CDMA 870 ~ 880MHz 频段的结环行器设计

利用带线结环行器的相关理论，设计了870～880MHz结环行器，最后实现的环行器在0.5～1.5GHz内，插入损耗≤0.4dB，最小隔离度≥20dB，电压驻波比≤1.20，符合基站用环行器的技术指标

带线结环行器是常用的微波铁氧体器件,具有单向传输特性，入射信号能顺利通过，反射信号由于被吸收电阻吸收而不能通过。因此，带线结环行器在各类基站中被广泛使用，放置于发射机与发射天线之间，防止因发射天线的开路或短路引起天线系统失配的情况下，由驻波造成的对发射机后级功率放大器件的损坏。

虽然国内外对环行器的设计有所报道，但是大多是工作在S波段以上的环行器的设计，对工作在870～915MHz波段的基站用环行器的设计的报道还是比较少。本文就将介绍我们在设计该波段的环行器时的工作。最后实现的环行器插入损耗为0.4～0.8dB，最小隔离度≥20dB，电压驻波比≤1.20，连接形式可以是SMA、N型或带线，尺寸为12mm×12mm×7mm，完全符合基站用环形器的技术指标。

环行器设计

带线结环行器的种类繁多，但其设计方法大同小异。本文所设计的环行器是微带Y型结环行器，采用的设计方法是基于控制微带线与环行结交接处形成的耦合角和环行结的直径而获得宽频带工作。

铁氧体材料的选择

铁氧体基片的介质损耗和磁损耗必须很小，前者一般可与微波介质的损耗相比较，而后者是频率的函数。当用非磁化铁氧体基片时，为了使磁耗减小，应按照的条件选择材料。式中，是工作频率（单位：兆赫，MHz）,是有效旋磁比（=2.8 MHz/Oe），是饱和磁化强度（单位：高斯，Gs），是各向异性磁场强度（单位：奥斯特，Oe）。在制作器件时，为了使磁耗减至最小，应满足下列条件:

（1）

式中，而是本征铁磁谐振频率。根据上式就可以确定铁氧体的饱和磁导率的范围，从而选定合适的铁氧体材料。

微带线材料的选择

金、银和铜是基片上微带线最常用的导体材料。一般先在基片上真空淀积上厚度为200～400mil的薄铬层，以获得良好的表面附着力。然后再蒸镀或电镀上希望厚度的导体材料。为了使总损耗最小，应当注意这几个方面：导体的导电率要尽可能高，厚度至少为最低工作频率上的趋肤厚度深度的2～4倍，基片尽量厚一些，以减小导体中的电流密度。

铁氧体尺寸的设计

根据Fay的理论，带线结环行器有两个环行条件：

（2）

（3）

其中K是铁氧体中传播的电磁波波数，μ和κ分别是铁氧体的导磁率张量的对角线和非对角线分量，Y_in是输入导纳，Y_eff是铁氧体的有效波导纳；G_R是当Y_in为纯实数时的输入电导。现在经过研究发现KR的值并不是唯一的，但是在本文设计中还是采用了KR=1.84。

通过式（2）可以计算出铁氧体环行结的半径R。

（4）

其中

（5）

（6）

由式（2）和(4)可知，根据所需要的工作频率选择具有合适饱和磁导率的铁氧体材料，就可以方便的得到铁氧体的尺寸要求。

由式(6)可知，当工作频率和铁氧体材料选定后, μ_e和κ/μ的大小由外加磁场决定,所以外加磁场也是一个很重要的设计参数。在理论上，外加磁场应该使得有效偏置磁场为0，但是在实际中还要进行微调。

内导体的设计

对于带线结环行器的非互易结如图1所示。

图1 带线结的非互易结

可采用散射矩阵的方法来描述，它把结的反射波和入射波幅度联系起来对非互易结进行唯象描述，可得出这样的结论：一个匹配的无耗对称三端结就是一个环行器。其散射矩阵可写为：

（7）

（8）

（9）

（10）

其中:

（11）

（12）

（13）

（14）

（15）

在上式中：

反射损耗＝;

隔离＝；

插入损耗＝

从上式可以看出耦合角y是一个基本的设计参数，根据Wu和Rosenbaum的理论，微带环行器要获得宽带环行特性，耦合角y的理论值是。

实验验证

图2 隔离度随频率变化图

图3 插入损耗随频率变化图

利用上文介绍的理论设计一个工作于CDMA 870～880MHz频段的环行器，其设计参数如下：中心频率为875MHz，铁氧体的饱和磁化强度4πMs＝1350Gs，有效偏置磁场为0，铁氧体介电常数15.5，铁氧体的半径为12mm、厚度为3.6mm，耦合角y取0.25rad。由图2、3可以看出其隔离度为38.9dB，插入损耗为0.309dB，电压驻波比为1.10，完全满足基站用环行器指标。