CN101894997B - 3mm波导隔离器环行器的电磁场仿真设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3mm波导隔离器环行器，包括上腔体(1)和下腔体(2)，其特征在于：在所述腔体(2)上开有Y型波导槽(3)，在Y型波导槽(3)的中心处设置圆柱形铁氧体(4)，所述铁氧体材料为Ms＝5000Gs、ε＝12.5、ΔH＝200Oe的毫米波铁氧体。本发明的3mm波段的环行器，实现了电子设备的进一步小型化，并进一步提高了环行器的稳定性、可靠性。

Description

3mm波导隔离器环行器的电磁场仿真设计方法

技术领域

本发明涉及一种环行器，尤其是涉及一种3mm波段的隔离器环行器，属于电子技术领域。 

背景技术

微波铁氧体技术在毫米波领域中，仍是一片空旷区，人力稀少，内容单一，目前对8mm、6mm、3mm虽有研究和开发，8mm环行器、隔离器已开发出8mm，6mm波段的环行器、隔离器少之又少，至于3mm环行器研究和开发更是罕见。3毫米环行器从技术层面上来分析，其一，该波段处于微波上限频率，对铁氧体尺寸、精度要求非常苛刻。因为3mm波段铁氧体中的传播波长小于1mm，所以铁氧体的尺寸误差小于0.01，铁氧体在波导中安装位置误差也必须控制在小于0.03mm，这样的精度在工程实践中是比较困难的，其二，以铁氧体材料选择角度分析，若3cm波段铁氧体材料的4πM_s取为2000-3000Gs(0.2-0.3T)，所以按比例3mm材料的合理选取应是20000-30000Gs(2-3T)但对亚铁磁性材料而言，其最大4πM_s＝5000Gs(0.5T)，相对3mm波段应用时，其归一化磁矩p只有0.16左右，相对正常使用的P＝0.64值差四倍，所以大大限制毫米波环行的带宽。 

毫米波波段从28GHz-100GHz，其工作范围在70GHz以上，但目前仅占领其不到1/3的频区。随着毫米技术的不断发展，微波遥感、测距、测速，微波成像技术，以及航空航天电子设备小型化的需求，毫米波铁氧体器件的研发和开发已提到重要日程，本发明针对3mm高功率环行器的问题，在理论上技术设计上，工程调试上和高功率应用上做一系列的研究，初步开发这片处女地。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种3mm波段的隔离器环行器，以实现电子设备的进一步小型化，并进一步提高环行器的稳定性、可靠性。 

为解决上述技术问题，本发明提供一种3mm波段的环行器，包括上腔体和下腔体，其特征在于：在所述腔体上开有Y型波导槽，在Y型波导槽的中心处 设置圆柱形铁氧体，所述铁氧体材料为Ms＝5000Gs、ε＝12.5、ΔH＝100Oe的毫米波铁氧体。 

前述的3mm波段的环行器，其特征在于：所述铁氧体为一片，铁氧体的上端、下端分别通过一块介质支架(聚四氟乙烯)与上腔体及下腔体贴合。 

前述的3mm波段的环行器，其特征在于：所述铁氧体直径1.35mm，高0.75mm。 

前述的3mm波段的环行器，其特征在于：所述铁氧体包括两片，第一铁氧体通过一个匹配块与上腔体贴合，第二铁氧体通过一个匹配块与下腔体贴合，两片铁氧体之间具有间隙。 

前述的3mm波段的环行器，其特征在于：所述铁氧体直径为1.35mm，高0.75mm，所述匹配块为等边三角形，边长为22mm，高度为0.2mm。 

前述的3mm波段的环行器，其特征在于：所述铁氧体包括两块，分别贴合于上腔体和下腔体两片铁氧体之间具有间隙。 

前述的3mm波段的环行器，其特征在于：所述铁氧体直径为1.38mm，高0.49mm。 

一种3mm波段的环行器的电磁场仿真设计方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1)建立仿真目标的三维几何模型，环行器下腔体结构、尺寸和铁氧体的结构尺寸及坐标定位； 

