Ka频段铁氧体双环移相器

收稿日期:2007-04-05;　收修改稿日期:2007-05-29
Ka 频段铁氧体双环移相器
张元生　陈建荣
(西安空间无线电技术研究所,西安710000)
摘　要　文章介绍了一种铁氧体矩形双环移相器。

通过数值计算得到尺寸原型,利用
HFSS 仿真软件进行优化,工作频率在Ka 频段,采用多级匹配的方法实现了相对带宽为
10%、带内最大损耗约1.26dB 、驻波小于1.41、受控差相移的抖动小于0.5°的高性能移相
器。

关键词　矩形双环移相器　铁氧体　毫米波
0　引言
随着相控阵雷达的发展,移相器得以广泛应用。

矩形环状铁氧体移相器因耐功率高、微波频段插损小而得到了迅速发展。

然而在毫米波段内,由于器件体积小、尺寸精度高,给设计加工带来一定限制。

文章采用两级混合匹配技术,经大量仿真计算,设计并加工了一个具有良好性能的双环铁氧体移相器。

移相器内使用的是具有矩形磁滞回线的旋磁铁氧体,让器件工作在剩磁状态,用脉冲磁场激
励器件而不是固定恒磁场式的[1]。

这样能承受大功率而且不需要大量消耗“维持”功率,能够很方
便地与数字计算机连在一起使用,且开关速度快。

1　双环非互易铁氧体移相器的构成
双环非互易铁氧体移相器(图1)是由两个相同铁氧体矩形环棒、中间夹以介质层组合而成的矩形波导结构。

尽管该结构使用了两个矩形环状铁氧体,但与射频磁场发生非互易作用的有效铁氧体区仍然是与介质带毗邻的两个垂直铁氧体壁。

因此,这种结构与单环移相器以同样方式工作。

由于其沿横方向传播的非均匀性,精确地求解其电磁场和传播特性是不可能的,通常用平行板模型或微扰
理论进行求解,如图2所示[2]。

图1　双环移相器示意图 图2　双环等效的平行板结构模型
根据平行板模型建立的特征方程有两个解:β+和β-,分别对应于剩余磁通量相对于传输方向的
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72009年第1期 空间电子技术S PAC E ELEC TRON I C TECHNOLO GY
顺时针和反时针方向。

单位长度的差相移由(β--β+)给出。

2　设计仿真
211　材料参数的选择
材料的选择可在几个应用参数(诸如相移、插损和承受功率能力)之间折中。

对于中、低功率锁式移相器,通常用锂系铁氧体;而对于高功率移相器,则优先考虑温度补偿的石榴石材料。

这里选择
锂系材料。

其饱和磁化强度4
πM s 为4500G,相对介电常数为14,矩形比为0.84。

图3　仿真结构模型
212　移相段横截面的计算
截面的计算包括金属波导、环状铁氧体和填充的介质。

采
用微波网络理论,计算了初步的尺寸数值,并结合Ans oft 公司
的HFSS 软件进行大量仿真计算。

通过改变铁氧体环棒中空气
区的激励导线电流大小、位置以及变换介质参数、铁氧体壁厚
等[3,4],最终获得了性能优良的相移指标。

图3是用HFSS 软件
构建的模型。

213　阻抗变换器设计
在实用器件中,移相段要由阻抗变换器与输入输出波导口
匹配[5]。

对于窄带的匹配,一般采用单节四分之一波长变换器。

这里采用宽带匹配,选用两级介质变换器。

变换器利用E
面介质(介质材料是介电常数为6的陶瓷材料)加载的矩形波导来实现。

让Z 0和Z L 分别表示输入
波导和铁氧体加载波导段的波阻抗,则这个两级变换器的部分加载波导段的阻抗为:
Z 1=Z 1/4L Z 3/40=136Ω Z 2=Z 3/4L Z 1/40=228
Ω 经过HFSS 的仿真优化计算得到端口的特性阻抗分别为:第一级阻抗137
Ω,第二级阻抗232Ω,基本与理论值相近。

