、通信用V波段宽带小型化波导隔离器设计袁兴武，何绍强，罗明(中国电子科技集团公司第九研究所，四川绵阳621000)摘要：设计了一款工作在V波段、带宽为8GHz的宽带小型化波导隔离器。根据隔离器要求的工作频带宽和外形尺寸小，通过对其工作模式分析，采用高阶模工作方式突破该频帝隔离器的材料限制，改善V波段隔离器的带宽和性能；对结式环行器三角台阶匹配与圆台阶匹配原理进行分析，应用不对称匹配设计方法进行设计，建立初步仿真模型，并通过HFSS软件进行全波仿真优化。最终设计的隔离器性能指标为：电压驻波比WI.4,插入损耗W().5dB,隔离度Ml7dB,外形尺寸仅为30.5mmX6mmX26mm,满足通信系统

2、应用使用要求。关键词：波导隔离器；V波段：小型化：设计中图分类号：TN627文献标识码：A文章编号：1001-3830(2019)04-0044-03DOI:10.19594/ki.09.l9701.2019.04.011DesignofV-bandbroadbandminiaturewaveguideisolatorforcommunicationapplicationsYUANXing-wu,HEShao-qiang.LUOMingNinthInstitute,ChinaElectronicsTechnologyCorporation,Mianyang621000,ChinaAbstrac

3、t:AbroadbandminiaturewaveguideisolatoroperatingatV-bandandbandwidthof8GHzisdesigned.Accordingtorequirementsforwidefrequencyband,smallsize,basedonmodeanalysis,operationofhighordermodeisappliedtobreakthroughmateriallimittothehandisolator,improvingthehandwidthandperformanceofV-bandisolator;byanalyzingm

4、atchingprincipleofdeltaandcircularstep,andusingasymmetricmatchingdesignmethod,thesimulationmodelisestablishedwithHFSSsoftwaretorealizefullwavesimulationandoptimization.ThedesignedisolatorfeaturesVSWR<1.4,insertionloss<0.5dB,isolations17dB,anddimensionof30.5mmx6mn】x26mm,meetingtheapplicationreq

5、uirementsforcommunicationsystem.Keywords:waveguideisolator;V-band;miniaturization;design1引言随着新代无线通信技术的发展，对通信带宽、传输速率的要求也越来越高，由此对微波点对点通信的载波频率也提出了更高的要求，就各大通信巨头预先研发的平台看，其传输频率己从目前的Ku、K、Ka频段(1240GHz)跃升至V波段(5070GHz),同时，由于微波信号在大气中的衰减、散射作用随频率的上升而显著增强，基于高频信号传输的移动蜂窝基站布点也必然较传统模式更为密集;同时随着通信频段的不断占用，高频通信成为竞相抢占的发展先

6、机。V波段小型化波导隔离器的研究，将加快通信频带向高频的发展。波导结式隔离器是发展最早的经典微波铁氧体器件，跨越频率范围最大，从P到W波段广泛应用于各种微波设备中231。随着毫米波技木的不断发展,微波遥感、测距、微波成像技术以及航空航天的设备需求不断提高，毫米波波导隔离器的重要性也不断凸显。从设计角度对通信用隔离器提出了小型化、低损耗、宽频带、高功率等要求，成为波导隔离器未来的发展方向。对8mm和6mm的波导环行器的研充己经有30多年的历史仇形成了相对丰富的理论基础。基于隔离器相关设计原理和工程实践，我们设计了一款工作于V波段的小型化铁氧体波导隔离器。2设计方法2.1铁氧体基片选择收稿日期:2

7、017-11-17修回日期：2018-12-03通讯作者：袁兴武E-mail:xingwuyuan24铁氧体材料饱和磁化强度般按下式确定：m=M(1)$4时式中，M.为饱和磁化强度，A/m：P为归一化饱和磁化强度；y为旋磁比，对于旋磁铁氧体材料，7约为3.5X104Hzm/A；to为设计输入工作频率的中心频率，Hzo现有旋磁铁氧体材料最高饱和磁化强度仅为5200G,由式可知，该饱和磁化强度的铁氧体基片仅能满足Ka及以下频段使用。故而在V波段工作时，铁氧体基片只能选择最高饱和磁化强度的铁氧体基片，然后通过匹配来实现高频隔离器的性能。2.2匹配设计结式环行器常用宽带匹陀方式有Y型多级台阶匹配、三角

