高昌杰 李晓华

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

高场带线环行器具有体积小、易于集成等优点，尤其在低频段，这一优势更加明显。在获得广泛应用的同时，高场带线环行器性能的温度稳定性已成为用户的关注热点，特别对有源阵列天线和有源相控阵雷达，所用环行器的温度稳定性与系统噪声密切相关［1-2］。饱和磁化强度参数存在较大温漂是铁氧体材料的固有特性，也是环行器性能随温度产生漂移的重要原因。对高场环行器而言，为了提高温度稳定性，可通过减小铁氧体内场Hif，对温度升高导致的饱和磁化强度降低进行补偿［5］。对普通磁路，饱和磁化强度降低会使Hif增加，根本不会产生补偿效果。多年来，国内外研究工作者提出了在磁路中增加NiFe 合金片进行温度补偿的有效措施［3-5］，其主要机理是:利用NiFe 合金材料磁导率随温度升高而降低的特点，使磁路中的Hif随温度升高而变小。相关文献对含有NiFe 合金片的磁路设计仅限于定性分析和试验，缺乏较准确的磁路计算方法。为此，本文将磁路解析计算与Ansoft HFSS 电磁场仿真相结合，形成了一种温度补偿磁路的较准确计算分析方法，取得了良好的工程应用效果。

1 设计分析方法介绍

相对于其它性能参数，环行器的插入相移对温度变化最为敏感。下文仅以某S 波段高场带线环行器插入相移的温度稳定性为例，对相应方法进行介绍。

1．1 磁路分析计算公式推导与修正

整个环行器等效磁路框图如图1所示。假定磁路各处横截面面积相等，根据高斯定理和安培定律，可写出如下等式:

其中，Bf为铁氧体磁感应强度(Gs);μj为壳体(轭铁)相对磁导率;lj为轭铁磁路长度;4πMsf为铁氧体饱和磁化强度(Gs);lf为单片铁氧体厚度;la0为内导体厚度(内导体材料相对磁导率取为1);la1为等效空气缝隙厚度;4πMsn为NiFe 合金片饱和磁化强度(Gs);ln为NiFe 合金片总厚度;lm为单片磁铁厚度;:单片磁铁磁场强度(Oe)(由磁铁退磁曲线确定)。

图1 环行器等效磁路框图

通过进一步推导，可得到Bf 的计算式如下:

于是，可按下式计算出铁氧体内的磁场强度Hif:

下面，对照试验参数，对上述公式的计算结果进行评估。具体试验(未加NiFe 合金片)参数如下:μj=3000，lj=4mm，4πMsf=1800Gs，lf=0.8mm，la0=0.15mm，la1=0.17mm，ln=0，lm=0.45mm，Hif=1290Oe(通过性能测试和仿真比对得到)。将上述相关参数代入(2)、(3)式，可求得:Hif=2273Oe，该结果与试验值有显著差别，主要原因可能是磁路计算中未考虑通量损失和磁铁表面场的不均匀等因素，考虑实际磁路，应使磁铁的磁感应强度工作点高于Bf，为此，可在(1)、(2)式中“lm/1.06”项前乘以大于1 的修正因子ηm，得到Bf 的修正计算公式如下:

通过与实际试验参数比对，适用于本文列举磁路的ηm=2.038。

1．2 环行器插入相移对温度的敏感度分析

根据试验测试和仿真比对，可知铁氧体材料的饱和磁化强度参数在不同环境温度下的变化情况如下:常温为1800Gs，低温(-40℃)为1980Gs，高温(70℃)为1680Gs。由(4)、(3)式，可求得不同环境温度下Hif 的变化情况(未补偿)如下:常温为1290 Oe，低温(-40℃)为1189 Oe，高温(70℃)为1357 Oe。由此可知，在不做补偿的情况下，随着温度升高，Hif会明显增加。

