摘  要：  针对3G-WCDMA频段的实际要求，基于场路结合的理论，提出了具有低阻抗开路线的双Y结环行器的设计方法，并采用有限元分析法对其进行仿真验证，结果完全满足插损、隔离度等实际的指标要求，达到了预期的效果。 

    关键词： WCDMA； 双Y结环行器；有限元分析法

    自上世纪60年代第一代铁氧体结环行器诞生以来，至今仍是用量最大的微波铁氧体器件之一，它在移动通信设备中是不可或缺的基础器件和关键器件。随着移动通信的不断发展，特别是近年来3G标准的提出，对铁氧体结环行器的需求也与日俱增，对它的基本要求是结构小型化、平面化、重量轻，同时具有低的插入损耗、高隔离度、宽频带、温度稳定性好和高的功率承受能力等特点。当环行器用于收发信设备中时，起到极间隔离、去耦、阻抗匹配的作用；当用于天线系统时，可用作双工器。 

    对双Y结环行器的研究始于70年代，由于这种环行器具有频带宽，体积小等独特的优点，引起了人们的极大兴趣，但其电磁理论分析较为复杂，有待更进一步的研究和证实。1980年HELZAJN J^[1]用有限元法分析了双Y结的谐振频率，把双Y结等效为并联谐振电路，计算了环行器的输入阻抗与铁氧体材料和结构参数间的关系。1988年，蒋仁培等结合场与路理论建立了双Y结环行器^[2]的设计方法。本文以场路结合为基础，结合WCDMA频段的实际要求，讨论了双Y结环行器的设计与仿真实现。 

1 双Y结环行器的理论分析 

1.1  双Y结的等效电路模型 

    1981年HELZAJN J等人用有限元法对双Y结的谐振频率等参数进行了分析与研究，得出了双Y结环行器的等位线模型^[3]，如图1所示。 

    在分析双Y结环行器时，一般从Y形谐振器出发，把此谐振器看作是由3个stub端口(短截线开路端口)和3个耦合端定义的1个六端口器件。同时运用3个stub端口的边界条件(终端开路)，将此六端口网络缩减成了1个三端口网络。在理想状态下，如果环行器中表示同相位的模式(n=0、3……)由1个独立于频率的短路电路表示，那么此时三端口网络则缩减成1个单端口网络，即用1个单端口电路可以表示1个对称的双Y结环行器等效电路，此单端口电路如图2所示。 

    图中式中G为等效电导，B′为等效电纳斜率，ω₊及ω_-为谐振频率，ω₀为环行器工作的中心频率。 

1.2 双Y结的环行条件 

    根据HELZAJN J的理论^[1]，在仅仅考虑n=±1的条件下，即环行器中只存在主模的条件下，输入电纳为：

    W为耦合带线的宽度，H为铁氧体的厚度，t为带线中心导体的厚度，W、H、t的单位为m。λ为自用空间中的波长，单位为m，ε_f为铁氧体的介电常数，μ_d为未饱和磁化下铁氧体的磁导率，由下式给出： 

    M₀为饱和磁化强度，单位为特斯拉，ω为工作频率，单位为rad/s，γ为璇磁比(2.21×10⁵(rad/s))，μ₀ =4π×10^-7H/m，R₀,R_i,ψ_s,ψ_p的值由图3表示。 

    双Y结的截止波数可由式B=0来定义，结合式（1）可以得出： 

    从式中(6)可以看出，当R₀/R_i=1时，双Y结便退化为圆盘结，κR₀=1.84^[4]。 

    结合铁氧体本征模式的谐振条件： 

2 双Y 结环行器设计 

2.1 理论设计 

    选用双Y结作为内导体的优点在于，通过三根开路线，即三根stub的作用能够把端口阻抗中的电抗抵消掉，而阻抗中只剩下电阻的部分，可以直接采用1/4波长传输线来进行匹配。 