2)设置模型中各个模型的材料性能参数，使仿真几何模型变成物理模型； 

3)对下腔体的边界条件和端口定义，理想的边界条件设为理想导电面(E面)边界条件，环行器端口为三端口器件，对铁氧体材料的磁化状态，包括方向和大小进行合理的设定； 

4)设置求解范围(指频点数)、网格剖分方法、有限元解法及精度要求； 

5)求解过程中不断观察解的精度、指标性能、S参数矩阵的特性，直到获得满意结果； 

6)对数据进行后期处理； 

7)网络运算：为微波器件性能参数的基本运算，获得器件的S参数性能曲线， 

8)场运算：为仿真过程中完成的基本运算，获得器件中场强的精确分布数据，完成场矢量的各种复杂运算，包括数值积分方法，铁氧体材料性能参数的核实，如公式(2)(3)(6)(8)(9)和表格2、3的各种结果都是通过场运算获得的； 

9)场观察：求解过程完成后直接观察电磁场分布和传播过程观察； 

10)若性能参数不满足期望值要求，通过人工方法或自动方法进入优化设计，以改进建模中的优化参数(一般尺寸参数)，重新运行直到满意结果，具体优化方法为： 

f)确定优化变量； 

g)确定优化目标； 

h)设置优化变量的初值及变量范围； 

i)计算优化参量； 

j)优化参量达到优化目标，则形成优化参数，优化结束，若优化参量未达到优化目标，则重新进行计算，直至达到优化目标，得到优化参数，优化结束。 

本发明所达到的有益效果： 

本发明通过(以上的结构或设计方法，)，提供一种3mm波段的环行器，实现了电子设备的进一步小型化，并进一步提高了环行器的稳定性、可靠性。 

附图说明

图1a为第一种环行器的铁氧体结构示意图； 

图1b为第二种环行器的铁氧体结构示意图； 

图1c为第三种环行器的铁氧体结构示意图； 

图2a为本发明的外型图； 

图2b为本发明的下腔体的Y型波导槽平面示意图； 

图3a为第一种环行器的仿真性能效果图； 

图3b为第二种环行器的仿真性能效果图； 

图3c为第三种环行器的仿真性能效果图； 

图4为本发明的环行器中电场分布示意图； 

图5为第二种环行器和第三种环行器的Q_LΔF特性曲线比较； 

图6为当高功率10W输入时下片铁氧体内的温度分布示意图； 

图7为上片铁氧体中当Pp＝1.5KW输入时的高频磁场幅度示意图； 

图8为本发明的环行器的电磁场仿真设计流程图。 

具体实施方式

张量导磁率分量的比值κ/μ和旋磁耦合Q关系 

3mm铁氧体Y结环行器是一个分布电磁场问题，场理论的环行器条件为式(1a)，用网络理论环行条件为式(1b)。 

$|\mathrm{\κ}/\mathrm{\μ}|=\frac{{\left(\mathrm{kR}\right)}_{\mathrm{1,1}}^2-1}{\sqrt[2]{3}{Q}_m\left(f\right)}\≈\frac{0.69}{Q_m\left(f\right)}---\left(1a\right)$

|κ/μ|＝0.58/Q_m(f)           (1b) 

式中κ/μ为旋磁材料的磁导率比值，Q_m(f)为铁氧体圆柱的旋磁耦合Q值，式(1)意味着TM₁₁模的高频电磁场围绕着直流磁场(Z轴)方向旋转30°时，及环行状态下κ/μ与Q_m(f)的相互关系，式中(kR)₁₁＝1.84，即J′₁(x)＝0的第一根值，κ/μ是铁氧体材料张量磁导率比值由材料归一化磁矩p及工作磁场σ决定的，根据经典理论式(2)， 

$\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\μ}}=\frac{p}{{\mathrm{\σ}}^2+\mathrm{p\σ}-1}---\left(2\right)$

若f＝100GHz 

和其他波段相比κ/μ很低，旋磁耦合较弱，比一般环行器低4倍，这决定了3mm环行器的窄频带特征 

为了提高Q_m值，有3种Y型结构可选择， 

图1a为第一种环行器的铁氧体结构示意图，包括上腔体1和下腔体2在所述腔体2上开有Y型波导槽3，在Y型波导槽3的中心处设置圆柱形铁氧体4铁氧体3圆柱架在两块介质支架5中间，提高可Q值，但介质的导热性差，只能适合低功率情况； 

