淺談小型化微波鐵氧體隔離器的制作

楊昌香

摘 要：隨著微波通信、衛(wèi)星通信和高科技的不斷發(fā)展，要求微波鐵氧體器件小型化以滿足整機(jī)發(fā)展的要求迫在眉睫。本文以自己近幾年來研制和調(diào)試制作小型化S波段鐵氧體隔離器為例，其外形尺寸10mm×16mm×10mm（工作帶寬400MHZ，正向損耗≤0.5dB，反向損耗≥20dB，電壓駐波比≤1.25，工作溫度范圍-55℃～+85℃）。主要從設(shè)計(jì)思路和調(diào)試制作中采取的方法，談?wù)勛约旱囊恍w會(huì)。

關(guān)鍵詞：小型化; 鐵氧體; 隔離器

中圖分類號(hào)：TN627? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：1006-3315（2020）10-196-002

微波鐵氧體器件是微波器件中一個(gè)非常重要的分支。隨著我國軍民兩用裝備技術(shù)的不斷發(fā)展，微波鐵氧體材料（旋磁材料）和微波鐵氧體器件近年來也不斷推陳出新，滿足了軍民市場的需求，尤其是在雷達(dá)、導(dǎo)彈、通信領(lǐng)域和航天航空領(lǐng)域起到積極作用。

在過去一直追求的是微波鐵氧體器件電氣性能，如頻率范圍、結(jié)構(gòu)、材料一致性等等?，F(xiàn)在更注重產(chǎn)品的小型化、一致性和可靠性，有的器件還有承受一定的功率、輕量化等要求，隨著整機(jī)和系統(tǒng)的不斷變化而對(duì)微波器件所提出的更高要求。我們長期以來都是從事用于彈載機(jī)載的小型化器件的設(shè)計(jì)和制作，當(dāng)然還有其他方面的應(yīng)用，體會(huì)是逐漸深刻的。從小型化射頻隔離器、環(huán)行器等器件的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)到調(diào)試制作過程也積累了一些粗淺的認(rèn)識(shí)，為努力開展下一多頻段的小型化功率器件和其它非標(biāo)準(zhǔn)的微波鐵氧體器件制作奠定了一定的基礎(chǔ)。

下面就從S波段隔離器的研究和制作過程的改進(jìn)做一小結(jié)：

一、主要技術(shù)指標(biāo)

工作帶寬△f：400MHz;正向損耗α+≤0.5dB;反向損耗? α-≥20dB

電壓駐波比VSWR≤1.25;工作溫度范圍-55℃～+85℃;外形尺寸10mm×16mm×10mm

二、基本設(shè)計(jì)思路

S波段隔離器的工作原理：

工作原理：信號(hào)從放大器前級(jí)到隔離器①端口輸入，經(jīng)過隔離器端口②輸出到放大器的后級(jí)，這樣的傳輸損耗較小。反過來，從端口②輸入經(jīng)過隔離器時(shí)，微波能量被負(fù)載所吸收到達(dá)端口①的信號(hào)能量很少，損耗較大。

這就是說：從反射端信號(hào)到達(dá)環(huán)行器三端接入的射頻功率電阻，這時(shí)電磁能量被射頻功率電阻較完全吸收，而端口①則沒有能量的輸入、保護(hù)輸入端①的作用，起到了能量隔離。同時(shí)正方向輸入的信號(hào)也避免了前級(jí)、后級(jí)的相互影響。

隔離器示意圖

隔離器主要由旋磁鐵氧體基片、中心導(dǎo)體、外加永磁體、匹配電阻所組成。為了滿足電氣性能和尺寸的要求，1.采用了準(zhǔn)集中參數(shù)設(shè)計(jì)和中心導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。2.選擇了高品質(zhì)的旋磁鐵氧體材料、永磁體材料及磁補(bǔ)償材料，保證了器件的溫度特性。

