（电子科学与技术专业论文）铁氧体环行器的设计与带外效应的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a san o n r e c i p r o c a ld e v i c e , m i c r o w a v ef e r r i t ec i r c u l a t o r sa r ew i d e l yu s e di nt h e t r a n c e i v e rs y s t e m st oi s o l a t et h et r a n s c e i v e rc h a n n e l s ，、) l ，i mt h ep u r p o s eo fp r o t e c t i n gt h e c i r c u i t s ，b e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l e xt r a n s m i s s i o n t h ei s o l a t i o no ft h e t r a n s c e i v e rc h a n n e l sp e r f o r m sw e l li nt h ew o r kb a n do ft h em i c r o w a v ef e r r i t ec i r c u l a t o r s b u tv e r yf e wr e s e a r c h e sa r ed o n eo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so u to fi t sw o r kb a n d ，e s p e c i a l l y , t h ep a r a s i t i cp a s s b a n da n dt h et a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i ci ni t n l em a i nt a s ko ft h i s p a p e ri sr e s e a r c h i n gt h eo u t - b a n de f f e c t so ft h em i c r o w a v ef e r r i t ec i r c u l a t o r su n d e rh i 曲 p o w e rm i c r o w a v e a tl a s t ，w ed r e ws o m ec o n c l u s i o n s ，w h i c ha r eu s e f u lf o rt h e p r o t e c t i o no fs u c hi n s t r u m e n t s ，b yt h ea n a l o gd e s i g n ，p r o c e s s i n g ，t e s ta n dd o i n gt h e r e s e a r c ho nt h eo u t - b a n de f f e c t so fap i n t s i z e d ，d o u b l ey - j u n c t i o nm i c r o w a v ec i r c u l a t o r a tx - b a n d a tt h eb e g i n n i n g , t h et h e s i sa n a l y z e st h ee l e c t r o m a g n e t i ct r a n s m i s s i o nt h e o r yi n f e r r i t ec i r c u l a t i o nj u n c t i o n ，t h e na i d e db yf u l l w a v ee l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o ns o f t w a r e ， ay - j u n c t i o nm i c r o s t r i pc i r c u l a t o rh a sb e e nd e s i g n e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e d i s o l a t i o nm o r et h a n2 0d b ，v s w rl e s st h a n1 2a n di n s e r t i o nl o s sl e s st h a n0 2 d bi nt h e f r e q u e n c yr a n g eo f6 8 g h z - 10 9 g h z m e a n w h i l e , o nt h eb a s i so ft h et h e o r yo f e i g e n v a l u ea n ds i m u l a t i o n ，a l lx - b a n dd o u