    通常在环行器没有做任何匹配（结内或结外）时，所能获得的带宽是很小的，而采用双Y 结构就能实现结内匹配，只要选择合适的耦合角，?鬃p、?鬃s就能达到宽频带的效果，约为20%～40%。而随着通信的发展，对硬件的要求，特别是对硬件的厚度和功率承受能力的要求越来越高，即要求平面化和大功率化，此时采用一般的双Y结构，即采用高阻抗短截线来作为三个stub时，实际效果并不理想。为此，本文采用低阻抗短截线作为双Y结构中的三个stub，进行相应的设计和仿真。 

    在WCDMA频段环行器的具体设计指标如表1所示。 

    根据指标先用路理论^[5]计算出Y形结的等效电导和低阻抗开路线的等效电导。 

式中，r为驻波比，δ₀为半带宽，ω₂、ω₀分别为频率上限和中心频率，Y_e为匹配传输线的特征导纳，Y₀为0.02s。 

    此处选定r=1.1，δ₀=0.1，则可得： 

    G=0.167 

    B′=0.349  

    Y_e=0.06s(Z_e=16.51Ω) 

    上述数值为环行器所要达到的指标，从环行条件出发，并且考虑到环行器的边缘效应时， 

    联立这两个方程，借助计算软件MATLAB，可以求得：κR_i=0.8007 6，θ_s=1.158 6，铁氧体饱和磁化时，可得所需饱和磁化强度4πM_s为305G，由此选择transtech公司的G-350铁氧体，其介电常数为14±5%,饱和磁化强度为350G，结合式(5)可得：μ_d=0.926，继而由式(4)得：κ=161.377rad/mm，那么双Y结的内导体尺寸分别为：R_i=4.96mm，R₀=12.14mm。 

    将W=4.96mm，t=0.127mm，Z_e=16.51Ω代入式(3)得：H=2.355，即铁氧体的厚度为2.355mm，整个环行器的厚度(带线厚度)b=2H+t=4.837mm。 

    匹配通过1/4波长传输线来完成，得出传输线的长度

    最后，计算铁氧体外部的连接传输线的宽度为：W=6.6mm。 

2.2  软件仿真 

    选用电磁仿真软件HFSS进行仿真，结合上述计算出来的数值，构建仿真模型，如图4所示。 

    对模型在WCDMA频段2.11GHz～2.17GHz进行仿真,得回波损耗、插入损耗及隔离度特征曲线如图5、图6、图7所示。

    从图中可知回波损耗、隔离度在WCDMA频段均基本≥20dB，在中心频率点2.14GHz，回波损耗达到了20.6dB，隔离度达到了20.5dB，而插入损耗在此频段性能较好，均≤0.2dB，在中心频点只有0.116 5dB左右。 

    选定整个双Y结内导体平面，得到电场图和能量图，如图8、图9所示。 

    从图中可以看出，信号仅在端口1和2上环行，在第3端口几乎没有信号，从而较好地实现了环行的功能。 

    本文设计了在WCDMA频段采用低阻抗开路线的双Y结环行器，并取得了较好的仿真结果，它对于在实际中需要平面化和大功率的环行器的设计具有较高的理论指导意义和实际参考价值。 

参考文献 

[1] HELSZAJN J. Characterisation of planar WYE shaped resonators for use in circulator hardware, Presented at the MTT symp. Washington DC. 1980. 

[2] 蒋仁培,魏克珠.微波铁氧体理论与技术[M].北京:科学出版社,1984. 

[3] HELSZAJN J. Standing wave solutions of planar irregular hexagonal and wye resonators[J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech.,1981. 

[4] FAY C E, COMSTOCK R L. Operation of the ferrite junction circulator[J]. IEEE Transaction on Microwave theory and Techniques, 1965,13:15～27. 

[5] HELSZAJN J. Quarter-wave coupling junction circulator using weakly magnetized disk resonator. IEEE.1982.