图1b为第二种环行器的铁氧体结构示意图，两片铁氧体附在金属匹配块6上，使磁场能集中在铁氧体中，提高了Q_m值，这种结构有利于散热，提高了器件平均功率； 

图1c为第三种环行器的铁氧体结构示意图，铁氧体直接附于波导面上，有利于散热，但提高器件的Q_m值比较差。Q_m铁氧体的耦合Q值，其定义为由输入功率P时，铁氧体中磁场能储能决定： 

$Q_m\left(f\right)=\frac{{\mathrm{fU}}_m\left(f\right)}{P}=\frac{f}{2P}\underset{f}{\∫}\mathrm{Re}(h\·\mathrm{\μh})\mathrm{dV}---\left(3\right)$ 即为磁场能与振动一周能量输入值之比值。其值可以通过式(3)积分方程求出。 

环行器的Q值和相对带宽ΔF的关系环行器的负载Q值和相对带宽ΔF的关系乘积，有两个经典公式来描述 

环行器的Q_L值和ΔF关系根据微波网络理论，对无匹配块的Y结环行器为式(4)表示； 

$Q_L\mathrm{\ΔF}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_m-1}{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_m}}---\left(4\right)$

对有匹配块的Y结环行器，其乘积由(5)式表示 

$Q_L\mathrm{\ΔF}=\frac{1}{\sqrt{3}}\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_m^2}-1---\left(5\right)$

ρ_m为环行器在频带范围内的最大驻波量，一般按1.22(即-20dB反射损耗)计算。 

设计三毫米波导环行器是比较复杂的，完全依靠实验方法虽然可以实现，但也是事倍功半，最有效率的方法还是通过先进的软件技术，通过仿真和优化过程来实现，图3a，图3b，图3c为对应图1a，图1b，图1c三种环行器的优化结果。 

三毫米Y形波导结环行器的研制和开发，由于对铁氧体尺寸精度要求很高， 应用电磁场结构(HFSS)仿真软件对其进行仿真，优化设计非常重要，以此作为设计背景，可以获得合理的环行器结构尺寸，材料参数选择和器件的性能参数，并找出其内在规律。另一方面环行器承受10W的平均功率和15KW的峰值功率，通过HFSS仿真设计工具，对Y结和对铁氧体内电磁场强度分析，估计到克服非线性效应的可行性，对高平均功率引起的热效应和温度升高及散热问题，可借助e-physic软件进行分析。 

三毫米环行器的基本性能 

用HFSS可以对图1a，图1b，图1c三种结构进行性能优化仿真，其结果如附图3a，3b，3c所示，他们共同的特点是铁氧体处于高Q工作状态，与三厘米环行器相比Q值高出四倍左右，这由于三毫米工作时参数κ/μ＝0.15，而三厘米波段κ/μ＝0.6，设计环行的条件必须满足的条件(式1)，所以三毫米工作的环行器基本上是窄带器件。 

附图3a为低功率状态工作，因为结构散热困难，铁氧体圆柱支撑在二片聚四氟乙烯材料中间，目的提高其Q值。铁氧体直径1.35mm，高0.75mm，Ms＝0.5T(4πMs)＝5000Gs其性能在94-96GHz内，满足隔离及反射损耗小于-20dB，其相对宽度ΔF＝0.021； 

附图3b为二片铁氧体圆柱直径紧贴在波导上散热情况状态良好，铁氧体尺寸为2-φ1.35mm×0.335mm，Ms＝0.5T，工作磁场300KA/m，匹配块尺寸Δ×t＝22mm×0.2mm，其带宽为92.5-95.5GHz，相对带宽ΔF＝0.032； 

附图3c为二片铁氧体圆柱直径紧贴波导上，散热情况好，铁氧体尺寸为2-Φ1.38mm ×0.49mm，H_i＝300KA/m。在93.3-94.8GHz，即1.5GHz带宽内有小于-20dB隔离，其相对宽带ΔF＝0.016。 