b l ey - j u n c t i o nm i c r o s t r i pc i r c u l a t o rh a sb e e n s i m u l a t e da n dm a d e 1 1 1 em e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o w e dg r e a t e r2 2 d bi s o l a t i o n 1 0 w e r 1 0 d bi n s e r t i o nl o s sa n dl e s s1 2v s w ri nt h ef r e q u e n c yr a n g eo f10 9 g h z - 12 6g h z t h r o u g hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tt e s t ，t h e r ei sar e s e a r c ho nt h eo u t - b a n de f f e c t s a b o u ta c t u a lp r o d u c t i o no fc i r c u l a t o ra n dm a r k e tc o m m e r c i a lc i r c u l a t o r s a c c o r d i n gt o t h er e s e a r c h ，t h ec i r c u l a t i o nd i r e c t i o no ft h ef e r r i t ec i r c u l a t o r sm a yb eo p p o s i t ei nt h e f r e q u e n c yn e a r3 f 0 ，t h a ti st os a y , t h ei s o l a t i o np o r to ft h ef e r r i t ec i r c u l a t o rw o u l dt u m i n t ot h et r a n s m i s s i o np o r t ，a n dt h et r a n s m i s s i o np o r tw o u l dt u mi n t ot h ei s o l a t i o np o r t t h i sw e a k n e s sp a r to ft h ec i r c u l a t o ra ti t so u t - b a n ds h o w st h a th i g hp o w e rm i c r o w a v ea t t h eo u t b a n dc a nb ef u n c t i o ni nt h et r a n s m i s s i o np o r tw i t hl e s sa t t e n u a t i o n ，e s p e s s i a l l ya t t h e t rm o d u l e a n db r i n gt h eo u t b a n dd a m a g ee f f e c t s t h a ti sd i f f e r e n tf r o mt h e g e n e r a li n b a n de f f e c t s ，w h i c hi ss h o w e db yt h ed a m a g eo ft h er e c e i v e rl i n kc i r c u i t s i l a b s t r a c t c a u s e db yt h eh i g hp o w e rm i c r o w a v e t h er u l eo ft h i so u t - b a n dc h a r a c t e r i s t i ci s a n a l y z e da n ds u m m a r i z e dd e e p ly k e y w o r d s ：f e r r i t e ，c i r c u l a t o r , h i e hp o w e rm i c r o w a v e ，o u t - b a n de f f e c t s ，t rm o d u l e i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：兰陋日期：哆年j 月g 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 虢矍险主至导师躲靴 日期：叫年f 月暑日 第一章绪论 1 1 高功率微波效应概述 第一章绪论 高功率微波( 简称h p m ) 通常指峰值功率大于10 0 m w ，频率介于1g h z 3 0 0 g h z 的微波辐射。自从1 9 7 3 年第一台和1 9 7 4 年第二台高功率微波源问世以来， 高功率微波技术的发展已经历了3 0 多个春秋，经过这三十多年的发展，高功率微 波技术已逐渐走向成熟，并发展成为一个新兴的边缘科学【l 埘。