CDMA 870-880MHz 頻段的結環(huán)行器設計

同濟大學電信學院 賈建華 黃寧

利用帶線結環(huán)行器的相關理論，設計了870～880MHz結環(huán)行器，實現(xiàn)的環(huán)行器在0.5～1.5GHz內，插入損耗≤0.4dB，隔離度≥20dB，電壓駐波比≤1.20，符合基站用環(huán)行器的技術指標

帶線結環(huán)行器是常用的微波鐵氧體器件,具有單向傳輸特性，入射信號能順利通過，反射信號由于被吸收電阻吸收而不能通過。因此，帶線結環(huán)行器在各類基站中被廣泛使用，放置于發(fā)射機與發(fā)射天線之間，防止因發(fā)射天線的開路或短路引起天線系統(tǒng)失配的情況下，由駐波造成的對發(fā)射機后級功率放大器件的損壞。

雖然國內外對環(huán)行器的設計有所報道，但是大多是工作在S波段以上的環(huán)行器的設計，對工作在870～915MHz波段的基站用環(huán)行器的設計的報道還是比較少。本文就將介紹我們在設計該波段的環(huán)行器時的工作。實現(xiàn)的環(huán)行器插入損耗為0.4～0.8dB，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12mm×12mm×7mm，完全符合基站用環(huán)形器的技術指標。

環(huán)行器設計

帶線結環(huán)行器的種類繁多，但其設計方法大同小異。本文所設計的環(huán)行器是微帶Y型結環(huán)行器，采用的設計方法是基于控制微帶線與環(huán)行結交接處形成的耦合角和環(huán)行結的直徑而獲得寬頻帶工作。

鐵氧體材料的選擇

鐵氧體基片的介質損耗和磁損耗必須很小，前者一般可與微波介質的損耗相比較，而后者是頻率的函數(shù)。當用非磁化鐵氧體基片時，為了使磁耗減小，應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 是飽和磁化強度（單位：高斯，Gs）， 是各向異性磁場強度（單位：奧斯特，Oe）。在制作器件時，為了使磁耗減至，應滿足下列條件:
式中
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常用的導體材料。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體材料。為了使總損耗，應當注意這幾個方面：導體的導電率要盡可能高，厚度至少為工作頻率上的趨膚厚度深度的2～4倍，基片盡量厚一些，以減小導體中的電流密度。

鐵氧體尺寸的設計

根據(jù)Fay的理論，帶線結環(huán)行器有兩個環(huán)行條件：

其中K是鐵氧體中傳播的電磁波波數(shù)，μ和κ分別是鐵氧體的導磁率張量的對角線和非對角線分量，Yin是輸入導納，Yeff是鐵氧體的有效波導納；GR是當Yin為純實數(shù)時的輸入電導?，F(xiàn)在經過研究發(fā)現(xiàn)KR的值并不是的，但是在本文設計中還是采用了KR=1.84。

通過式（2）可以計算出鐵氧體環(huán)行結的半徑R。

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，當工作頻率和鐵氧體材料選定后, μe和κ/μ的大小由外加磁場決定,所以外加磁場也是一個很重要的設計參數(shù)。在理論上，外加磁場應該使得有效偏置磁場為0，但是在實際中還要進行微調。

內導體的設計

對于帶線結環(huán)行器的非互易結如圖1所示。

可采用散射矩陣的方法來描述，它把結的反射波和入射波幅度聯(lián)系起來對非互易結進行唯象描述，可得出這樣的結論：一個匹配的無耗對稱三端結就是一個環(huán)行器。其散射矩陣可寫為：

從上式可以看出耦合角y是一個基本的設計參數(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
利用上文介紹的理論設計一個工作于CDMA 870～880MHz頻段的環(huán)行器，其設計參數(shù)如下：中心頻率為875MHz，鐵氧體的飽和磁化強度4πMs＝1350Gs，有效偏置磁場為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。