三、旋磁鐵氧體基片的選擇

旋磁鐵氧體選擇的好壞直接影響器件的整體性能，而材料的飽和磁化強(qiáng)度Ms是十分重要的參數(shù)。在設(shè)計(jì)的頻率范圍內(nèi)，我們選取了器件在高場區(qū)工作，因?yàn)榭紤]寬帶和小型化器件，克服了我們過去一些設(shè)計(jì)的思路，我們根據(jù)器件的技術(shù)指標(biāo)在Ms的選擇上我們綜合考慮：

P=γ[Msf0]? ? （1）

式中：γ-旋磁比

P——規(guī)一化飽和磁化強(qiáng)度

f?！骷ぷ鞯闹行念l率

當(dāng)f0確定后，Ms也就隨之確定。所以我們根據(jù)公式（1）計(jì)算出旋磁材料的飽和磁場強(qiáng)度Ms。

四、外加磁場Hex的選擇

外加磁場Hex和飽和磁場強(qiáng)度Ms之間的關(guān)系：

Hex=Hi+NMs? ? ? （2）

在選擇外加磁場磁體時(shí)既要滿足外加磁場強(qiáng)度，又要考慮溫度穩(wěn)定性。其表面場高于鐵氧體永磁體，釤鈷稀永磁體容易滿足所需的外加磁場強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)選用釤稀土永磁體。

五、電路設(shè)計(jì)

S波段鐵氧體隔離器我們采用分布參數(shù)與集中參數(shù)相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)，旋磁鐵氧體基片的參數(shù)確定，以及中心導(dǎo)體的中心結(jié)是按分布參數(shù)設(shè)計(jì)，而Lc匹配網(wǎng)絡(luò)是按切比雪夫阻抗變換低通濾波器的設(shè)計(jì)原理而計(jì)算，我們首先采用平面雙Y諧振子設(shè)計(jì)原理和切比雪夫阻抗變換低通濾波器的設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)出符合要求的S波段寬帶環(huán)行器的中心導(dǎo)體。當(dāng)這種電路的中心圓結(jié)的半徑與雙Y的長度相當(dāng)時(shí)，隔離器能達(dá)到較理想的工作狀態(tài)，損耗小，工作帶寬。對(duì)Lc匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行適當(dāng)微調(diào)能展寬一定的工作頻帶。我們采用這種結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的S波段鐵氧體隔離器損耗小，溫度穩(wěn)定性也較好，是S波段制作小型化器件一種理想的結(jié)構(gòu)。

六、平均功率對(duì)器件的影響

器件所選用的電阻材料必須是能夠承受較大的平均功率（因?yàn)樵撈骷脩粝Ｍ?0W的平均功率的條件下工作），因而采用氧化鈹作襯底材料的射頻電阻，氧化鈹具有極好的導(dǎo)熱性，吸收負(fù)載的溫升相對(duì)較小，穩(wěn)定性好。

我們知道，任何一種微波鐵氧體器件都存在一定的損耗，在器件工作中（有一定的平均功率）所產(chǎn)生的功率自然就變成熱量，使得器件整體的溫度升高，器件的電氣性能變壞，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致器件不能正常工作。所以我們在設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中，盡可能控制器件的插損，同時(shí)考慮器件的散熱問題，以保證器件在功率情況下能正常工作。

器件的溫升計(jì)算公式：

[?]T=0.12P[hKs]? ?（3）

P——鐵氧體內(nèi)所消耗的功率;k——鐵氧體熱傳導(dǎo)系數(shù);S——鐵氧體基片面積;h——鐵氧體基片厚度;[?]T——器件溫升

從公式（3）中我們可以看出：

①鐵氧體基片的溫度越高，飽和磁化強(qiáng)度Ms變化越明顯，這樣器件的電氣性能就會(huì)變壞，還會(huì)使鐵氧體基片的溫度接近材料的居里點(diǎn)，照此下去基片就變成一般順磁物質(zhì)，器件就根本不工作，更談不上隔離的作用。所以快速進(jìn)行鐵氧體基片內(nèi)的熱量傳出，熱量散出來，提高器件承受功率的能力是我們設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮的。