由于高功率微波具 有十分诱人的应用前景，例如：可应用于定向能武器、通讯、雷达系统、电磁干 扰效应的模拟实验以及地空观测系统等，世界上许多国家都已加入到这一研究领 域，例如：美国、俄罗斯、英国、法国、乌克兰、日本、以色列、印度、瑞典等， 我国也做了许多研究工作，取得了优异的成绩【”。 由于高功率微波武器( h p m w ) 的有效性必须通过外场演示来验证，因此效 应的研究是h p m w 能够真正投入使用的关键，系统战术指标的确定、作战效应的 评估、主动防护等各方面都需要以效应研究为基础，成为高功率微波研究的一个 重要分支【4 1 。就其物理机制来讲，h p m 效应主要有以下3 种【5 】： ( 1 ) 电效应 它是指高功率微波在射向目标时会在目标结构的金属表面或金属导线上感应 出电流或电压，这种感应电压或电流会对目标上的电子元器件产生多种效应，如造 成电路中器件的状态反转、器件性能下降、半导体结的击穿等。 ( 2 ) 热效应 它是指在高功率微波下介质内部热能的聚集、加热导致温升而引起的效应，该 效应可以烧毁器件和导致半导体的结出现热二次击穿等。 ( 3 ) 生物效应 它是指高功率微波与生物体相互作用的效应，一般情况下它是吸收微波功率 的结果。生物吸收的微波功率转化成热能，热能聚集转化成温升。可以说微波生物 效应是热效应的一种。但是，由于生物体对微波功率吸收的非均匀性和生物体内部 热平衡过程的复杂性，对生物特别是人类和高级动物，其高功率微波效应是十分复 杂的。微波的生物效应可以分为“非热效应”和“热效应 两种。前者指的是当 较弱的微波能量照射后，造成人类出现神经紊乱、行为失控、烦躁、致盲或者心肺 电子科技大学硕士学位论文 功能衰竭；造成动物活动能力变差，甚至失去知觉等行为现象；后者类似于微波 炉加热原理，它是由高功率微波能量辐照引起的。 较典型的情况为失效效应，当高功率微波从发射天线上发射出去，通过空中 传播，进而辐射电子系统时，高功率微波能量是通过“前门 耦合和“后门”耦 合两种方式传递到系统内部的敏感器件上对电子系统进行破坏。所谓“前门 耦 合是指高功率微波能量通过敌目标天线、传输线等直接耦合到其接收和发射系统 内，往往在限幅器动作之前耦合进系统，以破坏其前端电子设备；“后门 耦合是 通过敌目标结构不完善屏蔽的小孔、缝隙等耦合到系统内部，干扰其电子设备。 1 2 高功率微波效应研究现状 各国对h p m 效应的研究由来已久，8 0 年代初，美国有的研究所已经对微波加 热效应进行了验证，例如从一个微波发射机发出的微波射束，可以点燃1 4 m 远的 钢丝绒，点燃7 6 m 远的汽油、铝片和空气混合物，引爆2 6 0 m 远的闪光灯灯泡【6 j 。 八十年代以来，劳伦斯利弗莫尔实验室和空军实验室等单位就一直致力于研 究h p m 的各种效应。空军武器实验室有一个很大的微波实验室，有许多先进的试 验设备，对各种电子系统和武器硬件进行过试验，他们进行了响尾蛇导弹试验， 研究导弹的导引部分微电路对微波的敏感度。 美国的劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家对h p m 的各种效应进行了大量的 研究。g e s i e g e r 等人利用计算机模拟方法计算了小缝隙的高功率微波的非线性耦 合问题，讨论了耦合与场强度，微波频率，脉冲宽度以及小缝隙尺寸的关系，而 r a n t i n o n e 和w c n g 等人采用微波注入方法从实验上对电子元器件进行了大量的 效应实验，找出了不同器件的微波能量损伤阈值。通过研究，他们得出如下结论： 高功率微波对电子元器件及设备存在着以下两种作用效果：1 ，对电子设备进行干 扰，即在某一功率水平下，微波能使电子系统瞬时扰乱或致盲；2 ，当微波功率超 过某一阈值时，微波能使电子设备熔化和使系统永久地失去应有的功能【7 】。 一些科学家运用c o n d o r 代码模拟和计算了h p m 对电子设备的损伤，并用 0 1 1 8 g h z 的微波实验源对各类武器和电子组件进行试验，试验结果显示：损坏一 个电子部件所需的微波功率比干扰或使其失控所需的功率要高好几个数量级，使 数字电路组件失控所需的微波功率比干扰一个模拟电路组件大，不过同类组件之 间的易损性变化不大，一般相差约5 d b 。 h p m 效应的物理机理也是特别重要的，他们研究了高功率微波效应物理学、 2 第一章绪论 研究不同量级的微波功率将给不同武器系统的电子设备以什么样的效应，以及对 于高功率微波给予军用电子设备的影响进行计算机研究和模拟，重点是从物理上 确定微波功率如何进入一个武器系统的薄弱区域，以及如何干扰或破坏电子部件 的。劳伦斯利弗莫尔实验室h p m 效应部研究认为，h p m 辐射进入靶的物理学是 由麦克斯韦耦合方程决定的，h p m 对半导体的效应是由半导体物理学方程决定。 但是要准确预测h p m 效应不是一件容易事，它要求理论、实验和计算机模拟相互 配合进行工作，而且预测所需的计算与程序十分庞大【8 】。 