环行器带宽ΔF和环行器Q_L的关系 

仅对图1b和图1c两种适宜高功率结构进行分析，图1b中的铁氧体为有三角匹配块的情况，图1c中的铁氧体为无匹配块情况。 

对有匹配块情况 

$Q_L\mathrm{\ΔF}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_m-1}{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_m}}---\left(4\right)$

当ρ_m＝1.22(Ref＝-20dB)，Q_LΔF＝0.4 

对无匹配块情况 

$Q_L\mathrm{\ΔF}=\frac{1}{\sqrt{3}}\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_m^2-1}---\left(5\right)$

当ρ_m＝1.22，Q_LΔF＝0.2 

有匹配块时Q_LΔF乘积可提高一倍 

其中Q_L可以通过电磁场数值积分来求得： 

$Q_L=\frac{f}{2p}\underset{Y-\mathrm{junction}}{\∫}[\mathrm{Re}(h\·\mathrm{\μh}*)+\mathrm{Re}(e\·\mathrm{\ϵe}*)]\mathrm{dV}---\left(6\right)$

被积函数是Y型结中的储能U，由空气和铁氧体中的电磁能量综合组成。表1为Q_LΔF与公式(4)(5)计算结果对照表。 

表1 

结类型	QL	ΔF	QLΔF	公式计算
					第二种环行器	12.36	0.032	0.396	0.403(公式4)
第三种环行器	12.71	0.016	0.020	0.199(公式5)

表1指出，用公式(4)(5)计算结果和用数值积分(6)结果颇为一致。 

关于不同ρ_m值，其计算出的Q_LΔF乘积可见附图5。 

环行条件的验证 

式(1a)和式(1b)是环行条件的基本公式，在环行条件下，磁化后场型和非磁化的场型旋转30°，这就形成了隔离端，如附图4所示，非磁化状态时，零场线对称于端2和端3；磁化态时，零场线指向端3，所以1-3为隔离，这表明零场线旋转30°，对于第一种和第二种环行器两种结构有其不同的环行条件，对图1c和图1b型用式(1a)表示，对图1c型用式(1b)表示，在4πM_s＝0.5T，H_i＝300KA/m情况下，3毫米波段的|κ/μ|≈0.16只可求出积分式的数值解，就可检验证环行条件符合与否。 

$Q_m\left(f\right)=\frac{{\mathrm{fU}}_m\left(f\right)}{P}=\frac{f}{2P}\underset{f}{\∫}\mathrm{Re}(h\·\mathrm{\μh})\mathrm{dV}---\left(8\right)$

$\left|\frac{K}{\mathrm{\μ}}\right|=\left|\frac{I_m\left[{\left(\mathrm{1,0,0}\right)\·\mathrm{\μ}\left(\mathrm{0,1,0}\right)}^t\right]}{\mathrm{Re}[\left(\mathrm{1,0,0}\right)\·\mathrm{\μ}\left(\mathrm{1,0,0}\right)]}\right|---\left(9\right)$

其值也可用(2)式求，这里用数值法求出。关于数值积分式(6)的操作实例，表2为求|κ/μ|的结果；表3为求Q_m(f)的数值积分结果。 

表2 

表3 

对有匹配快的情况f＝94GHz，Q_m(f)＝4.168，|κ/μ|＝0.161，用公式(1a)验证之，0.69/Q_m(f)＝0.166； 

对无匹配块的0.69/Q_m(f)＝3.59，|κ/μ|＝0.161，用公式(1b) 

0.58/Q_m(f)＝0.165。 

表4为环行条件的理论公式(1)的验证结果对照， 

表4 

Y结类型	|κ/μ|(公式9)	Qm(f)(公式8)	|κ/μ|(1)式
				图(1b)	0.161	4.168	0.166(1a)式
图(1c)	0.161	3.509	0.165(1b)式

由此可见，常规环行条件理论公式(1)，在三毫米波段仍然正确。 

高功率热温度效应 

三毫米高功率环行器的高功率热散问题仍是一个尖锐问题，因为铁氧体体积很小，与正常的三厘米环行器相比，其体积只有约1/150，所以即使对10W功率而言，其热温度效应也非同小可。幸而铁氧体厚度较薄，对第一种环行器和第二种环行器两种结构分别为0.2mm和0.49mm，其腔体相对铁氧体体积比例较大，使散热更加有利，图6为对图1b中的第二种环行器结构用e-physic软件的仿真结果，高点温度T_H＝121℃，底点温度T_L＝95℃。 