②鐵氧體基片太厚。電磁波穿透深度不能全部造成局部的溫度上升，這也是影響器件的電氣性能，盡可能選擇薄的片子，基片內(nèi)部材料分布均勻，使電磁波能穿透整個(gè)基片，熱量也盡快散出，降低基片的溫升，這樣也能減小器件的正向損耗。

③一般我們對(duì)有平均功率要求的器件，在選擇材料時(shí)，居里溫度高一些，飽和磁化強(qiáng)度Ms盡可能大一些旋磁材料，Ms對(duì)溫度的穩(wěn)定性就會(huì)很好，在一定功率情況下器件的電氣性能受溫度的影響就會(huì)愈小，平均功率就會(huì)愈大。

④一般微波鐵氧體器件的峰值功率，主要取決于器件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性和材料自旋波線寬[?]Hk，平均功率則同材料的損耗和溫度穩(wěn)定性有關(guān)。為使器件能承受10W的功率，都應(yīng)該按上述考慮選擇共振線寬和自旋波線寬的大功率旋磁材料。

總述四個(gè)方面：只有器件損耗越小，耗散在器件上的功率越小，器件的傳輸功率才越大。制作這種器件，除了選擇理想的旋磁鐵氧體材料制作基片，基片的厚度和直徑，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，還需要注意解決各部分連接之間的互相影響才能保證器件正常工作。

七、溫度補(bǔ)償問題

這類器件的設(shè)計(jì)，需滿足工作頻率和要求的電氣性能參數(shù)，從上面給出公式都可以看出，無論是正向損耗、反向損耗、電壓駐波比等等都隨溫度的變化而變化，選擇材料的居里溫度高的鐵氧體基片，一般采取特殊的熱磁溫度補(bǔ)償措施，使材料與補(bǔ)償過的外加磁場隨溫度變化率盡可能保持一致，使溫度對(duì)器件電器性能的影響減小到最低。在使用的溫度范圍內(nèi)，改變外加磁場來適應(yīng)Ms溫度的變化，也可以改變飽和磁場溫度來適應(yīng)外加磁場隨著溫度變化。通過熱磁補(bǔ)償S波段微波鐵氧體隔離器（10W平均功率）溫度穩(wěn)定性達(dá)到了要求。在器件工作帶寬400MHz的范圍內(nèi)，在-55℃～+85℃工作溫度范圍里，結(jié)果滿足了指標(biāo)要求。

八、結(jié)論

關(guān)于小型化器件的設(shè)計(jì)和制作，逐步得到了一些認(rèn)識(shí)。從器件的設(shè)計(jì)到材料的選擇，電路的匹配類似這樣小型化器件隔離器，帶有一定的功率容量，選擇能夠承受大功率的電阻，同時(shí)做好熱補(bǔ)償，器件的散熱和旋磁材料基片的散熱都是應(yīng)該仔細(xì)考慮的。成功制作了這樣一個(gè)小型化的隔離器，采取分布參數(shù)與集中參數(shù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)的中心結(jié)構(gòu)，在帶寬400MHz范圍內(nèi)，工作溫度-55℃～+85℃，并承受了10W的平均功率，器件能穩(wěn)定工作。我們還做了其它一些小型器件的內(nèi)在結(jié)構(gòu)的不同設(shè)計(jì)，包含旋磁鐵氧體材料和外加磁場的選項(xiàng)，在不同頻率，包括有功率要求，匹配負(fù)載的選取，我們都做了不少工作，確實(shí)有所提高和認(rèn)識(shí)，有些方面有待我們進(jìn)一步從理論上進(jìn)行提高和認(rèn)識(shí)。

在此非常感謝王梅生研究員，陳剛高級(jí)工程師等工程技術(shù)人員多年來的幫助和指導(dǎo)。