了解环器形和隔离器

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本节介绍带状线结环行器和隔离器的基本工作原理。以下信息是从许多技术论文中汇编而成的。它已被总结以提供一种简化的非数学描述，用于突出各种环行器和隔离器类型的工作特性。尽管本文不打算作为设计指南，但希望所提供的信息对买方和系统工程师都有用。结环行器是一种 3 端口器件，由对称的 Y 结带状线与磁偏置铁氧体材料耦合而成。当其中一个端口被端接时，无论是内部端接还是外部端接，该设备都将成为隔离入射和反射信号的隔离器。

要了解结环行器或隔离器的操作，必须考虑以下因素。

铁氧体区域
铁氧体盘和来自 Y 结的 3 条传输线的交叉点是实际循环发生的地方。为了更好地了解该区域，有必要简要讨论环流和铁磁共振的概念。可以使用一个简单的模型来解释结环行器的工作原理，如图 1所示。

 

施加到铁氧体盘的信号将产生两个相等的圆极化反向旋转波，它们将以 ω+ 和 ω- 速度旋转。圆极化波在通过磁偏置微波铁氧体材料传播时的速度将取决于其旋转方向。通过选择合适的铁氧体材料和偏置磁场，可以使沿一个方向传播的波的相速度大于沿相反方向传播的波的相速度。如果在端口 1 施加信号，则两个波将同相地到达端口 2 并在端口 3 抵消。最大功率传输将从端口 1 发生到端口 2，从端口 1 到 3 传输最小，具体取决于应用的方向磁场。由于 Y 型结的对称性，对于其他端口组合可以获得类似的结果。

当铁氧体材料被磁化时，电子的磁矩以与偏置磁场成正比的频率进动。当旋转的射频磁场与铁氧体材料中的进动电子具有相同的方向和频率时，就会发生铁磁共振。从 RF 信号到铁氧体材料的能量的最大耦合将发生在铁磁谐振处。如果射频信号的旋转方向或频率发生变化，则会发生最小耦合。可以用一个简单的类比来解释这些现象。如果一个人以相同的方向和相同的速度奔跑，那么一个人更容易将物品传递给骑在旋转木马上的人，而如果两个人以相反的方向移动，则更难通过它们。

将结环行器偏置在铁磁共振上是不可取的，因为环行器的损耗非常大。在极低的偏置磁场下也会出现高插入损耗。这种低场损耗区域源于施加的磁场不足以完全饱和或对齐铁氧体材料的各个磁畴的事实。尽管低场区和铁磁共振区均出现高损耗，但仍可在下方和上方谐振区获得低损耗操作，如图 2所示。

 

上下谐振循环器和隔离器设计的比较

应该注意的是，以下比较主要适用于带状线结环行器和隔离器，仅供参考。

工作频率

上谐振 (A/R) 环行器和隔离器可设计为在 50 MHz 至约 2.5 GHz 的频率范围内运行。尽管可以实现高于该频率的操作，但需要不切实际的磁路来偏置铁氧体材料。在低于 50 MHz 的频率下运行很困难，因为磁场和铁氧体几何结构的退磁因素不允许对结进行适当的偏置。

低于谐振 (B/R) 环行器和隔离器通常仅限于在 500 MHz 以上运行。低于此频率的操作是可能的，但通常在性能上更受限制。随着频率降低，操作的 B/R 区域会减小，如图 3所示。

 

B/R 结运行所需的较低磁场不足以使铁氧体材料完全饱和，从而导致低场损耗区域。低场损耗和铁磁共振区域合并在一起，从而减少或完全消除铁氧体操作的 B/R 区域。B/R 结可以在大约 30 GHz 的频率下工作。高于此频率的操作主要受带状线几何形状的限制。波导环行器可以设计为在大于 100 GHz 的频率下运行。

带宽

B/R 结特性允许高达 100% 的宽带宽操作。A/R 结点通常限制在 40% 的最大带宽内。

温度

A/R 循环器或隔离器可以使用特殊的磁性材料进行温度补偿。这些材料的磁性随温度变化，用于补偿铁氧体结温特性。在 1 GHz 以上，通常在 -40°C 至 +85°C 的温度范围内运行。

B/R 结实际上仅限于低于 1 GHz 的室温操作。在这些频率下可用于构建环行器或隔离器的铁氧体材料的磁性对温度极为敏感。可用材料的居里温度 (Tc) 低于 100°C。居里温度定义为铁氧体材料的磁特性降至零时的温度。在此温度下不会发生输入信号的循环。一般来说，用于更高工作频率的铁氧体材料具有更高的温度稳定性。根据带宽和所需的性能水平，可以获得 4 GHz 以上和 -40°C 至 +85°C 的操作。

