??? 摘? 要：? 針對3G-WCDMA頻段的實際要求，基于場路結(jié)合的理論，提出了具有低阻抗開路線的雙Y結(jié)環(huán)行器的設(shè)計方法，并采用有限元分析法對其進行仿真驗證，結(jié)果完全滿足插損、隔離度等實際的指標(biāo)要求，達(dá)到了預(yù)期的效果。?

??? 關(guān)鍵詞： WCDMA； 雙Y結(jié)環(huán)行器；有限元分析法

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??? 自上世紀(jì)60年代第一代鐵氧體結(jié)環(huán)行器誕生以來，至今仍是用量最大的微波鐵氧體器件之一，它在移動通信設(shè)備中是不可或缺的基礎(chǔ)器件和關(guān)鍵器件。隨著移動通信的不斷發(fā)展，特別是近年來3G標(biāo)準(zhǔn)的提出，對鐵氧體結(jié)環(huán)行器的需求也與日俱增，對它的基本要求是結(jié)構(gòu)小型化、平面化、重量輕，同時具有低的插入損耗、高隔離度、寬頻帶、溫度穩(wěn)定性好和高的功率承受能力等特點。當(dāng)環(huán)行器用于收發(fā)信設(shè)備中時，起到極間隔離、去耦、阻抗匹配的作用；當(dāng)用于天線系統(tǒng)時，可用作雙工器。?

??? 對雙Y結(jié)環(huán)行器的研究始于70年代，由于這種環(huán)行器具有頻帶寬，體積小等獨特的優(yōu)點，引起了人們的極大興趣，但其電磁理論分析較為復(fù)雜，有待更進一步的研究和證實。1980年HELZAJN J^[1]用有限元法分析了雙Y結(jié)的諧振頻率，把雙Y結(jié)等效為并聯(lián)諧振電路，計算了環(huán)行器的輸入阻抗與鐵氧體材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系。1988年，蔣仁培等結(jié)合場與路理論建立了雙Y結(jié)環(huán)行器^[2]的設(shè)計方法。本文以場路結(jié)合為基礎(chǔ)，結(jié)合WCDMA頻段的實際要求，討論了雙Y結(jié)環(huán)行器的設(shè)計與仿真實現(xiàn)。?

1 雙Y結(jié)環(huán)行器的理論分析?

1.1? 雙Y結(jié)的等效電路模型?

??? 1981年HELZAJN J等人用有限元法對雙Y結(jié)的諧振頻率等參數(shù)進行了分析與研究，得出了雙Y結(jié)環(huán)行器的等位線模型^[3]，如圖1所示。?

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??? 在分析雙Y結(jié)環(huán)行器時，一般從Y形諧振器出發(fā)，把此諧振器看作是由3個stub端口(短截線開路端口)和3個耦合端定義的1個六端口器件。同時運用3個stub端口的邊界條件(終端開路)，將此六端口網(wǎng)絡(luò)縮減成了1個三端口網(wǎng)絡(luò)。在理想狀態(tài)下，如果環(huán)行器中表示同相位的模式(n=0、3……)由1個獨立于頻率的短路電路表示，那么此時三端口網(wǎng)絡(luò)則縮減成1個單端口網(wǎng)絡(luò)，即用1個單端口電路可以表示1個對稱的雙Y結(jié)環(huán)行器等效電路，此單端口電路如圖2所示。?

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??? 圖中式中G為等效電導(dǎo)，B′為等效電納斜率，ω₊及ω_-為諧振頻率，ω₀為環(huán)行器工作的中心頻率。?

1.2 雙Y結(jié)的環(huán)行條件?

??? 根據(jù)HELZAJN J的理論^[1]，在僅僅考慮n=±1的條件下，即環(huán)行器中只存在主模的條件下，輸入電納為：

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??? W為耦合帶線的寬度，H為鐵氧體的厚度，t為帶線中心導(dǎo)體的厚度，W、H、t的單位為m。λ為自用空間中的波長，單位為m，ε_f為鐵氧體的介電常數(shù)，μ_d為未飽和磁化下鐵氧體的磁導(dǎo)率，由下式給出：?

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??? M₀為飽和磁化強度，單位為特斯拉，ω為工作頻率，單位為rad/s，γ為璇磁比(2.21×10⁵(rad/s))，μ₀ =4π×10^-7H/m，R₀,R_i,ψ_s,ψ_p的值由圖3表示。?

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??? 雙Y結(jié)的截止波數(shù)可由式B=0來定義，結(jié)合式（1）可以得出：?

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??? 從式中(6)可以看出，當(dāng)R₀/R_i=1時，雙Y結(jié)便退化為圓盤結(jié)，κR₀=1.84^[4]。?

??? 結(jié)合鐵氧體本征模式的諧振條件：?

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2 雙Y 結(jié)環(huán)行器設(shè)計?

2.1 理論設(shè)計?