在对直升机打击效果测试方面，美国国防部测试与评估部门下属的现场武器 测试与评估办公室为测量从h p m 源发出的窄带和宽带两种h p m 信号在传输到达 a h i s 直升机的过程中源的辐射场和直升机内部耦合场的强度，在加利福尼亚 c h i n al a k e 地区进行了有关对眼镜蛇直升机的h p m 技术测试。 通过对a h i s 直升机h p m 打击效果的测试，了解到h p m 作为一种射频武器 对机载电子设备的影响，从而可以对整个h p m 系统的效果进行评估。同时，针对 眼镜蛇直升机在受到h p m 照射时产生的耦合现象，可以采用相应的防护措施加以 抑制，这有利于研究对h p m 的防护，该实验对研究h p m 源与目标之间的相互关 系具有重要的价值【9 】。 由于效应问题的高度保密性，美国、俄罗斯有关方面的文献相对较少，欧洲 一些国家从电磁兼容的角度对高功率微波的效应进行过研究，从中我们可以得到 一些信息。f o i 和瑞典国防工业部门在过去几十年已经进行了h p m 效应以及其它 电磁效应的研究，已经获得了相当全面的知识，给出了未屏蔽的设备有关扰乱和 永久损伤的故障水平、它们的频率相关特性、入射角的相关性等 4 1 。得到结论如下： ( 1 ) h p m 的作用距离能够达到几十公里； ( 2 ) 对于波段内的前门耦合，可能引起永久损伤； ( 3 ) 对于后门耦合，扰乱将发生在几十公里的距离上，而永久损伤可能发生在 1 公里的距离上； ( 4 ) 后门防护方法在市场上可以得到，但通常不能进行前门防护； ( 5 ) 对于后门效应，复杂系统的防护能量验证是非常困难的。 多年来，国内也进行了大量的h p m 微波效应机理分析、效应机理理论以及实 验研究，此类研究项目为多家研究所和高校所承担。就国内文献来看，研究的方 面主要有： 一、微机整机的辐照效应研究。通过实验发现，在一定的功率、频率的h p m 脉冲辐照下，计算机会出现显示数据紊乱、自检程序跳转、花屏、重启和死机等 电子科技大学硕士学位论文 现象。初步分析认为，计算机出现显示数据紊乱、自检程序跳转和花屏等现象是 因为c p u 、e p r o m 、d m a 、显卡等受到干扰造成的，这可以通过状态指示灯和 声控报警以及自检程序来确定受干扰部件。对不同摆放方式的计算机分别进行辐 照，结果表明，辐照计算机反面时计算机的失效阈值要明显高于辐照计算机正面 时的计算机失效闽值【l0 1 。 。 二、雷达整机损伤效应。研究了电磁脉冲弹从“前门 损伤雷达的机理，给出 了雷达“前门 电磁损伤判断公式，并提出了一些雷达系统“前门电磁加固措施。 可作为电磁脉冲弹威胁下雷达系统生存性研究和战场抢修研究的理论参考【l 。还 有文献分析了高功率微波武器进攻雷达的途径，阐述了h p m 损伤雷达接收机前端 的机理，通过计算研究了h p m 损伤接收机前端的可行性。计算结果表明，1 0 g w 的窄带微波弹，当波束对准雷达天线主瓣时，可损坏雷达接收机保护电路；而对于 超宽带微波弹，功率为1 g w 时即可穿越放电管而损伤限幅器【1 2 1 。 三、微波器件及集成电路的效应研究。对不同型号的微波低噪声放大器进行 了电路特点分析，确定电路的脉冲效应薄弱环节和易损部位，对其中两种微波低 噪声放大器进行脉冲输入实验，实验结果表明在较低功率下，矩形脉冲串就能引 起半导体器件、集成电路的失效。最后利用射频电路仿真软件对四种微波低噪声 放大器进行定性的仿真分析，其仿真结果与实验结果趋势相符，为下一步深入展 开脉冲效应的定量仿真和实验研究奠定了基础【i 引。 四、半导体损伤机理研究。采用编制的半导体器件模拟程序m p n d l d ( 采用时 域有限差分法，求解内部载流子所满足的非线性、耦合、刚性方程组) ，对p i n 二 极管微波限幅器微波响应截止频率作了探讨。此外，对电磁脉冲作用下的半导体 结器件进行了数值模拟，对器件被毁坏过程中器件内部载流子浓度、电场强度、 温度及电流密度的变化情况有所了解【1 4 05 1 。 五、电子引信的干扰损伤效应研究。通过某型集成电路分米波无线电近炸引 信及其电点火头的微波辐照效应研究，确定被试无线电引信的高功率微波辐照损 伤阈值，分析了高功率微波对无线电引信的能量耦合途径与损伤机理【l 引。 六、孔缝耦合研究。用f d t d 法研制了计算机模拟软件，对不同腔体上各种 形状孔缝进行耦合规律的理论研究并通过h p m 孔缝耦合实验，定量研究了线性耦 合的透射系数。实验上采用网络分析仪进行耦合特性测试，测量结果同理论模拟 结果相符合。在园、方、长条、三角四种周长一致的孔缝中，长条的耦合最强， 圆孔最差。而且孔缝耦合存在明显的增强效应、共振效应，腔体对耦合场分布影 响较大【1 7 - 18 1 。 4 第一章绪论 1 3 论文的研究方法 在国内，电子科技大学的h p m 效应的研究起步较晚，但提出了一条新的研究 思路，即从电子学机理入手研究器件的基本原理和特点。根据其内在的规律性预 测其可能的薄弱环节，通过深入的理论与实验研究进行证实，得出肯定或否定的 结论，进而得到利用与防护的措施。沿着这条思路，老师们预测并证实了限幅器 的高重频毁伤机理【1 9 1 ，预测并证实了气体放电开关的带外泄漏效应【2 0 1 。