| 利用帶線結(jié)環(huán)行器的相關(guān)理論,設(shè)計(jì)了870～880MHz結(jié)環(huán)行器,最后實(shí)現(xiàn)的環(huán)行器在0.5～1.5GHz內(nèi),插入損耗≤0.4dB,最小隔離度≥20dB,電壓駐波比≤1.20,符合基站用環(huán)行器的技術(shù)指標(biāo)。 帶線結(jié)環(huán)行器是常用的微波鐵氧體器件,具有單向傳輸特性,入射信號(hào)能順利通過(guò),反射信號(hào)由于被吸收電阻吸收而不能通過(guò)。因此,帶線結(jié)環(huán)行器在各類基站中被廣泛使用,放置于發(fā)射機(jī)與發(fā)射天線之間,防止因發(fā)射天線的開(kāi)路或短路引起天線系統(tǒng)失配的情況下,由駐波造成的對(duì)發(fā)射機(jī)后級(jí)功率放大器件的損壞。 雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)環(huán)行器的設(shè)計(jì)有所報(bào)道,但是大多是工作在S波段以上的環(huán)行器的設(shè)計(jì),對(duì)工作在870～915MHz波段的基站用環(huán)行器的設(shè)計(jì)的報(bào)道還是比較少。本文就將介紹我們?cè)谠O(shè)計(jì)該波段的環(huán)行器時(shí)的工作。最后實(shí)現(xiàn)的環(huán)行器插入損耗為0.4～0.8dB,最小隔離度≥20dB,電壓駐波比≤1.20,連接形式可以是SMA、N型或帶線,尺寸為12mm×12mm×7mm,完全符合基站用環(huán)形器的技術(shù)指標(biāo)。 環(huán)行器設(shè)計(jì) 帶線結(jié)環(huán)行器的種類繁多,但其設(shè)計(jì)方法大同小異。本文所設(shè)計(jì)的環(huán)行器是微帶Y型結(jié)環(huán)行器,采用的設(shè)計(jì)方法是基于控制微帶線與環(huán)行結(jié)交接處形成的耦合角和環(huán)行結(jié)的直徑而獲得寬頻帶工作。 鐵氧體材料的選擇 鐵氧體基片的介質(zhì)損耗和磁損耗必須很小,前者一般可與微波介質(zhì)的損耗相比較,而后者是頻率的函數(shù)。當(dāng)用非磁化鐵氧體基片時(shí),為了使磁耗減小,應(yīng)按照 的條件選擇材料。式中, 是工作頻率（單位：兆赫,MHz）,是有效旋磁比（ =2.8 MHz/Oe）, 是飽和磁化強(qiáng)度（單位：高斯,Gs）, 是各向異性磁場(chǎng)強(qiáng)度（單位：奧斯特,Oe）。在制作器件時(shí),為了使磁耗減至最小,應(yīng)滿足下列條件: （1） 式中 ,而 是本征鐵磁諧振頻率。根據(jù)上式就可以確定鐵氧體的飽和磁導(dǎo)率的范圍,從而選定合適的鐵氧體材料。 微帶線材料的選擇 金、銀和銅是基片上微帶線最常用的導(dǎo)體材料。一般先在基片上真空淀積上厚度為200～400mil的薄鉻層,以獲得良好的表面附著力。然后再蒸鍍或電鍍上希望厚度的導(dǎo)體材料。為了使總損耗最小,應(yīng)當(dāng)注意這幾個(gè)方面：導(dǎo)體的導(dǎo)電率要盡可能高,厚度至少為最低工作頻率上的趨膚厚度深度的2～4倍,基片盡量厚一些,以減小導(dǎo)體中的電流密度。 鐵氧體尺寸的設(shè)計(jì) 根據(jù)Fay的理論,帶線結(jié)環(huán)行器有兩個(gè)環(huán)行條件： （2） （3） 其中K是鐵氧體中傳播的電磁波波數(shù),μ和κ分別是鐵氧體的導(dǎo)磁率張量的對(duì)角線和非對(duì)角線分量,Yin是輸入導(dǎo)納,Yeff是鐵氧體的有效波導(dǎo)納;GR是當(dāng)Yin為純實(shí)數(shù)時(shí)的輸入電導(dǎo)�，F(xiàn)在經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)KR的值并不是唯一的,但是在本文設(shè)計(jì)中還是采用了KR=1.84。 通過(guò)式（2）可以計(jì)算出鐵氧體環(huán)行結(jié)的半徑R。 （4） 其中 （5） （6） 由式（2）和(4)可知,根據(jù)所需要的工作頻率選擇具有合適飽和磁導(dǎo)率的鐵氧體材料,就可以方便的得到鐵氧體的尺寸要求。 由式(6)可知,當(dāng)工作頻率和鐵氧體材料選定后, μe和κ/μ的大小由外加磁場(chǎng)決定,所以外加磁場(chǎng)也是一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。在理論上,外加磁場(chǎng)應(yīng)該使得有效偏置磁場(chǎng)為0,但是在實(shí)際中還要進(jìn)行微調(diào)。 內(nèi)導(dǎo)體的設(shè)計(jì) 對(duì)于帶線結(jié)環(huán)行器的非互易結(jié)如圖1所示。 
圖1 帶線結(jié)的非互易結(jié)
可采用散射矩陣的方法來(lái)描述,它把結(jié)的反射波和入射波幅度聯(lián)系起來(lái)對(duì)非互易結(jié)進(jìn)行唯象描述,可得出這樣的結(jié)論：一個(gè)匹配的無(wú)耗對(duì)稱三端結(jié)就是一個(gè)環(huán)行器。其散射矩陣可寫為： （7） （8） （9） （10） 其中: （11） （12） （13） （14） （15） 在上式中： 
反射損耗＝ ; 隔離＝ ; 插入損耗＝ 從上式可以看出耦合角y是一個(gè)基本的設(shè)計(jì)參數(shù),根據(jù)Wu和Rosenbaum的理論,微帶環(huán)行器要獲得寬帶環(huán)行特性,耦合角y的理論值是 。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 
圖2 隔離度隨頻率變化圖
圖3 插入損耗隨頻率變化圖
利用上文介紹的理論設(shè)計(jì)一個(gè)工作于CDMA 870～880MHz頻段的環(huán)行器,其設(shè)計(jì)參數(shù)如下：中心頻率為875MHz,鐵氧體的飽和磁化強(qiáng)度4πMs＝1350Gs,有效偏置磁場(chǎng)為0,鐵氧體介電常數(shù)15.5,鐵氧體的半徑為12mm、厚度為3.6mm,耦合角y取0.25rad。由圖2、3可以看出其隔離度為38.9dB,插入損耗為0.309dB,電壓駐波比為1.10,完全滿足基站用環(huán)行器指標(biāo)。 |
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