8、结台阶匹配等。由于铁氧体材料限制以及腔体尺寸限制，Y型多级台阶匹配方式的台阶尺寸较多，匹配台阶的加工精度对性能指标影响较大；采用三角结台阶匹配设计时，匹配的三角形铁氧体基片尺寸太小，难以加工成型。故而采用不对称匹配设计，即匹配台阶采用三角形和圆形，铁氧体基片采用圆形基片进行设计。由于环行器不再关于分型面对称，因此台阶匹配就同时具备三角形匹配和圆形匹配的特点，能够极大地拓展带宽，提升隔离器电性能参数。同时该设计结合了圆形基片易于加工的特点，便于生产加工。2.3模式分析图1结环行器分析模型如下关系:低阶模：1.841<k,Ro<2.405(1)高阶模：3.045<<3.83

9、2(2)式中，各数值为贝塞尔函数根，Ro为铁氧体半径，上为最低阶体内模的径向传播常数。高阶模和低阶模的结构差别在于铁氧体半径不同，在Ka波段以下，高阶模没有优势。但超过Ka波段，设计时将受到铁氧体材料参数限制。在低阶谐振模Cv.s模和Cs-v模中，前者不能提供较大带宽,后者不能提供足够的隔离度，因此高阶模是改善V波段隔离器性能的有效选择。2.4电路设计结合上述分析，对结式环行器的主要工作模式进行论证，其电路可用如图1的模型进行分析！3】。区域电磁场分布，最后得到5区即端口处波导区域的电磁场，波导内本征模式包含传输波模式和局域波模式，即主模和高阶模：主模(包括入射波和反射波)：波导环行器的谐振结

10、存在多种谐振模式叫，来支持其实现环行功能；铁氧体内本征模的不同线性叠加就构成了不同的谐振模，并使谐振模具有不同的特性。谐振模分为低阶模和高阶模两类，近似存在E笙笙-0=-sin(y+al2)exp(-rsin(y+«/2)exp(-JZ;10x)aaaa-cos(y+a/2)exp(jn(p)+r!cos(y+a/2)sin几(y+。/2)exp(水x)+厂勿.n+。/2)cxp(-*x)l0I)匚£_sinZ(y+a/2)exp(-厂狎)(8)a其中厂”=&p7Tja)2_k；，p22为场强随坐标起伏的次数；Gp为高斯系数。由矩形波导传输理论可知，当工作波长小于波

11、导宽边尺寸时，波导中会出现两种以上波型，形成多模区。结合上述分析，高阶模H=-_/如)H=佑。>0(5)朝JLaa式中，(为角频率，州为真空磁导率，加o为主模截止波数，厂为反射系数，是最后所要求的量。高阶模为凋落波，无反射波：E=0四而皿(y+a/2)exp(-厂(6)1a1p兀拘4cos一)，+tz/2)exp(-心工)(7)Hw=G冲10sin其中旋磁基片尺寸半径&，台阶半径膈通过确定各区域的场边界条件和传输模式，先求解铁氧体区域和间隙区域的电磁场分布，再一一求解其他"4就彼图3隔离器仿真结果：（a）电压驻波比，（b）隔离度的激发主要通过调节铁氧体基片尺寸和改变波导

12、宽边尺寸来获得。2.4仿真分析根据隔离器的工作频率，选用BJ620波导进行设计。结构上采用三角形台阶和圆形台阶匹配设计，采用圆形基片；同时对波导宽边尺寸进行压缩。建立环行器仿真分析模型如图2所示，仿真结果如图3所示。由仿真结果可以看出，在工作带宽内器件的电压驻波比WI.25,隔离度219dB。环行器损耗与材质、表面处理及装配密封工艺有很大关系，故而仿真中不考虑损耗曲线。根据工程实践经验可知，当电压驻波比1.4.隔离度17dB时，该频段环行器或隔离器的损耗在0.20.4dB之间。隔离器即环行器加个匹配负载构成，根据前面结果可知，匹配负载的驻波比应219dB,通过仿真分析，负载长度约为10mm,负

