浅谈小型化微波铁氧体隔离器的制作
杨昌香
摘 要：随着微波通信、卫星通信和高科技的不断发展，要求微波铁氧体器件小型化以满足整机发展的要求迫在眉睫。本文以自己近几年来研制和调试制作小型化S波段铁氧体隔离器为例，其外形尺寸10mm×16mm×10mm（工作带宽400MHZ，正向损耗≤0.5dB，反向损耗≥20dB，电压驻波比≤1.25，工作温度范围-55℃～+85℃）。主要从设计思路和调试制作中采取的方法，谈谈自己的一些体会。
关键词：小型化; 铁氧体; 隔离器
中图分类号：TN627? ? ? ? ? ? ?文献标识码：A? ? ? ?文章编号：1006-3315（2020）10-196-002
微波铁氧体器件是微波器件中一个非常重要的分支。随着我国军民两用装备技术的不断发展，微波铁氧体材料（旋磁材料）和微波铁氧体器件近年来也不断推陈出新，满足了军民市场的需求，尤其是在雷达、导弹、通信领域和航天航空领域起到积极作用。
在过去一直追求的是微波铁氧体器件电气性能，如频率范围、结构、材料一致性等等。現在更注重产品的小型化、一致性和可靠性，有的器件还有承受一定的功率、轻量化等要求，随着整机和系统的不断变化而对微波器件所提出的更高要求。我们长期以来都是从事用于弹载机载的小型化器件的设计和制作，当然还有其他方面的应用，体会是逐渐深刻的。从小型化射频隔离器、环行器等器件的设计、实验到调试制作过程也积累了一些粗浅的认识，为努力开展下一多频段的小型化功率器件和其它非标准的微波铁氧体器件制作奠定了一定的基础。
下面就从S波段隔离器的研究和制作过程的改进做一小结：
一、主要技术指标
工作带宽△f：400MHz;正向损耗α+≤0.5dB;反向损耗? α-≥20dB
电压驻波比VSWR≤1.25;工作温度范围-55℃～+85℃;外形尺寸10mm×16mm×10mm
二、基本设计思路
S波段隔离器的工作原理：
工作原理：信号从放大器前级到隔离器①端口输入，经过隔离器端口②输出到放大器的后级，这样的传输损耗较小。反过来，从端口②输入经过隔离器时，微波能量被负载所吸收到达端口①的信号能量很少，损耗较大。
这就是说：从反射端信号到达环行器三端接入的射频功率电阻，这时电磁能量被射频功率电阻较完全吸收，而端口①则没有能量的输入、保护输入端①的作用，起到了能量隔离。同时正方向输入的信号也避免了前级、后级的相互影响。
隔离器示意图
隔离器主要由旋磁铁氧体基片、中心导体、外加永磁体、匹配电阻所组成。为了满足电气性能和尺寸的要求，1.采用了准集中参数设计和中心导体结构。2.选择了高品质的旋磁铁氧体材料、永磁体材料及磁补偿材料，保证了器件的温度特性。
三、旋磁铁氧体基片的选择
旋磁铁氧体选择的好坏直接影响器件的整体性能，而材料的饱和磁化强度Ms是十分重要的参数。在设计的频率范围内，我们选取了器件在高场区工作，因为考虑宽带和小型化器件，克服了我们过去一些设计的思路，我们根据器件的技术指标在Ms的选择上我们综合考虑：
P=γ[Msf0]? ? （1）
式中：γ-旋磁比
P——规一化饱和磁化强度
f。——器件工作的中心频率
当f0确定后，Ms也就随之确定。所以我们根据公式（1）计算出旋磁材料的饱和磁场强度Ms。
四、外加磁场Hex的选择
外加磁场Hex和饱和磁场强度Ms之间的关系：
Hex=Hi+NMs? ? ? （2）
在选择外加磁场磁体时既要满足外加磁场强度，又要考虑温度稳定性。其表面场高于铁氧体永磁体，钐钴稀永磁体容易满足所需的外加磁场强度，设计时选用钐稀土永磁体。
五、电路设计
S波段铁氧体隔离器我们采用分布参数与集中参数相结合的方法设计，旋磁铁氧体基片的参数确定，以及中心导体的中心结是按分布参数设计，而Lc匹配网络是按切比雪夫阻抗变换低通滤波器的设计原理而计算，我们首先采用平面双Y谐振子设计原理和切比雪夫阻抗变换低通滤波器的设计原理设计出符合要求的S波段宽带环行器的中心导体。当这种电路的中心圆结的半径与双Y的长度相当时，隔离器能达到较理想的工作状态，损耗小，工作带宽。对Lc匹配网络进行适当微调能展宽一定的工作频带。我们采用这种结构所设计的S波段铁氧体隔离器损耗小，温度稳定性也较好，是S波段制作小型化器件一种理想的结构。