按照同样 的方法，我们预测作为相控阵雷达t r 组件关键部件的铁氧体环行器，可能存在 带外泄漏效应，而这可能成为h p m 攻击相控阵雷达的极好窗口，成为相控阵雷达 的致命隐患。 本文的目的是通过理论分析与实验验证，说明环行器是否存在带外泄漏效应， 其泄漏的规律以及强度。任务分为两部分： 1 、研究铁氧体环行器的机理并通过仿真、优化、实际制作x 波段的微带环行 器。 2 、研究铁氧体环行器的带外泄漏效应及其规律。 其中第一部分是非常必须的，我们可以买到环行器，但买不到其设计参数及 制造关键点，用买来的样品做些实验只能知其然而不知其所以然，因而难以得到 对内在规律性深刻理解。通过设计出的环行器与商品环行器对比分析进行的研究 才更有深度，更有说服力与普适性。 1 4 论文的组织形式及主要内容 本论文的主要任务是进行微带环行器的设计及其带外效应的研究。依据环行 器的理论设计出x 波段的单、双y 结微带环行器，通过对所设计环行器的端口采 用新型的匹配方式并结合三维电磁仿真软件h f s s 强大的优化功能，得到了宽频 带、尺寸小的理想铁氧体环行器模型。为验证软件设计的环行器模型的有效性， 根据现有基片，利用光刻工艺得到了x 波段的微带环行器实物。经过对所设计器 件的调试得到性能良好的环行器，并对实物测试的结果和仿真结果进行对比，从 中找出设计中存在的不足之处，并对造成性能变差的原因做了详细分析，从中积 累了一些设计经验，为以后设计性能更佳的环行器奠定了基础。 通过多款环行器模型的带外仿真及实物的带外测试，从中总结规律。研究发 现，铁氧体环行器在3 厶附近可能存在环行方向倒转的特性，并对这种特性进行了 电子科技大学硕士学位论文 初步分析。 本论文的内容安排如下： 第一章绪论，简单介绍了高功率微波效应的国内外发展动态，并叙述了铁氧 体环行器带外效应的研究方法。 第二章环行器的基本理论，阐述了铁氧体环行器的研究动态，分析了铁氧体 环行器的基本原理，从微波铁氧体的张量磁导率出发，得出电磁波在微带环行结 中传播的场理论，并从环行结等效电路的角度分析了其环行特性。 第三章单y 结微带环行器的设计，对微带同轴转接处的仿真设置进行了详细 分析，依据理论设计出了单y 结微带环行器，得到性能较好的优化模型。同时， 仿真并研究了环行结的电磁场分布。 第四章双y 结微带环行器的设计与实验验证，运用本证值理论设计出x 波 段的双y 结微带环行器，通过采用不同阻抗匹配方式得出两款小型化的环行器。 并基于已有材料进行环行器的加工、调试、测试、分析。 第五章铁氧体环行器带外效应的研究，对多种x 波段环行器的模型及铁氧体 环行器实物进行带外测试及分析，从中找出了某种特殊规律并对引起的原因进行 分析。 第六章结束语，对本论文进行总结，并对接下来的工作进行了展望。 6 第二章环行器的基本理论 第二章环行器的基本理论 微波铁氧体也叫旋磁铁氧体，相对介电常数约1 0 一2 0 ，由于是一种铁磁物质， 它的相对磁导率可以随外加磁场而变化，而在恒定磁场偏置下，它在各个方向上 的导磁率又是不同的，即具有各向异性。正是基于铁氧体的各向异性，当电磁波 从不同方向通过铁氧体时，就会引起不同的效应，利用这种非互易特性，可以做 成多种十分有用的微波元件，如隔离器、移相器、环行器等。 铁氧体环行器是一种多端口的无源器件，电磁波在其内按某一环行方向传输， 反方向则隔离。由于它的这种特性，因此广泛应用于微波通信领域。此处以n 端 口环行器的形式来说明它的工作原理，如图2 1 所示： 2 3 图2 - 1 环行器工作原理示意图 3 2 图2 - 2 三端口环行器示图 当输入信号从第1 端输入时，先传输到中心导体上经旋磁铁氧体激励，在外 磁场共同作用下，微波信号发生旋转，通过环行器将从第2 端输出，不会传至第n 端；同样情况，信号由第2 端输入时，则将从第3 端输出，不会传到第1 端。依 此类推，信号传输的方向是：端口1 _ 端口2 _ _ 端口n 1 一端口1 1 顺序循环； 当外加偏置磁场改变为相反方向时信号传输则是：端口n 一端口n 1 一一端口2 一 端口1 。而三端口结环行器则是最常见的一种结构形式，如图2 2 所示。 2 1 铁氧体环行器的应用与研究动态 2 1 1 环行器应用前景 微波铁氧体器件主要应用于军事武器装备方面，其中铁氧体环行器、隔离器 7 电子科技大学硕士学位论文 在二次世界大战中解决了雷达设备的级间隔离、阻抗以及天线共用等一系列实际 问题，极大地提高了雷达系统的战术性能成为雷达技术的一次革命。七十年代以 后，随着现代科学技术特别是以开发高技术和建立高技术产业群为特征的新产业 革命的迅猛发展，世界随之进入了一个崭新的高科技时代，昔日的军备竞赛和对 抗逐渐被日趋激烈的以科技为核心的综合国力竞争所取代。因此，在军事和国防 方面的增长速度被减缓下来，美俄等发达国家实行了“军转民战略，微波铁氧 体器件的应用逐渐大量的向民用方向转移，并逐渐在卫星通信，微波通信，微波 能应用，医疗，微波测量技术等多种电子设备中起着特殊的作用，其中微波铁氧 体环行器在这一时期也得到了迅猛的发展。 铁氧体环行器是一种非互易器件，它是微波电路中最常用的器件之一，它可 用作为微波通信中的分路元件；在测试设备中可作为定向耦合器、隔离器；在参 量放大器中可提高放大器的增益带宽；在雷达和微波系统中用作双工器；由于环 行器只需很小的直流偏置磁场，还容易做成快速开关，它有比机械开关更可靠和 快速的特点【2 l 】。 