这样对单个器件难以承受。若把环行器腔体安装在散热板上，温度分别是T_av＝53.4℃，T_H＝61.4℃，T_L＝35.8℃，这样使用情况可以接受。 

高功率三毫米环行器的非线性效应 

环行器要先克服高功率峰值的冲击，必须克服二道关口，本器体的P_p＝1.5KW，它产生非线性效应有两层概念，(a)高功率电击穿；(b)自旋波激发导致器件的非线性损耗增大。 

(a)高功率电击穿问题，对P_p＝1.5KW输入进行了Y型结内空气中场强击穿进行了仿真计算，在铁氧体表面的空气层中电场最大值E_max＝1.59×10⁶V/m，在正常状态下，低于其击穿场强E_b＝3×10⁶V/m，因而可以避免高功率打火问题，在实验上已经证实。 

(b)自旋激发与非线性损耗抑制问题，本发明通过仿真观察了上层铁氧体内的高频磁场，并计算了铁氧体内的平均场强，根据非线性理论，材料的临界场强hcrit，若铁氧体内的平均场强为低于hcrit避免了整体非线效应，h_crit＝ΔH_k/p，自旋波线宽ΔH_k＝8Oe，归一化磁矩p＝0.15，故h_crit＝53Oe(4242A/m)，但铁氧体内的平均场强44Oe(3420A/m)。h_av＜h_crit，但局部区h-12594A/m，仍然会带来高功率非线性损耗增大。在高功率状态下，损耗功率(0.8dB)的增加其原因是显而易见的。 

本发明获得了低损耗0.8dB，驻波1.25，隔离18dB，带宽2GHz的性能，满足应用的要求。三毫米频段是微波波段的上限频率，使用的高磁矩材料是微波铁氧体的极限值，这种边缘区的问题在研制工作中必然产生不少技术难点需要克服的，由于三毫米波段波长较短，铁氧体中波长不到一毫米，其尺寸误差 必须控制在0.01mm之内，这是设计很难达到的。调试手段上，一般器件配置调谐措施，其直径可取0.1波长，显而对三毫米是不现实的。在器件工作机制上，必须选用高Q的Y型结，比常规器件大4倍，本文中的几种结构其Q_L值达10以上，铁氧体圆柱的谐振特征明显，所以涉及尺寸上尽量接近TM₁₁模频率，窄带相应特征明显，所以设计和调试中频率灵敏度高。 

以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。 

Claims (1)

1.一种3mm波导隔离器环行器的电磁场仿真设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立仿真目标的三维几何模型，环行器下腔体结构、尺寸和铁氧体的结构尺寸及坐标定位；

2)设置模型中各个模型的材料性能参数，使仿真几何模型变成物理模型;

3)对下腔体的边界条件和端口定义，理想的边界条件设为理想导电面，环行器端口为三端口器件,对铁氧体材料的磁化状态，包括方向和大小进行合理的设定；

4)设置求解范围、网格剖分方法、有限元解法及精度要求；

5)求解过程中不断观察解的精度、指标性能、S参数矩阵的特性，直到获得满意结果；

6)对数据进行后期处理；

7)网络运算：为微波器件性能参数的基本运算，获得器件的S参数性能曲线；

8)场运算：为仿真过程中完成的基本运算，获得器件中场强的精确分布数据，完成场矢量的各种复杂运算，包括数值积分方法，铁氧体材料性能参数的核实；

9)场观察：求解过程完成后直接观察电磁场分布和传播过程观察； 

10)若性能参数不满足期望值要求，通过人工方法或自动方法进入优化设计，以改进建模中的优化参数，重新运行直到满意结果，具体优化方法为：

a)  确定优化变量；

b)  确定优化目标；

c)  设置优化变量的初值及变量范围；

d)  计算优化参量；

优化参量达到优化目标，则形成优化参数，优化结束，若优化参量未达到优化目标，则重新进行计算，直至达到优化目标，得到优化参数，优化结束。

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