莫炜芳 王梅生
南京金宁微波有限公司 江苏南京 210046
摘要：采用高场工作模式，通过计算机模拟仿真，反复试验，研制成功一种高性能S波段小型化宽带带线环行器。本文介绍了环行器的设计思路和方法。
关键词：带线结环行器 铁氧体 小型化 高场模式
1引言
S波段小型化宽带带线环行器应用于某大型相控阵雷达，该雷达系统需使用大量性能优良、体积小、重量轻并可承受一定功率的带线环行器。具体的电气性能如下：
工作频率： f0±400MHz
正向损耗： ≤0.4dB
反向损耗： ≥18 dB
电压驻波比： ≤1.3
二次谐波抑制： ≥20 dB
相位一致性： ≤±5°
功率容量： ≥400W（工作比10%）
最大质量： 8g
外形尺寸： 14×14×7mm
工作温度： -55～+85℃
2工作原理及设计过程
2.1带线结环行器工作原理
带线结环行器的主要特点是结构简单、体积小，在小型化与微波集成电路中得到了广泛的应用，本环行器就采用了这种形式。带线结环行器的基本结构是两片铁氧体圆片对称放在带线中心导体和接地板之间，铁氧体圆片由外加永磁体提供垂直于铁氧体圆片平面方向的恒磁场。
通过分析电磁场的边界值可以得出带线结环行器必须满足两个环行条件，第一个是形成驻波的谐振条件，工作频率处于非耦合的两个正交模式频率之间；第二个就是匹配条件，要求输入输出端的输入导纳等于结终端的导纳。环行器为获得性能良好的环行性能，通常可调整铁氧体圆片的饱和磁化强度和直径，中心导体的尺寸和外加恒磁场等。
2.2设计分析
本课题主要解决小型化、相对频带较宽（2δ=26%）、性能指标要求高的问题。影响尺寸主要有波长、工作模式、铁氧体材料参数、内导体形状等因素。针对这些难点，我们采取了一系列措施，主要包含以下方面：
2.2.1选用高场区工作模式
通常我们考虑两种磁场区域工作的环行器，一种为工作磁场低于共振磁场的器件，称为低场器件；另一种为工作磁场高于共振磁场的器件，称为高场器件。
高场器件铁氧体的有效磁导率为低场器件的2～5倍，这样铁氧体尺寸可以大大缩小。高场器件因没有受到自旋波简并驰豫的影响，不会出现高功率非线性效应。但高场模式需较强的外加磁场，一般适用于低频段，以前多数运用于L波段和更低频段，最近几年开始逐渐大量用于S波段甚至C波段。
2.2.2 铁氧体材料的选择
根据以往类似产品的经验，选用了一种成熟的钇钙锡石榴石铁氧体材料，它的饱和磁化强度为1850高斯，该铁氧体性能优良且成本较低。经过初步计算，得出铁氧体圆片的直径为11.2mm，厚度1mm。
2.2.3中心导体的设计
中心导体是环行器的关键件，其尺寸、形状等直接影响到环行器的电气性能和工作磁场大小。根据类似产品的经验，我们采用了梅花状的内导体，厚度为0.2mm。
2.2.4结构的设计
为了取得更好的磁屏蔽效果，减少漏磁，我们采用了整体外壳结构。这样的结构尺寸精度更高，体积更小，可以更好地让器件小型化。例如在器件厚度上就有明显体现，原来至少10mm的厚度，现在降为了7mm。
3研制过程
3.1 环行器的电气性能
该项目的难点在于工作频带宽，尺寸小，性能指标要求高，尤其还对环行器的二次谐波抑制提出了要求。
设计方案借鉴以往的经验，我们首先确定了采用高场区工作模式，外形采用一体式扁平化钢结构，这样的结构形式尺寸小，磁屏蔽好，接地散热条件优良。
在初步确定了永磁体、铁氧体圆片及中心导体等参数后，运用软件Ansoft Maxwell仿真铁氧体片的静磁场，然后代入三维高频电磁场分析软件Ansoft HFSS进行计算仿真，并根据仿真结果和实际测试结果，不断进行修正，通过对铁氧体圆片的尺寸、参数及中心导体尺寸的不断优化，直到取得比较理想的效果，从而最终确定了铁氧体和中心导体。最终的仿真性能曲线见图1，可以看出环行器在工作频带内性能指标非常满意。
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以往环行器通常只要求工作频带内的S参数，近年来随着微波铁氧体技术的长足发展，环行器发掘出一些更丰富的功能。比如说谐波抑制，主要是二次谐波的抑制，就是说环行器除了在基波频段（工作频段）正常工作外，还得对二次谐波频段具有较强的抑制作用。对于高场模式的环行器，由于其中心导体采用了准集中的模式，电路中电感和电容的引入，从而使环行器兼有低通滤波器的功能。涉及具体环行器的二次谐波抑制功能，其与环行器采用的微波铁氧体参数、工作磁场、中心导体都有密切关系，通过反复优化，最终环行器的二次谐波抑制达到20dB以上，仿真结果见图2。
此外我们还运用热应力分析软件ePhysics仿真了环行器在大功率条件下的发热情况，确保环行器在功率条件下正常工作。
3.2 环行器的温度稳定性
高场模式的环行器需要较强的外加直流磁场，我们选择了高磁能积、高居里温度、化学性能稳定的钐钴磁钢。极限温度下产品性能的稳定性，是衡量产品性能好坏的一个重要指标。虽然钐钴永磁体本身的温度稳定性较好，但由于不能和微波铁氧体的温度性能同步，从而造成了中心频率漂移。
基于这种情况，我们采用铁镍合金温度补偿片来解决频率漂移的问题。通过反复的高低温试验，确定了补偿片的添加量，最终使极限温度下的电气性能漂移很小，从而达到了电气性能的高温度稳定性。
4结果与结论
经过反复试验，最终研制成功S波段小型化宽带带线环行器，其测试曲线与HFSS仿真结果基本一致，所有指标均满足客户要求。大批量应用于相控阵雷达系统，可靠性高，使用效果良好，得到用户高度评价，具有良好的社会效益和经济效益。
参考文献：
［1］张国荣，《微波铁氧体材料与器件》，电子工业出版社，1995.
［2］魏克珠，蒋仁培，李士根，《微波铁氧体新技术与应用》，国防工业出版社，2013.