固态有源相控阵雷达具有多功能、多目标、高精度、高可靠、抗干扰等技术 优点，是现代雷达的发展方向。而有源相控阵的核心是t r 组件，一部规模较大的 有源相控阵雷达有成千上万个t r 组件，它占整个雷达造价的6 0 左右，因此，t r 组件性能的优劣，成为有源相控阵雷达的决定因素 2 2 1 。在考虑t r 模块性能的同时， 模块的成本、重量及体积也是整部雷达需要考虑的重要因素，因此在提高雷达的发 射功率、降低噪声系数的前提下，降低模块的成本、重量及体积是各国孜孜以求的 目标【2 3 1 。t r 组件结构如图2 3 ，由图可见环行器是组件前端的一个重要部件，环 行器的性能、成本、重量及体积对组件有很大影响。因此，t r 组件中高性能( 低 插入损耗、高隔离度、宽频带、高功率及高的温度稳定性等) 、小型轻量、低成本 的环行器受到极大的重视。 图2 3t r 组件原理框图 总之，微波铁氧体环行器以独特的特性被广泛地应用到国防以及民用通讯的 第二章环行器的基本理论 各个领域，并发挥越来越重要的作用。而目前国内对环行器尚未产业化，仅有六 家研发生产单位，其中以西南应用磁学研究所的技术水平较高，但远远不能适应 移动通信技术发展的需要，全国的研制生产规模估计在1 0 0 万只左右，1 亿元的销 售产值。可见，环行器隔离器在国内的市场前景广阔，随着通信技术向米波、分 米波特别是毫米波方向发展，环行器的市场将更广阔。 2 1 2 环行器的研究动态与发展趋势 就国内外无线通信事业的飞速发展及其对微波技术、微波电路和器件的发展 要求来看，探索微波铁氧体器件和材料新的生产工艺和新的技术途径、进行新材 料的研究和新型器件的开发是研究的重点。自从1 9 5 2 年h o g e n 研制成第一个法拉 第旋转式器件以来，微波铁氧体器件获得了飞速的发展【2 4 】，1 9 5 3 年s a k i o t i s 等人 做成了差相移式环行器隔离器。1 9 5 8 年c h a i t 研制成功结环行器以及1 9 5 9 年h 面 波导结环行器的出现使结环行器的研究跃上了一个新的台阶，应用也日益广泛。 1 9 6 2 年p e n n e y 第一次提出并研究了使用具有等边三角形横截面的三角形铁氧体柱 波导环行器【2 5 1 ，从而对结的形状多样性提供了思路。特别是1 9 6 5 年集中参数环行 器和微带器件的出现使微波铁氧体器件向小型化方向又迈进了大步。 在环行器的研制中，为了高功率的需求，采用能够承受较大功率的波导结环 行器：为了获得输入信号分多个通道输出的方法而采用多端口类型的环行器【2 6 】； 但这些特别类型的环行器在用量上是极其有限的。随着微波电路向着小型化、高 频段发展，微带环行器则以体积小、重量轻、结构简单、价格低、便于集成的优 势占据了环行器市场的绝大部分。由于各国大量研究开发生产出价格便宜和小尺 寸、紧凑密集的微波电路，发展与其配套的超小型化、低价格的微波铁氧体器件 刻不容缓，于是微带环行器出现了小型化表面安装单片式、“嵌入式”或“插入式 等多种类型，其中嵌入式环行器既可以使整机达到体小量轻的要求，又能降低单 位成本，因此备受关注。 从环行器发展趋势来看，小型化、高频段、超宽带是今后的发展方向，理论 研究的进展情况在这个过程中扮演着特别重要的角色。 一、环行器的小型化研究动态 随着雷达通信技术的发展，为了减小相控阵雷达的体积，t r 组件必须小型化， 同时手机也在变小、变薄，因此要求用在这些设备上的环行器必须很小甚至是超 小型的。对于微带环行器来说，小型化要从减小其横向尺寸和纵向尺寸入手。其 9 电子科技大学硕士学位论文 中可以通过使用双y 结的金属微带线【2 7 】，高介电常数的基片，连接端口“不用接 头”，靠引线或中心导体延伸线与其他电路连接，以及改变引出端方向使结构更紧 密【2 8 】，从而减小横向尺寸。纵向尺寸则可以从减小外偏场永磁体的厚度和基片的 厚度这两方面考虑，采用各向异性场内场较大的m 型b a 铁氧体可以减小外加磁 场的强度，甚至不需要外加磁场，以达到降低厚度的目的 2 9 - 3 0 】。 近年来，美国和日本对现有设计制造生产技术的改进，制成每只$ 1 0 的环行器， 尺寸只有5 r a m 2 6 r a m 2 ，他们还在集中力量大力研究微波铁氧体薄( 厚) 膜的外延沉 积技术，并将y i g 单晶薄( 厚) 膜沉积到半导体g a a s ( 砷化镓) 及s i ( 硅) 基片上制成环 行器。为了适应电子战有源相控阵系统的需求，r a y t h e o n 公司b l i g h t 和 s c h l o c m a n n 3 1 】研究出6 g h z 1 8 g h z 的超宽带尺寸仅为2 2 8 6 5 3 x 1 5 2 4 m m 3 的环行 器提供给美国海军使用。这种器件获得宽带工作的一个关键技术是在匹配段和谐 振器边缘引入了低m 。的铁氧体基片材料，用来减小在铁氧体空间中的不均匀性。 将优质铁氧体厚膜沉积到基片上用薄膜电路制成环行器，再在薄膜上光刻出 双y 结图形的薄膜环行器，也是铁氧体环行器小型化的一个途径。