六、平均功率对器件的影响
器件所选用的电阻材料必须是能够承受较大的平均功率（因为该器件用户希望在10W的平均功率的条件下工作），因而采用氧化铍作衬底材料的射频电阻，氧化铍具有极好的导热性，吸收负载的温升相对较小，稳定性好。
我们知道，任何一种微波铁氧体器件都存在一定的损耗，在器件工作中（有一定的平均功率）所产生的功率自然就变成热量，使得器件整体的温度升高，器件的电气性能变坏，严重的会导致器件不能正常工作。所以我们在设计和调试过程中，尽可能控制器件的插损，同时考虑器件的散热问题，以保证器件在功率情况下能正常工作。
器件的温升计算公式：
[?]T=0.12P[hKs]? ?（3）
P——铁氧体内所消耗的功率;k——铁氧体热传导系数;S——铁氧体基片面积;h——铁氧体基片厚度;[?]T——器件温升
从公式（3）中我们可以看出：
①铁氧体基片的温度越高，饱和磁化强度Ms变化越明显，这样器件的电气性能就会变坏，还会使铁氧体基片的温度接近材料的居里点，照此下去基片就变成一般顺磁物质，器件就根本不工作，更谈不上隔离的作用。所以快速进行铁氧体基片内的热量传出，热量散出来，提高器件承受功率的能力是我们设计中应该考虑的。
②铁氧体基片太厚。电磁波穿透深度不能全部造成局部的温度上升，这也是影响器件的电气性能，尽可能选择薄的片子，基片内部材料分布均匀，使电磁波能穿透整个基片，热量也尽快散出，降低基片的温升，这样也能减小器件的正向损耗。
③一般我们对有平均功率要求的器件，在选择材料时，居里温度高一些，饱和磁化强度Ms尽可能大一些旋磁材料，Ms对温度的稳定性就会很好，在一定功率情况下器件的电气性能受温度的影响就会愈小，平均功率就会愈大。
④一般微波铁氧体器件的峰值功率，主要取决于器件的设计结构的合理性和材料自旋波线宽[?]Hk，平均功率则同材料的损耗和温度稳定性有关。为使器件能承受10W的功率，都应该按上述考虑选择共振线宽和自旋波线宽的大功率旋磁材料。
总述四个方面：只有器件损耗越小，耗散在器件上的功率越小，器件的传输功率才越大。制作这种器件，除了选择理想的旋磁铁氧体材料制作基片，基片的厚度和直径，优化电路设计，还需要注意解决各部分连接之间的互相影响才能保证器件正常工作。
七、温度补偿问题
这类器件的设计，需满足工作频率和要求的电气性能参数，从上面给出公式都可以看出，无论是正向损耗、反向损耗、电压驻波比等等都随温度的变化而变化，选择材料的居里温度高的铁氧体基片，一般采取特殊的热磁温度补偿措施，使材料与补偿过的外加磁场随温度变化率尽可能保持一致，使温度对器件电器性能的影响减小到最低。在使用的温度范围内，改变外加磁场来适应Ms温度的变化，也可以改变饱和磁场温度来适应外加磁场随着温度变化。通过热磁补偿S波段微波铁氧体隔离器（10W平均功率）温度稳定性达到了要求。在器件工作带宽400MHz的范围内，在-55℃～+85℃工作温度范围里，结果满足了指标要求。
八、结论
关于小型化器件的设计和制作，逐步得到了一些认识。从器件的设计到材料的选择，电路的匹配类似这样小型化器件隔离器，带有一定的功率容量，选择能够承受大功率的电阻，同时做好热补偿，器件的散热和旋磁材料基片的散热都是应该仔细考虑的。成功制作了这样一个小型化的隔离器，采取分布参数与集中参数相结合的设计的中心结构，在带宽400MHz范围内，工作温度-55℃～+85℃，并承受了10W的平均功率，器件能穩定工作。我们还做了其它一些小型器件的内在结构的不同设计，包含旋磁铁氧体材料和外加磁场的选项，在不同频率，包括有功率要求，匹配负载的选取，我们都做了不少工作，确实有所提高和认识，有些方面有待我们进一步从理论上进行提高和认识。
在此非常感谢王梅生研究员，陈刚高级工程师等工程技术人员多年来的帮助和指导。