由Ansoft HFSS 软件仿真可知，影响环行器插入相移稳定性的主要参数是铁氧体的4πMsf和Hif。为了便于分析设计，现通过仿真，可得到不同环境温度下的4πMsf和不同Hif与插入相移的对应关系，相应数据表格见表1。从中可以看出，在不做补偿情况下，由4πMsf和Hif变化引起的插入相移变化规律如下:低温——相对常温，插入相移变化量约为-49o(高频);高温(相对常温)，插入相移变化量约为22o(高频)。此计算结果与试验测试有着很好的一致性。

从表1 还可以看出，环行器插入相移随内场Hif的变化规律与高低温条件下的饱和磁化强度参数基本没有关系;对较大Hif，Hif每增加10Oe，三个频率点对应的插入相移增加量分别为1°、1.4°、2°;对较小Hif，Hif 每增加10Oe，三个频率点对应的插入相移增加量分别为2.4°、3°、5.7°。即:对较小Hif，相移增量台阶较大(尤其是高频点)。由此可知，适当提高Hif工作点，有助于改善高低温条件下插入相移变化量随频率变化的离散性。

1．3 温度补偿磁路的参数设计

试验测试结果表明，lj38 型NiFe 合金片在高、低温条件下磁导率参数变化较大，具有较大范围的补偿调节能力。在此，主要针对lj38NiFe 合金材料研究温度补偿磁路的设计问题。具体研究工作分两步进行，首先，根据初步试验数据，反推lj38NiFe 合金材料在高、低温条件下的磁参数;其次，根据得到的磁参数，结合HFSS 仿真结果，计算补偿磁路中NiFe 合金片的厚度及相应补偿效果。

1.3.1 NiFe 合金片磁参数反推计算

按如下参数进行温度补偿试验:μj=3000，lj=4mm，lf=0.8mm，la0=0.15mm，la1=0.07mm，ln=0.6mm，lm=0.525mm。测试得到的高、低温条件下插入相移变化量如下:常温～高温时三个频率点分别为-2°、-4°、-9°;常温～低温时三个频率点分别为-3.7°、-2.2°、0°。

常温下4πMsf=1800Gs，4πMsn=1500Gs，代入(4)、(2)式，可算得Hif=1260Oe。

由表1 可知，当高温下Hif=1225Oe、低温下Hif=1280Oe 时，常温～高温、常温～低温情况下三个频率点的插入相移变化量分别为-2°、-4.5°、-9°和-3°、-2°、0°，与试验结果一致。将上述高、低温下的Hif值代入(4)、(3)式，可反推得到高、低温条件下的4πMsn值分别为675Gs 和2500Gs。

1.3.2 各因素对插入相移温度稳定性的影响关系分析

利用上述(4)、(2)式及高低温条件下的相关材料参数，结合HFSS 仿真软件，可得到各相关因素对环行器插入相移温度稳定性的影响关系:

a.磁铁厚度lm的影响

Hif随磁铁厚度lm增加的递增规律与ln无关，仅与工作温度有关;lm每增加0.01mm，Hif增加量变化范围分别为:16.2 ～12.4 Oe(低温)、18.1 ～13.9 Oe(常温)、19.5 ～15Oe(高温)。磁铁愈厚，递增台阶愈小。以常温态为参考，高温下Hif随lm增加而增加，低温下Hif随lm增加而减小。也就是说，减小磁铁厚度，有利于改善插入相移温度稳定性。

b.等效空气缝隙la1的影响

分析计算结果表明，la1对环行器插入相移温度稳定性影响很小，可以忽略。

c.NiFe 合金片厚度ln的影响

以常温为参考，ln每增加0.05mm，低温条件下Hif相对增加量约为10 Oe，高温条件下Hif相对减小量约为8 Oe。也就是说，ln增大使得低温条件下相对相移增大(向“+”变化)，高温则减小(向“-”变化)。