环行器膜厚通 常在1 0 0 斗n 1 2 0 0 “m ，对环行器的小型化很有潜力，但根据环行器的损耗理论【3 2 】， 当铁氧体的厚度小于0 1 m m 时候，环行器的损耗将迅速增大，难以获得理想的损 耗结果，成为了薄膜环行器工艺发展的制约因素。其中美国o n r 和d a r p a 在这 方面做了大量的研究工作，他们采用分布参数在c 波段设计的环行器在试验中证 实了当铁氧体膜厚减小到低于1 0 0 “m 时器件损耗变大【3 3 】，器件性能也变得很差。 o l i v e r 等人1 3 4 】采用转移膜技术用液相外延沉积到g g g 基片上的y i g 1 1 1 1 方向 的单晶膜，在2 6 0 。c 以下将膜转移到s i 基片上，用化学法将原基片移去，y i g 膜 表面经过抛光后用通常的制版蚀刻技术用铜薄膜制作出电路，采用二级匹配在x 波段制出单片单晶y i g s i l i c o n 环行器，在8 g h z ，1 2 g h z 带宽中获得正向损耗 1 3 4 d b ，他们想通过改进偏磁场、匹配段和接地导体等，做出x 波段宽带工作的 环行器使正向损耗小于l d b ，窄带工作小于0 5 d b 。 由于低温共烧陶瓷及铁氧体( l t c c & l t c f ) 技术迅猛发展，对小型化微波旋磁 铁氧体器件而言，如能与l t c c & l t c f 技术相结合，不仅可以很容易地控制基片厚 度，还可以采用丝网印刷的方式直接印刷y 结图形，这将比光刻工艺简单很多。采 用l t c c & l t c f 技术还有一个很大的优点，就是可以实现单个器件与微波模块、微 波基板的集成，这将是无源集成技术的又一大突破。当然l t c c & l t c f 技术首先要 解决的是烧结铁氧体材料的低温烧结问题，而低温烧结六角b a 铁氧体材料的研究 已经取得了一些的进展 3 5 - 3 8 】。目前最新的报道是德国m a t s 等人在这一技术领域的 1 0 第二章环行器的基本理论 研究工作，他们利用一种自制的玻璃粉作为助烧剂，成功地将m 型b a 铁氧体材料 的烧结温度降至u 9 0 0 ，收缩率控制在1 5 ( x y 平面) ，并且利用l t c c & l t c f 工艺 研制出了具备较好性能的微波旋磁环行器样品。 二、高频段环行器的研制 由于毫米波雷达既能进行近距离的侦察、精密跟踪和引导、精确打击并杀伤 性地摧毁对方( 作为电磁武器使用) ，又可发现和清除空间垃圾等独特性能，因此毫 米波受到重视。而毫米波段的铁氧体环行器使用的样品尺寸很小，加工装配精度要 求严格，a n 上受铁氧体m 。的限制，研制高性能宽带跟踪环行器难度很大。为研制出 优质毫米波铁氧体环行器，最主要的是解决以下三大难题： ( 1 ) 铁氧体旋磁材料随频率升高其正向损耗、驻波系数增大、工作带宽减小的 问题； ( 2 ) 共振式器件需要很高的磁化场； ( 3 ) 制作工艺公差要求严格。 在毫米波方面，h i c k s o n 等人【3 9 】研究了1 8 g h z - , - 4 0 g h z 跟踪环行器，用 m 。= 4 2 7 3 k a m ，s ，= 1 3 ，岛= 4 0 8 的铁氧体材料和介质，样品半径r = 0 8 6 4 m m ， f ，= o 5 7 r a d ，只获得a + 2 d b ，a 一l o d b 的性能，并在3 8 g h z 出现了吸收峰，在 18 g h z 一3 0 g h z 获得a l d b 。为了降低机械加工精度，也有人采用高阶模谐振圆 盘设计，但器件带宽窄，如9 4 g h z 主模设计圆盘半径r = 0 2 7 r a m ，获得口一 15 d b ， 带宽8 g h z ，用第一高阶模设计时r = 0 4 6 7 m m ，a 一 1 5 d b 的带宽只有3 g h z 。2 0 0 3 年，x uz u o 等人采用m 型b a 铁氧体基片制作出毫米波频段的自偏置的环行器。 从测量的s 参数可知，在中心频率4 1 g h z 处，隔离度为2 8 d b ，但插入损耗稍大 为4 d b 删。 总的说，国外毫米波器件水平已相当高，俄罗斯在毫米波铁氧体环行器方面 尤为突出，如8 m m 差相移环行器可承受1 2 0 k w 峰值功率，8 m m 微带集成式环行 器做到a 0 6 d b 4 1 】。如今市场上也已推出2 6 5 g h z - 1 7 0 g h z 的微带环行器，根据 市场需求，当前发展的重点还是8 m m 和4 m m 频段。 三、理论研究进展 在环行器研制过程中，理论扮演着重要的角色，最初指导思想是由a u l d 4 2 】建 立的环行器的散射矩阵理论，此理论表明环行器实现环行的充分必要条件是其各端 口都达到匹配，而且结的环行取决于结的散射矩阵本征值的调整。散射矩阵理论 对设计环行器具有指导作用，对于环行器的环行性能却不能给出定量的结果。 自米拉诺( u m i l a n o ) 1 9 6 0 年发表了第一篇带结y 形环行器论文以后的4 0 余年 电子科技大学硕士学位论文 来理论不断地创新【4 3 】，1 9 6 2 年d a v i e s 4 4 1 禾l j 用场理论分析了对称y 结满高度铁氧体 h 面波导结环行器。