射頻結(jié)環(huán)行器的設(shè)計(jì)流程與仿真

k/μ參數(shù)為張量磁導(dǎo)率非對(duì)角分量除以對(duì)角分量，他也是鐵氧體的磁參數(shù)。

kR為貝塞爾函數(shù)的宗量，其中R是鐵氧體的半徑，k為波數(shù) 。而μeff，μ，k這些磁參數(shù)取決于鐵氧體歸一化磁矩和歸一化內(nèi)磁場(chǎng)。在飽和磁化且無(wú)耗情況下的磁參數(shù)k，μ，μeff可由下式獲得：

式中，p和σ分別代表歸一化飽和磁矩和歸一化內(nèi)場(chǎng)：

式中，Ms為鐵氧體飽和磁化強(qiáng)度；Hi為外加偏置磁場(chǎng)的大小。

下面分析主要的設(shè)計(jì)流程：

首先確定kR，即選取半徑R以及選取磁場(chǎng)工作點(diǎn)，確定μeff，k/μ，得到kR。再計(jì)算y，即已知kR，由第一環(huán)行條件計(jì)算得y。通常由y得到的 結(jié)阻抗Rj是無(wú)法與連接環(huán)行器的傳輸線(xiàn)。因?yàn)橐话銈鬏斁€(xiàn)特性阻抗為50 Ω，環(huán)行器需匹配才能接人，故必須添加匹配網(wǎng)絡(luò)，或者改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，尤其是H或φ，ξ1，ξ2等，使系統(tǒng)匹配。

然后計(jì)算k/μ，即已知kR及y，由第二環(huán)行條件計(jì)算得k/μ。若計(jì)算結(jié)果符合之前由p和σ所確定的k/μ值，則設(shè)計(jì)成功；否則需重新確定kR，進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，直到符合條件為止，可由Matlab進(jìn)行計(jì)算，通常誤差在0.05以?xún)?nèi)是可以接受的。

從以上設(shè)計(jì)流程中可以看出，結(jié)環(huán)行器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在于選取R，p和σ，因而需要給出一個(gè)合理的范圍。例如對(duì)于低場(chǎng)器件，為了避免零場(chǎng)損耗，p通常選 在0．4～0．7之間，而外加磁場(chǎng)要使材料飽和，即σ=0，偏置磁場(chǎng)為0?？傻胟/μ=p;μeff=1-P2。至于R的選取，如果考慮器件小型化，則應(yīng) 盡可能??；反之，若是高功率應(yīng)用，則必須大一點(diǎn)。通常kR的值在0.8～1.8之間確定，而對(duì)于高場(chǎng)器件，必須使σ>1，p>1，同時(shí)也不能 太大，大致范圍為1.5σ2，1 p 2。

3 仿真結(jié)果與分析

本文研究的頻率范圍為GSM接收端的925～960 MHz，屬于微波頻率段的低端，所以環(huán)行器所需的偏置磁場(chǎng)選用高于鐵氧體諧振場(chǎng)。處于高場(chǎng)工作，器件尺寸才能盡可能小，同時(shí)也要求較高磁化強(qiáng)度的飽和磁化 材料和較高的偏置磁場(chǎng)。仿真選用飽和磁化強(qiáng)度為1 800高斯(Gauss)，線(xiàn)寬△H為40奧(Oe)，損耗角正切tan δ=O.005的鐵氧體材料。

參照上述設(shè)計(jì)流程計(jì)算得到的參數(shù)為，R=4.0 mm，R0=1O mm，W=3.1 mm，φs=36，φ=22，H=2.2l mm，t=0.2 mm，k/μ=0.52，歸一化導(dǎo)納y=4.53，結(jié)阻抗Rj=14.6，環(huán)行條件誤差為0.003。在計(jì)算機(jī)上使用HFSS電磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行三維建模 仿真，設(shè)置好合適的邊界條件和激勵(lì)源。仿真分別對(duì)工作頻率F以及內(nèi)偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度Hi進(jìn)行了掃描，對(duì)性能參數(shù)作了對(duì)比分析。由于匹配部分使用的是二級(jí)非遞增 式匹配，計(jì)算得到的結(jié)果在仿真中性能并不是最理想，見(jiàn)圖2。這里使用HFSS自帶的優(yōu)化功能OPtimetrics模塊，以環(huán)行器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為變量，創(chuàng)建 COST函數(shù)為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，環(huán)行性能得到很大改善，見(jiàn)圖3。另外通過(guò)對(duì)內(nèi)磁場(chǎng)大小的比較，分析可得在相同外形尺寸的條件下，內(nèi)磁場(chǎng)的大小對(duì)環(huán)行器的 性能影響非常大，尤其在接近諧振頻率處曲線(xiàn)更陡峭，見(jiàn)圖4。在諧振頻率940 MHz處選擇最佳內(nèi)場(chǎng)接近39 000(A/m)。通過(guò)對(duì)內(nèi)磁場(chǎng)多次循環(huán)微調(diào)，最終性能曲線(xiàn)為頻帶內(nèi)隔離度大于24 dB，插損小于0.3 dB，回波損耗大于26 dB，電壓駐波比(VSWR)小于1.12。諧振點(diǎn)處隔離度為41 dB，插損為0.22 dB，回波損耗38 dB，電壓駐波比(VSWR)為l.03，完全滿(mǎn)足實(shí)際GSM高性能要求。從電場(chǎng)能量示意圖明顯可以看出1～3端口的能量傳輸，而2端口近乎無(wú)能量，被隔 離，見(jiàn)圖5。仿真結(jié)果證明，按照本文的設(shè)計(jì)方法得出的參數(shù)值已非常接近最佳性能指標(biāo)，驗(yàn)證了本文的設(shè)計(jì)流程以及仿真是切實(shí)可行的。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于雙Y結(jié)環(huán)行器的鐵氧體環(huán)行器研究和設(shè)計(jì)，按照環(huán)行條件給出了自己的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)，證明了設(shè)計(jì)的正確性，可行性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。對(duì)一般結(jié)環(huán)行器設(shè)計(jì)有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義,符合現(xiàn)代更高的性能優(yōu)勢(shì)和小型化特點(diǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。