1.3.3 NiFe 合金片厚度及补偿效果计算

由1.3.1 可以看出，采用0.6mm 厚的NiFe 合金片对低温的补偿量接近最佳，而对高温的补偿量偏大。兼顾高、低温温漂，通过初步优化，在NiFe 合金片厚度ln=0.55mm 时，可得到接近最佳的插入相移理论补偿效果:常温～高温时三个频率点变化量分别为0°、-1.4°、-5°;常温～低温时三个频率点变化量分别为-4°、-3.4°、-3.4°。相应实际测量结果为:常温～高温为-1°、-3°、-6.5°;常温～低温为-6°、-5°、-3.5°。可以看出，理论计算结果与实际测量比较接近，仅在高温高频点出现略大偏差。

1．4 温度补偿效果的最佳化措施

从1.3.3 的理论计算和试验测试结果来看，通过调节ln达到的最佳补偿效果仍然不够理想(低温补偿不足、高温补偿过量)。为了进一步减小插入相移温漂，需采取如下两方面措施:

提高Hif工作点，对ln进行精细调节。

从上文补偿结果可以看出，通过改善相移偏差的频率特性，可以减小插入相移温漂。为此，在1.3.3 的基础上，通过调整等效空气间隙，将常温下Hif工作点提高约50 Oe，可得到接近最佳的插入相移理论补偿效果如下:常温～高温时三个频率点变化量分别为1.2°、-0.3°、-2.5°;常温～低温时三个频率点变化量分别为-2.6°、-2.8°、-2.3°。

调整NiFe 合金材料参数，使其饱和磁化强度随温度变化曲线在工作温区内出现“上凹”特征。

从上文计算式(4)可以看出，影响高低温补偿效果的主要参数是4πMsn，而该参数在工作温区内的变化曲线一般会接近线性(如图2所示［5］)。计算分析表明，上述“线性变化”规律一般会产生“低温不足、高温过量”的补偿效果。

图2 NiFe 合金的Ni 含量、饱和磁化强度与温度的相互影响关系示意图

下面，对接近理想补偿效果的NiFe 合金材料参数进行计算分析。

选取常温下Hif=1260 Oe，由表1 可以看出，当低温下Hif=1285 Oe、高温下Hif=1250 Oe 时，可得到最佳补偿效果:常温～高温时三个频率点变化量分别为2°、1.9°、0.2°;常温～低温时三个频率点变化量分别为-2°、-0.6°、1°。利用(4)、(3)式，对如下两种情况:低温下4πMsn由2500Gs 提高至2850Gs、高温不变;高温下4πMsn由675Gs 提高至900Gs、低温不变，通过分别调整la1 和ln，均可得到满足上述最佳补偿条件的计算结果。由此可知，如果能将4πMsn随温度变化的“直线”特征调整成“上凹曲线”，则插入相移补偿效果会得到明显改善。由图2 可以看出，实际NiFe 合金材料的4πMsn随温度变化曲线在高温端会出现“上凹”特征。为了改善温漂，可通过调整Ni 含量，使相应“上凹”曲线段进入环行器工作温区。

2 结束语

本文针对高场带线环行器，提出的计算分析方法和相关措施，已在工程实践中验证，在某S 波段小型化带线环行器的研制中，对实现最佳温度补偿磁路起到了较强的指导作用。该方法可在其它形式的环行器中进行推广应用。为了进一步提高设计准确度，还需通过仿真和试验，在充分考虑磁通量损失的基础上，对磁路模型进行修正和完善。

［1］张军.有源阵列天线的系统噪声［J］.火控雷达技术，2011，40(1):1-4.

［2］蔡兴雨.有源相控阵雷达系统技术参数测试［J］.火控雷达技术，2009，38(2):1-3.

［3］岳峰.带线环行器的温度稳定性研究［J］.微波学报，2005，21(3):56-61.

［4］陆鹏.铁镍合金在铁氧体带线环行器/隔离器温度补偿中的应用［C］//论文集编者.第十二届全国微波磁学会议论文集:95-99.

［5］Thomas Lingel，Numerical studies about the Temperature Compensation of Microwave Circulators，2004 IEEE MTT-S Digest.