射频结环行器的设计流程与仿真

作者：时间：2013-10-23 来源：网络收藏

本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/259677.htm

k/μ参数为张量磁导率非对角分量除以对角分量，他也是铁氧体的磁参数。

kR为贝塞尔函数的宗量，其中R是铁氧体的半径，k为波数。而μeff，μ，k这些磁参数取决于铁氧体归一化磁矩和归一化内磁场。在饱和磁化且无耗情况下的磁参数k，μ，μeff可由下式获得：

式中，p和σ分别代表归一化饱和磁矩和归一化内场：

式中，Ms为铁氧体饱和磁化强度；Hi为外加偏置磁场的大小。

下面分析主要的设计流程：

首先确定kR，即选取半径R以及选取磁场工作点，确定μeff，k/μ，得到kR。再计算y，即已知kR，由第一环行条件计算得y。通常由y得到的结阻抗Rj是无法与连接环行器的传输线。因为一般传输线特性阻抗为50 Ω，环行器需匹配才能接人，故必须添加匹配网络，或者改变结构参数，尤其是H或φ，ξ1，ξ2等，使系统匹配。

然后计算k/μ，即已知kR及y，由第二环行条件计算得k/μ。若计算结果符合之前由p和σ所确定的k/μ值，则设计成功；否则需重新确定kR，进行循环计算，直到符合条件为止，可由Matlab进行计算，通常误差在0.05以内是可以接受的。

从以上设计流程中可以看出，结环行器设计的关键是在于选取R，p和σ，因而需要给出一个合理的范围。例如对于低场器件，为了避免零场损耗，p通常选在0．4～0．7之间，而外加磁场要使材料饱和，即σ=0，偏置磁场为0。可得k/μ=p;μeff=1-P2。至于R的选取，如果考虑器件小型化，则应尽可能小；反之，若是高功率应用，则必须大一点。通常kR的值在0.8～1.8之间确定，而对于高场器件，必须使σ>1，p>1，同时也不能太大，大致范围为1.5σ2，1 p 2。

3 仿真结果与分析

本文研究的频率范围为GSM接收端的925～960 MHz，属于微波频率段的低端，所以环行器所需的偏置磁场选用高于铁氧体谐振场。处于高场工作，器件尺寸才能尽可能小，同时也要求较高磁化强度的饱和磁化材料和较高的偏置磁场。仿真选用饱和磁化强度为1 800高斯(Gauss)，线宽△H为40奥(Oe)，损耗角正切tan δ=O.005的铁氧体材料。

参照上述设计流程计算得到的参数为，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，归一化导纳y=4.53，结阻抗Rj=14.6，环行条件误差为0.003。在计算机上使用HFSS电磁场仿真软件进行三维建模仿真，设置好合适的边界条件和激励源。仿真分别对工作频率F以及内偏置磁场强度Hi进行了扫描，对性能参数作了对比分析。由于匹配部分使用的是二级非递增式匹配，计算得到的结果在仿真中性能并不是最理想，见图2。这里使用HFSS自带的优化功能OPtimetrics模块，以环行器的结构参数为变量，创建 COST函数为目标函数进行优化，环行性能得到很大改善，见图3。另外通过对内磁场大小的比较，分析可得在相同外形尺寸的条件下，内磁场的大小对环行器的性能影响非常大，尤其在接近谐振频率处曲线更陡峭，见图4。在谐振频率940 MHz处选择最佳内场接近39 000(A/m)。通过对内磁场多次循环微调，最终性能曲线为频带内隔离度大于24 dB，插损小于0.3 dB，回波损耗大于26 dB，电压驻波比(VSWR)小于1.12。谐振点处隔离度为41 dB，插损为0.22 dB，回波损耗38 dB，电压驻波比(VSWR)为l.03，完全满足实际GSM高性能要求。从电场能量示意图明显可以看出1～3端口的能量传输，而2端口近乎无能量，被隔离，见图5。仿真结果证明，按照本文的设计方法得出的参数值已非常接近最佳性能指标，验证了本文的设计流程以及仿真是切实可行的。