214　性能仿真
通过整合移相器截面参数和匹配介质尺寸,最终完成了整体结构的功能性仿真,如图4、图5所示。

相移量为202°/25mm 的带内(33GHz ～35GHz )抖动都小于1°,端口驻波小于1.13。

图4　相移量仿真曲线
08空间电子技术 2009年第1期
图5　电压驻波仿真曲线
3　实验结果
在以上理论计算和仿真设计的基础上进行了硬件的加工制作,实际完成了一个工作在毫米波频图6　移相器实物
段内的双环移相器,中心频率为34GHz,如图6所示。

通过实
验测试得到其性能,如图7、图8所示。

在0.8A 的激励电流下相移量为178°/25mm ,插入损耗≤
1.26d B ,电压驻波比≤1.41,整个设计频带范围内(33GHz ～
35GHz )受控差相移的抖动小于0.5°。

从图8的S 参数来看,
频带内最大损耗约1.26d B ,驻波小于1.41。

在相对带宽为
10%的范围内较好地满足了设计指标。

对于实测的差相移量
值小于仿真的结果,其原因在于仿真条件下的场量的大小为理
想状况,其值就是设定的数值;而实物中的场量大小,由于技术
条件上的一定限制及损耗等因素,会小于仿真值,从而导致差
相移有了一定的减小,但可通过适当加大激励电流来弥补。

图7　相移测试曲线 图8　S 参数测试曲线
4　结论
文章利用理论计算和电子仿真相结合的方法,运用多级介质匹配技术,在毫米波频段实现了一个
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82009年第1期 张元生　等:Ka 频段铁氧体双环移相器
28空间电子技术 2009年第1期
相对带宽为10%、低损耗高优值、受控差相移的抖动小于0.5°的高性能铁氧体双环移相器。

对工程应用具有一定的实践意义。

参考文献
[1]　冯全源,任朗.单环非互易铁氧体移相器.西南交通大学学报.2001,36(2)
[2]　Xu Yansheng and Zhang Guangchuang.A rigor ous method f or computati on of ferrite t or oidal phase shifters.I EEE
Trans.on M icr owave Theory and Techniques,Vo.l36,No.6,1988
[3]　Rodrigue G P.A generati on of m icr owave ferrite devices.Pr oc.of the I EEE.1988,Vol.76
[4]　Roy B J.Ferrite2filled,antisy mmetrically2biased rectangular waveguide phase shifter.United States Patent6,867,664,
M ay5,2003
[5]　温俊鼎,施美娟,熊永忠等.背脊波导移相器的阻抗匹配研究.电子学报.1992,20(6):48～53
作者简介
张元生　1979年生,2001年获西安电子科技大学学士学位,现为西安空间无线电技术研究所电磁场与微波技术专业硕士研究生。

陈建荣　1960年生,研究员、硕士研究生导师。

研究方向为空间微波技术。

A Ferrite T win2t or oid Phase Shifter in Ka Band
Zang Yuansheng　Chen J ianr ong
(Xi′an I nstitute of S pace Radi o Technol ogy,Xi′an710000)
Abstract　A Ferrite T win2t or oid Phase Shifter in Ka Band is illustrated in this paper.Firstly we get the p r ot otype size of ferrite phase shifter thr ough the value computati on,then the op ti m u m design para meters are given by HFSS.t w o step matching technol ogy make relative band width t o be10%Obtained the maxi2 mum insert l oss is less then1.26dB,the VS WR(Voltage Standing2W ave Rati o)is less then1.41,the con2 tr olled difference phase2shift vibrati on is s maller than0.5degree.
Key words　T win2t or oid　phase shifter　Ferrite M icr owave
(上接第24页)
Pr oposal for an I m age and I nstructi on Trans m issi on Antenna
Xu Zhi1,2　L i Rongjun2　Yang Hongxi2　L iang Changhong1
(1.Nati onal Key Lab.of Antennas and Electr omagnetic Scatter,Xidian University,Xi′an710071;
2.Xi′an I nstitute of Space Radi o Technol ogy;Xi′an710000)
Abstract　I n this paper,the operati on p rinci ples of the bea m2s witching antenna syste m are intr oduced,and the design p r oposal of an S2band i m age and instructi on trans m issi on antenna syste m is p resented.
Key words　Beam s witching　Base2stati on antenna。