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微波微带环行器

发布日期:2015年03月03日 10:46 点击次数:

  一、环行器研究概括
  微波技术已经有了长久的发展历史。20世纪50年代出现了微波通信。由于微波通信具有频带宽、容量大、传播方向性好、讯息密集度高、可进行远距离传送等诸多优点,从而迅速成为人们最重要的通信手段之一。它也普遍适用于各种专用通信网,可以用于各种电信业务传送,如电话、电报、数据、传真以及彩色电视等均可通过微波电路传输。在军事上,微波通信一直都是最重要的军事通信手段。例如,雷达通信、导航等。出现卫星通信以后,微波通信更显示了它的重要性。在当今世界的通信革命中,微波通信仍是最有发展前景的通信手段之一。冷战时期国际上的军备竞赛大大促进了微波通信的迅速发展,世界各国在军事微波通信领域都投入了大量的人力和物力,成为微波技术研究的重要时期。20世纪70年代初,为了减小微波通信设备的体积,微波集成电路得到迅速发展和应用,它使微波技术更加适用于电子对抗、军用通信和卫星导航等系统,成为当时各国竞相研究的课题。
  1970年前后,山东大学磁学教研室开始了微波材料和器件的研究工作,这是当时国际上磁学领域的热点研究课题。材料方面以钇铁石榴石多晶和单晶为主,器件方面包括微带环行器、隔离器和单晶微波滤波器。不久,济南军区国防工办向山东大学下达了研制小型军用微波通信机的任务。微波微带环行器是其中的一个最重要部件之一,由磁学教研室承担。后来,经过努力,与七机部七院建立了联系,并得到了他们的经费资助,将微波微带环行器和微波滤波器列为军用配备合作项目。按照使用单位的要求,对研究项目也作了适当调整。
  微波环行器是微波通信设备中最重要的部件之一,属于多端口结型非可逆单向器件,它的基本结构是单结三端口,其功能是引导微波信号在其中环行,用于隔离负载变动对信号源的影响,特别是防止微波发射干扰和破坏信号接受,防止设备损坏,并可以用同一个天线系统,同时实现发射和接收,这不但省去了一套庞大的天线系统,更提高了设备的运行速度和工作可靠性。对环行器的要求是频带宽、插入损耗小、反向隔离大、温度稳定性好。
  当微波信号从端口1传入环行器时,信号只能从端口2输出。从端口2传入的微波信号只能从端口3输出,以此类推。根据环行器的功用,它有以下几个技术指标:
(1)正向损耗:α+=10×log输入端功率P1输出端功率P2单位分贝(db)
(2)反向隔离:α-=10×log输入端功率P1输出端功率P2单位分贝(db)
(3)驻波系数:Pm=1+|Γ|1-|Γ|′(Γ为第二端的反射系数)
(4)频带宽度:环行器的工作频带范围
(5)工作温度范围
  环行器按其结构形式分为三种:波导型结构环行器,板带型结构环行器和微带型Y结环行器。其中,波导型结构环行器以波导和外界连接,板带型Y结环行器以同轴线和外界连接,微带型Y结环行器以集成电路的形式和外界连接。由于新型微波集成技术的需求,微带环行器成为国际上广泛应用的新型环行器,同前两种形式相比,微带环行器可以同其他微波元件组成集成系统,因而可以使整机的体积小、重量轻、可靠性好,并具有较宽的频带宽度,成为新一代微波技术的重要器件。
  二、微波微带环行器的研究内容
  山东大学磁学教研室在微波微带环行器的研制中开展了以下几方面的研究工作:
1铁氧体衬底材料的研制和加工
  为了减小微带环行器的体积,要求衬底材料有较高的有效介电常数和有效磁导率,以减小介质波长,从而达到减小环行器尺寸的目的。为了减小能量损耗,要求材料的介电损耗小,电阻率高。同时,由于磁性介质工作于低场范围,为了避免低场能量损耗,要求磁性衬底的饱和磁化强度4πMs满足以下要求