??? 選用雙Y結(jié)作為內(nèi)導(dǎo)體的優(yōu)點在于，通過三根開路線，即三根stub的作用能夠把端口阻抗中的電抗抵消掉，而阻抗中只剩下電阻的部分，可以直接采用1/4波長傳輸線來進行匹配。?

??? 通常在環(huán)行器沒有做任何匹配（結(jié)內(nèi)或結(jié)外）時，所能獲得的帶寬是很小的，而采用雙Y 結(jié)構(gòu)就能實現(xiàn)結(jié)內(nèi)匹配，只要選擇合適的耦合角，?鬃p、?鬃s就能達(dá)到寬頻帶的效果，約為20%～40%。而隨著通信的發(fā)展，對硬件的要求，特別是對硬件的厚度和功率承受能力的要求越來越高，即要求平面化和大功率化，此時采用一般的雙Y結(jié)構(gòu)，即采用高阻抗短截線來作為三個stub時，實際效果并不理想。為此，本文采用低阻抗短截線作為雙Y結(jié)構(gòu)中的三個stub，進行相應(yīng)的設(shè)計和仿真。?

??? 在WCDMA頻段環(huán)行器的具體設(shè)計指標(biāo)如表1所示。?

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??? 根據(jù)指標(biāo)先用路理論^[5]計算出Y形結(jié)的等效電導(dǎo)和低阻抗開路線的等效電導(dǎo)。?

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式中，r為駐波比，δ₀為半帶寬，ω₂、ω₀分別為頻率上限和中心頻率，Y_e為匹配傳輸線的特征導(dǎo)納，Y₀為0.02s。?

??? 此處選定r=1.1，δ₀=0.1，則可得：?

??? G=0.167?

??? B′=0.349 ?

??? Y_e=0.06s(Z_e=16.51Ω)?

??? 上述數(shù)值為環(huán)行器所要達(dá)到的指標(biāo)，從環(huán)行條件出發(fā)，并且考慮到環(huán)行器的邊緣效應(yīng)時，?

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??? 聯(lián)立這兩個方程，借助計算軟件MATLAB，可以求得：κR_i=0.8007 6，θ_s=1.158 6，鐵氧體飽和磁化時，可得所需飽和磁化強度4πM_s為305G，由此選擇transtech公司的G-350鐵氧體，其介電常數(shù)為14±5%,飽和磁化強度為350G，結(jié)合式(5)可得：μ_d=0.926，繼而由式(4)得：κ=161.377rad/mm，那么雙Y結(jié)的內(nèi)導(dǎo)體尺寸分別為：R_i=4.96mm，R₀=12.14mm。?

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??? 將W=4.96mm，t=0.127mm，Z_e=16.51Ω代入式(3)得：H=2.355，即鐵氧體的厚度為2.355mm，整個環(huán)行器的厚度(帶線厚度)b=2H+t=4.837mm。?

??? 匹配通過1/4波長傳輸線來完成，得出傳輸線的長度

??? 最后，計算鐵氧體外部的連接傳輸線的寬度為：W=6.6mm。?

2.2? 軟件仿真?

??? 選用電磁仿真軟件HFSS進行仿真，結(jié)合上述計算出來的數(shù)值，構(gòu)建仿真模型，如圖4所示。?

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??? 對模型在WCDMA頻段2.11GHz～2.17GHz進行仿真,得回波損耗、插入損耗及隔離度特征曲線如圖5、圖6、圖7所示。

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??? 從圖中可知回波損耗、隔離度在WCDMA頻段均基本≥20dB，在中心頻率點2.14GHz，回波損耗達(dá)到了20.6dB，隔離度達(dá)到了20.5dB，而插入損耗在此頻段性能較好，均≤0.2dB，在中心頻點只有0.116 5dB左右。?

??? 選定整個雙Y結(jié)內(nèi)導(dǎo)體平面，得到電場圖和能量圖，如圖8、圖9所示。?

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??? 從圖中可以看出，信號僅在端口1和2上環(huán)行，在第3端口幾乎沒有信號，從而較好地實現(xiàn)了環(huán)行的功能。?

??? 本文設(shè)計了在WCDMA頻段采用低阻抗開路線的雙Y結(jié)環(huán)行器，并取得了較好的仿真結(jié)果，它對于在實際中需要平面化和大功率的環(huán)行器的設(shè)計具有較高的理論指導(dǎo)意義和實際參考價值。?

參考文獻(xiàn)?

[1] HELSZAJN J. Characterisation of planar WYE shaped?resonators for use in circulator hardware, Presented at the MTT symp. Washington DC. 1980.?

[2] 蔣仁培,魏克珠.微波鐵氧體理論與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,1984.?

[3] HELSZAJN J. Standing wave solutions of planar irregular?hexagonal and wye resonators[J]. IEEE Trans Microwave?Theory Tech.,1981.?

[4] FAY C E, COMSTOCK R L. Operation of the ferrite?junction circulator[J]. IEEE Transaction on Microwave?theory and Techniques, 1965,13:15～27.?

[5] HELSZAJN J. Quarter-wave coupling junction circulator?using weakly magnetized disk resonator. IEEE.1982.