而较为经典的理论是博斯马f h b o s m a ) 从场理论对带线结进行 了基本分析【4 5 1 ，为环行器的研究和发展打下初步的理论基础；范埃( c e f a y ) 矛1 克 姆斯托克( r l c o m s t o c k ) 等对环行器的基本工作原理进行了具体分析，给工程设计 提供依据【4 6 1 。不过这两种方式均是假设y 结圆盘谐振器除端口以外的边缘都是理 想的磁壁，无耗、磁化均匀的，这种处理在低频和径高比d m 足够大时可近似正 确。实际的器件却存在损耗，磁化也不均匀，随着频率的升高和d h 的减小 ( d h a h - q 。j p o u k h l | h0 (2-23) 一y h ：= j o e o c e r e x = j c o s o c e e 。= 0 这种情况下，导磁率仍是一个张量。但是，在下列两种特殊情况下，导磁率 成为一个标量。 第一种情况：均匀平面波只有t 和日：两个分量，沿y 轴传播， 均匀的平面t e m 波。这时式( 2 2 4 ) 可以简化为： 憷嚣篙兰。 显然这是一个 ( 2 - 2 4 ) 第二章环行器的基本理论 根据此方程组有非零解条件可以得到： y = j 而 ( 2 2 5 ) 这个传播常数就是t e m 波在普通介质中的传播常数，导磁率与直流磁场大小 无关，因为交变磁场与直流磁场风方向一致，自旋电子未受力矩作用。 第二种情况：均匀平面波是t e 波，它只有e 、日，、日，三个分量，由( 2 - 2 3 ) 消去最，得： j ( y 2 + 国2 t “) 致一缈2 氏。碱q 2 o(2-26) i j k l o h x + 眦日，= 0 上式非零解条件是： ( 厂2 + 缈2 氏眦) 一功2 氏g 石2 露= 0 解出y 得： y = 国 式中： = 等 = 蛾雨磊瓦 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) 以矿称为铁氧体对均匀平面t e 波的有效相对导磁率。式( 2 2 9 ) 只有在横向 磁化条件下，对均匀平面t e 波才是正确的。如果虽然是横向磁化，但不是均匀平 面t e 波，而是不均匀平面t e 波，例如横向磁化的矩形波导中t e l o 波，式( 2 2 9 ) 不再适用。同理，虽然是横向磁化，但为不均匀柱面波，例如微带环行器中的波， 式( 2 2 9 ) 也不能应用。这时铁氧体的导磁率仍为一个张量，不应简单地用一个标 量代替。 总之，在横向磁化情况下，在无限大微波铁氧体介质中，沿y 轴传播的任何 均匀平面波可分解成两个分量，它们分别是沿钒方向极化的非寻常波t e 波和垂 直于鼠方向极化的寻常波t e m 波，由于这两个波的传播常数不同，结果导致波 的极化状态随着波向前传播而不断的发生变化，这种现象称为波的双折射效应。 2 3 铁氧体环行器的设计理论 一般来说，环行器为三端口器件。若环行器围绕三端口是圆对称且无耗，则 散射矩阵可写为： 1 9 电子科技大学硕士学位论文 r r p 卜匕 口 rl 口 r j 因为环行器为无耗的，所以 s 】必是幺正矩阵， 2 + l p l 2 + 阱= 1 i 邛+ + 订+ + 触= 0 ( 2 - 3 0 ) 这意味着有以下两个条件： ( 2 3 1 ) 假如环行器是匹配的( f = 0 ) ，则式( 2 3 1 ) 表明要么有口= 0 和例= 1 ，要么 有= o 和h = 1 ；这是描述理想环行器正反方向两种可能的工作状态( 如图1 2 ) ， 实际上通过改变铁氧体偏置场的极性来实现的。大多数环行器采用永磁体作为偏 置场，但若采用电磁铁，则环行器可工作在锁存模式作为s p d t 开关。 若存在很小的失配，即l f l 1 ，考虑原始环行状态使功率沿1 2 3 方向流动， 致使川接近于1 且例很小。由式( 2 3 1 ) 知例h ，圳1 - f 2 ，这样式( 2 3 0 ) 可改写为： r rr 1 一r 2 嘲= l l r 2rr i ( 2 碰) f f1 一f 2fi 上式中忽略了相位因子。该结果表明环行器的隔离度f ，传输口l r 2 ， 当输入端口失配变大，两者均变坏。 2 。3 。1 结环行器的场理论 在结环行器的圆柱坐标系统中，铁氧体的半径为r ，如图2 6 所不。设恒定磁 场加在z 方向；铁氧体内电磁场分布不随z 方向而变化即0 六= 0 ；铁氧体内电场 强度只有z 分量，表示为e ( p ，) 。则从麦克斯韦旋度方程很容易求得电场强度 e ( p ，矽) 所满足的均匀h e l m h o l t z 方程【4 6 】： ( 若+ 万1 历0 + 歹1 酽0 2 叫驰= 。( 2 - 3 3 )i 虿+ 万历+ 歹酽诎办们却 其中，k = 国心s ，为电磁波传播常数，式( 2 - 3 3 ) 的通解可写为： 毛= ( 4 。e 脚+ 以。p 叻妒) 以( k p ) ( 2 3 4 ) 第二章环行器的基本理论 n = l ，2 ，代表不同的模式，通过场方程可求出日