CDMA 870～880MHz頻段的結(jié)環(huán)行器設(shè)計(jì)

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12mm12mm7mm，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，Y_in是輸入導(dǎo)納，Y_eff是鐵氧體的有效波導(dǎo)納；G_R是當(dāng)Y_in為純實(shí)數(shù)時(shí)的輸入電導(dǎo)。現(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, μ_e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(xiě)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)。