B/R 和 A/R 循环器的温度性能可以通过在磁路中使用温度补偿材料来提高。

结尺寸
铁氧体圆盘直径是铁氧体结的有效磁导率、介电常数和工作频率的函数。A/R 结比 B/R 结具有更高的有效磁导率，因为内部偏置磁场和铁氧体饱和磁化值更高。因此，对于相同的工作频率，A/R 结中的铁氧体盘将小于 B/R 结。对于 1.0 GHz 至 2.5 GHz 范围内的窄带宽，A/R 结环行器通常较小。

磁路

现在用于偏置铁氧体结的高能积磁铁已将磁场因温度引起的不可逆变化问题降至最低。不再需要广泛的温度循环来稳定磁场以防止进一步的永久性变化。如前所述，磁路还将包括补偿随温度的可逆变化的材料。可以对磁路进行优化，以便为单元安装在附近的关键应用提供额外的磁屏蔽。

阻抗变换

传输线的多个四分之一波长部分通常用于将铁氧体盘的较低阻抗与连接器的 50 欧姆阻抗相匹配。VSWR 和带宽部分决定了所需变压器部分的数量。环行器或隔离器的典型 VSWR 规格为 1.25:1。

对于窄带宽（小于 5%），铁氧体结阻抗可以设计为 50 欧姆。这种类型的设计不需要匹配变压器，可以获得较小的封装尺寸。阻抗特性；这种类型的连接如图4A所示。

 

通过在铁氧体磁盘外部使用单节变压器，A/R 和 B/R 结都可以获得中等带宽（小于 40%）。可以通过使用高介电材料和优化电路来缩短变压器长度。单节变压器也可以设计为包含在铁氧体区域内。虽然可以获得更紧凑的尺寸，但使用这种技术的带宽将约为 25%。单段设计的阻抗特性可以在图 4B 中看到。

通过使用两个或三个外部变压器部分，可以为 B/R 结获得大于一个倍频程的带宽。由于铁氧体结的限制，使用三个以上的变压器部分对性能几乎没有改进。A/R 铁氧体特性将其操作限制在前面讨论的 40%。典型的两节变压器阻抗特性如图 4C所示。

集总元件环行器或隔离器设计用分立电容器和电感器代替四分之一波长变压器部分，以在 50 MHz 至 1.0 GHz 的频率范围内实现小封装尺寸。这些设备对温度很敏感，并在低功率水平下工作在窄带宽上。

传输线几何形状

平衡带状线是循环器结中最常见的传输线几何结构。其他应用需要将循环器构建在微带中。这种配置在铁氧体衬底上使用沉积金属电路和接地平面。基板一侧或两侧的磁铁提供必要的偏置磁场。与带状线相比，微带设计在性能上有所限制，但可以轻松与其他微带组件集成。

连接器

可以在循环器和隔离器上提供各种连接器类型。SMA 公头或母头连接器是最受欢迎的，通常也最容易安装。可以使用 N 型、TNC 和各种类型的直角连接器。然而，一些连接器可能会限制高频和宽带宽环行器和隔离器的电气性能。

可能必须增加封装尺寸以适应某些连接器类型。例如，如果不增加到至少 0.63 英寸，0.50 英寸厚度的封装将无法容纳 N 型连接器。需要使用高压连接器（例如 HN 或更大的 EIA 7/8、1-5/8 或 3-1/8 类型）的循环器和隔离器使用中间适配器，以便它们可以安装在循环器或隔离器上。

另一种连接器配置可以通过将环行器和隔离器安装在波导适配器上来获得。大波导部分为通常较小的同轴环行器或隔离器提供了刚性基础。这些单元特别适用于同时需要波导和同轴连接器的情况。例如，波导端口可以直接从波导天线接收信号，而 SMA 连接器端口的输出可以直接馈入固态放大器。

循环器和隔离器可配备可拆卸连接器。可以移除连接器外壳，以允许将中心导体直接焊接到电路板上。内部焊点使用高温焊料，因此引脚在焊接时不会移动。

使用接头代替连接器也是一种选择，因为它们允许带状线插入式环行器和隔离器直接安装到微带组件中。必须仔细考虑环行器或隔离器外壳的接地以及配合基板的几何形状。必须向环行器或隔离器制造商提供尽可能多的有关如何将环行器或隔离器集成到最终组件中的信息。应使用制造商的测试夹具来提高测量数据的相关性。

操作参数说明

VSWR：
此参数指定输入信号将反射回源的程度。对于关键应用，反射信号的幅度和相位可以作为记录在史密斯圆图上的阻抗图提供。

插入
损耗：当信号以低损耗方向施加到环行器或隔离器时，插入损耗将是输出信号与输入信号的比率，以 dB 表示。

隔离：
隔离器是一种双端口设备，通过内部或外部端接环行器的一个端口制成，如图 5所示。

 