γ4πMSω<1
上式中γ为旋磁比,ω为工作圆频率。
研究工作从X波段(三公分)微带环行器开始,其中心频率为f=9.3GHz。按此要求,衬底材料选择钇铁石磂石铁氧体(YIG)。材料达到的最好性能如下:
介电常数:ε=16
介电损耗:taneδe≈2×10-4
电阻率:ρ>1010Ω·cm
饱和磁化强度:4πMs = 1760G
将衬底磨平并抛光,以减少微波讯号在微带传输过程中的能量损耗。
2衬底表面金属化的研制
  在衬底上下两表面要固着一层导电金属,用做刻制环行器的微带线,这一过程称为金属化。所用的导电金属材料应具有以下特点:
(1)导电性能好,以减少微波信号的能量损耗;
(2)对衬底有较强的附着力,不容易脱落;
(3)电阻的温度系数小;
(4)抗腐蚀性能好。
  根据以上要求,采用的工艺如下:
  将抛光好的介质基片在真空镀膜系统中蒸镀一层10~20nm厚的铬,再蒸镀一层20nm左右的铜。然后用照相光刻的方法在基片的一面光刻出所需要的图形。最后电镀一层5~10μm厚的金。铬与铁氧体基片有非常强的固着力,铜的导电性能好,金的抗腐蚀性强,能起到很好的保护作用,从而满足了表面金属化衬底的要求。
3器件设计
  在微带中传输的电磁波是准TEM型波。环行器园结的衬底导体之间形成了微波谐振腔,微波在谐振腔内形成驻波,加一适当大小的偏磁场,使驻波图形旋转30°。在原理上,便可成为一个三端环行器,因此,需要作如下的计算和设计:
(1)设计铁氧体介质圆片的直径和厚度以及导体圆结的直径以形成理想的谐振驻波;
(2)设计环行器圆结对外传输线的宽度、长度和厚度,以便与外接器件的阻抗相匹配;
(3)设计外加磁场的场形和强度,以保证电磁波的驻波图形旋转。
以上设计保证了设计的合理性。
4环行器的总装和调试
  这一部分工作包括环行器与外接头的匹配连接调试、外加偏磁场强度与场形的调试,以取得最佳性能。
  三、成果及水平
  经以上研制工作,所获得的X波段微波微带环行器性能如下:
正向损耗:α+<0.5db
反向隔离:α-<20db
驻波系数:pm<1.2
频带宽度:>8%
  经南京14所和上海无线电26厂测试和技术鉴定,均认为所研制的微波微带环行器技术性能为当时国内最好指标,达到了国际先进水平。
  器件研制成功后,在七机部七院的海军航空兵的实际演习中进行了试用,取得了满意的结果,性能满足使用单位的要求,圆满完成了所下达的研究任务。为此,使用单位曾发来贺信,称赞所研制的微波微带环行器的性能优异,工作稳定可靠。
  在单结三公分微波微带环行器研制的基础上,为了提高环行器的反向隔离,还研制了四端双结微波微带环行器,它是把两个单结环行器串联在一起,组成一个高隔离度的四端环行器。四川灌县某科研单位对X波段四端环行器进行了性能的全面测试,其达到的最好性能是:在9GHz-10GHz区间内,正向损耗小于0.5db,反向隔离大于40db,这在当时属国内先进水平。应石家庄某研究所的要求,磁学教研室又开展了其他波段的微波微带环行器的研究,包括五公分(C波段)、十公分(S波段)和十五公分(L波段)微波微带环行器的研制,同时也包括为适应这些新波段的要求,开展了新型材料的研究。对这些系列的环行器均获得了优异的性能。
  1978年,第一届全国科技大会在北京召开,磁学专业研制的“微波微带环行器”获得了“全国科技大会奖”。

【作者:            来自:《山大第一》    责任编辑:丹妮  】

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