13、载仿真过程不再赘述。2.4结构设计V波段隔离器尺寸很小，波导口尺寸仅为3.76mmxl.88mm,为了减小负载端尺寸，负载端部单独成腔，与环行器部分一起加工。为满足小型化要求，传输长度要尽是小，因此腔体结构分为上、下腔设计，负载端不单独成腔，根据所需长度在隔离端口预留足够匹配长度。为保证器件损耗特性，在分型面上设置密封槽，使上下腔结合紧密。同时为了为方便实际使用及测试，将输入输出波导转为平行面，即将常规的Y型传输路径设计为T型。3样品制作及测试结果通过仿真优化和结构设计，制作出隔离器样品,如图4所示。器件外形尺寸为30.5mm（长）x16mm（宽）x26mm（高）。图4隔离器实物照片通过标量网

14、络测试系统对样品进行测试，测试结果如图5所示。由图5可以看出，在5764GHz频段范围内，隔离器的电压驻波比W1.3,隔离度218dB,损耗0.3dB,满足设计指标要求。4结语通过非对称设计方法，结合三角形台阶匹配和圆形台阶匹配的优势来拓展带宽，设计了带宽为8GHz的V波段宽带波导隔离器，在仿真的基础上制作出隔离器样品，性能测试表明，在V波段57-64GHz宽频内，器件的电压驻波比1.4,插损W0.5dB,隔离度17dB,同时传输尺寸仅为16mm。设计的隔离器满足微波通信设备宽频化、小型化、高性能的要求，可望在通信系统中广泛应用。（下转69页）体，却只有25-50mToFe-Co-Si-B-P

15、-Cu纳米晶合金Nanomet»其）A/、>1.8T,Hc<0A/m,在50Hz、1.7T时的功耗为0.4W/kg。因此，使用非晶纳米晶合金，与使用软磁铁氧体相比，可以显著降低高频磁性元器件的损耗、体积和重量，优势明显。除以上一些因素之外，从应用角度，对于磁性元器件来说，还需要在各种环境因素条件下能正常稳定工作，这就要求其磁性能要不随工作环境（如温度等）或运行条件（如直流偏磁DC-bias等）等的变化而变化，或者变化很小。在电讯工业中尤其需要如此，例如，户外电话需要在一40°C+5（）°C甚至更高的温度下都能正常运行，这就相应地要求所用的磁性材料的磁性

16、能要在此温度范围内保持恒定。户外电话线路有时会遭受雷击，会在电路中产生非常大的直流电，此时如果线路中的磁性材料因此而改变性能，电话线就无法正常工作，况且，由于振铃需要，电话线路中本身就有直流成分，这就要求线路中所用的磁性材料不但直流叠加性能（DC-Bias）要非常好，而且抗饱和能力也要非常强，有时要承受几卜kA/m的叠加磁场而不饱和。也就是说，磁导率在一个很宽的磁场范围内要基本上不随磁场的变化而变化。在网结线路中，信号是工作在一个很宽的频率范围，这也就要求所使用的磁性材料在这个频率范围内其磁导率要保持恒定，不随频率的变化而变化，因为只有这样线路才能正常工作。由此可见，除上面提到的一些指标外，还

17、对软磁材料提出了宽温特性、宽频特性和抗直流叠加特性等要求。（未完待续）（上接46页）（b）2端口电压驻波比，（c）插损，（d）隔离度图5隔离器性能：（a）I端口电压驻波比,参考文献：1尹久红，何绍强，闫欢，等.3mm波铁氧体高速开关仿真设计与研制J.磁性材料及器件，2016.47(5):41-44.|2ZhangDG,YuangEKN.8mmT-junctionwaveguidecirculatorwithaferritesphere|J|.ElectronLett.1995,31(25):2185-2187.3 OwenB.Theidentificationofmodalresonanceinferriteloadedwave