当信号以高损耗方向施加到隔离器时，隔离度将是施加到输出端口的信号与在输入端口测量的信号之比，以 dB 表示。还应注意，在循环器的情况下，此参数不适用。

需要参数隔离、VSWR 和插入损耗来指定隔离器，而环行器仅由三个端口上的 VSWR 和插入损耗完全定义。虽然环行器可以通过端接一个端口来制成隔离器，但它没有固有的隔离值。测量的隔离度取决于终端和环行器端口的 VSWR。

示例：
环行器的所有三个端口的测得 VSWR 均为 1.22。如果可以将 VSWR 等于 1.00 的完美测试终端放置在端口 3 上，则端口 2 到端口 1 的最终隔离度将为 20dB。如果将 VSWR 等于 1.05 的测试终端放置在端口 3 上，则从端口 2 到端口 1 的最终隔离将在 18.2 和 22.5dB 之间变化，具体取决于两个 VSWR 之间的相位。产生的隔离值是测试终端的 VSWR 以及它如何与环行器端口的 VSWR 相位的函数。

PERCENTAGE BANDWIDTH：
表示为高低工作频率之差除以中心频率再乘以 100，该参数在比较各种环行器或隔离器的相对性能时很有用。

温度范围：

操作：

循环器或隔离器必须满足所有规格的温度范围。

贮存：

循环器或隔离器必须能够承受而不会永久降低规格的温度范围。通常可以适应 -60°C 至 +125°C 的存储温度。Nova Microwave 的所有循环器和隔离器都在极端存储温度下循环至少 2 个循环，以确保所有焊点、端子和磁路的可靠性。

相位跟踪：
相位跟踪是对两个或多个环行器或隔离器的输入和输出端口之间电气长度变化的测量。A/R 环行器或隔离器的插入相位对偏置磁场的变化非常敏感。该效应可用于磁性修整相位。可能需要降低 VSWR 或隔离度以允许使用这种微调方法。B/R 环行器或隔离器的插入相位不容易调整。

相位线性度：
此参数定义为与插入相位与频率的最佳拟合直线的偏差。对于带宽小于 20% 的 A/R 和 B/R 环行器或隔离器，相位线性度通常在 2 度以内。

阻抗特性：
该参数描述了反射信号的幅度和相位，记录为史密斯圆图上的阻抗图。放大器和 VCO 等应用可能要求反射信号随频率的相位变化最小。环行器或隔离器的这些基本输入阻抗特性将是图 4所示的三种类型之一。相位变化与用于获得给定带宽的变压器部分的数量成正比。对于中等带宽，可以将相位变化限制在 360 度以内。

峰值功率：

击穿：
循环器或隔离器的峰值功率击穿值因负载失配、海拔高度、温度或脉冲宽度的增加而降低。输出端口上的不匹配会将一定比例的信号反射回环行器或隔离器，从而导致更高的内部电压电平，从而降低环行器或隔离器的额定功率。可以通过用高介电强度材料填充循环器或隔离器的内部容积来增加额定峰值功率。气密密封的模块可用于在高海拔地区保持加压。

限制：
与循环器或隔离器的额定峰值功率相关的另一个影响称为循环器或隔离器的非线性或峰值功率阈值。随着峰值功率电平增加超过临界值，损耗与磁场曲线将在主谐振下方的区域显示相当大的变化，如图 6所示。

应收帐款区域将基本不受影响。

峰值功率阈值取决于结几何形状、带宽和铁氧体材料特性。可以通过在铁氧体材料中掺杂钬等元素来提高阈值水平，这会导致低功率下的插入损耗略有增加。

谐波：
在高峰值功率水平下，环形器或隔离器的非线性会在铁氧体结内产生谐波和互调产物。由于其他参数的设计限制，很难消除这种影响。

平均功率：
循环器或隔离器中消耗的功率与插入损耗成正比。如果平均功率水平很大，则耗散功率将导致铁氧体结发热和性能下降。

传导、对流或液体冷却可以增加循环器或隔离器的平均额定功率。当平均功率很大时，连接器类型也很重要。由于内部损耗，捕获的 SMA 和气密密封连接器的额定功率受到限制。

环行器或隔离器的平均额定功率也将取决于输出端口处的失配结果。例如，如果在终止于 6.00:1 失配的环行器输入端施加 100 瓦平均功率的信号，则将反射 51 瓦，需要环行器总共处理 151 瓦。

隔离器端接额定值：隔离器端接
所需的额定功率取决于输出端口的失配，如下所示：

输出端口不匹配	% 功率反射
1.0（完美匹配）	0
1.5	4
2.0	11
6.0	51
短路或开路	100

RFI：
在标准环行器或隔离器中很容易获得 30dB 或更小的 RFI 泄漏值。可以使用使用导电环氧树脂粘合的内部板，这样可以获得高达 60dB 的值。通过使用特殊的封装技术，可以提供额外的 RFI 屏蔽。