1引言
随着现代雷达技术的飞速发展，使雷达系统对微波铁氧体环行器、隔离器的要求也越来越高。在无源雷达中对环行器和隔离器的典型要求是应用频段更宽、功率容量更大。
在收发共用的雷达系统中，微波铁氧体环行器和隔离器主要用作收发开关，发射时将发射机输出功率送到天线，接收时将天线接收到的信号送到接收前端，起到收发隔离的作用。在只用于发射通道的雷达系统中，环行器做为隔离器使用（此时接收端口接功率负载），以有效地保护发射机。如果发射机输出功率很大，环行器、隔离器的功率容量就必须很高。因此在高功率雷达系统中，高功率环行器和隔离器是不可缺少的关键器件。
目前在研的雷达系统对环行器和隔离器的功率要求不尽相同，有的峰值功率高达兆瓦级，有的平均功率高达十几千瓦。因此，针对我所雷达快速发展需求，急我所之所需，开展了S、C、X三个频段高功率环行器和隔离器的系列化研制工作。
在高功率微波系统中，环行器和隔离器首选波导形式，因为相对微带、带线形式，波导铁氧体器件的功率容量有明显优势。波导环行器和隔离器主要有两种结构：三端结式和四端差相移式，后者具有更大的功率容量，也更易于用作环行器。
2隔离器工作原理
2.1隔离器形式
高功率雷达系统中，高功率隔离器、环行器的作用是不可替代的，在系统中隔离器起着保护发射机和抗干扰的重要作用。系列化差相移四端高功率隔离器的研制正是为了满足高功率系统中的这种需求。考虑这几个频段隔离器都要承受较高或高的平均功率，因此设计时都采用了四端口差相移形式，其结构外形如图1所示。
由图1可清楚看出，四端差相移隔离器由折叠双T、差相移移相段、三分贝分支电桥组成。对各个频段隔离器，根据所用波导口径、承受功率、带宽等条件再分别进行各零部件设计，并选取合适的铁氧体样品参数。
2.2工作原理
四端差相移式隔离器是一种组合器件，微波信号通过隔离器可以实现正向低损传输，反向高隔离。如图2所示微波信号从1端口输入时，通过3dB电桥就一分为二，相位相差90度，这两个一分为二的信号分别在铁氧体移相段的两个波导腔内传播。在外磁场的作用下，通过铁氧体样品磁矩、尺寸、位置等的合理选择，利用微波信号在微波铁氧体中传播的非互易特性，我们可以获得90度非互易差相移移相器。这样当两个一分为二的信号通过移相器后，在折叠双T处将获得两个等幅等相的微波信号，由已知的折叠双T的微波传输特性，这两个等相的微波信号合成后从2端口输出，4端口是隔离端。由电桥的微波传输特性，我们知道此时1端口输入的微波信号在3端口是隔离的，因此，总体来看微波信号从1口入，必然从2口出，而3、4端口是隔离端，同样，微波信号从2口入，必然从3口出，而1口、4口是隔离端。实际在系统中使用时，我们在3.4端口分别接上负载，1端口接发射端，2端口接定向耦合器，这样就可实现微波能量单向传输，能有效保护发射机，起到隔离的作用。
3设计分析
3.1隔离器仿真设计
分别对分支电桥、差相移移相段、折叠双T利用HFSS软件进行仿真设计，经优化设计直至得到满意的电讯能指标。要获得高隔离、低损耗、小驻波并能承受高功率的隔离器，隔离器的各部件必须电性能优良，且要求部件之间匹配良好。我们利用HFSS软件对折叠双T、电桥进行了仔细地仿真优化，并通过波导压缩、调整匹配块尺寸等手段展开带宽，获得性能优良的部件。
非互易移相器的设计是很关键的，可用微扰法对移相器的移相量进行估算。设计时采用的是H面结构形式，计算模型取单片铁氧体，实际设计时波导上下壁各有一片铁氧体，移相量将加倍。其结构示意如图3所示。隔离器中的移相器属于横场移相器，铁氧体片是未满高度的，通过解置有横向磁化铁氧体片的矩形波导中的场方程，可以得到波导内传输波型的含传播常数的超越方程式，通过解方程获得传播常数非常困难。因此，一般用准静态近似微扰法来解决该问题。其思想是，假设有两种电磁作用过程，其一是不含有铁氧体媒质的非微扰系统内的电磁作用过程，另一种是含有铁氧体媒质的微扰系统的电磁作用过程。通过这两种电磁作用过程的麦克斯韦方程，利用微扰系统和非微扰系统内的场量耦合，经过中间数学运算，可以得到用微扰法计算非互易移相器移相量的计算公式。
估算非互易移相器移相量的公式：

上式中的归一化参数表示如下：

表达式中的，为旋磁比，ω为工作角频率，为饱和磁矩，为内磁场。铁氧体样品对波导内的微波场扰动不足以改变场型时可用该公式估算非互易差相移移相器的移相量。初步确定移相器的结构尺寸后，再利用HFSS软件对移相器优化仿真设计。由于微波铁氧体材料的电磁特性以及外加磁场等因素的影响，仿真结果在试验时要进行调整，以期得到性能优良的移相器。
3.2功率容量设计
功率容量的高低直接关系到隔离器能否在系统中正常使用，因此功率容量的设计是隔离器设计的关键点，为此从电讯设计、工艺设计及结构上采取了一系列措施提高隔离器功率容量：
1)隔离器部件折叠双T、电桥中采用容性匹配；
2)如图3所示，移相器采用双片H面结构，尽量减薄铁氧体厚度，缩短单片铁氧体样品长度，增大铁氧体与波导的接触面积；
3)移相段波导在结构上采取Half拼接结构，铁氧体整体一次性焊接；
4)隔离器工作时充干燥空气，利用水循环冷却。
3.3微波铁氧体材料设计
对差相移式隔离器来说，移相器设计是关键，合理选择微波铁氧体材料是设计移相器的基础。微波铁氧体的旋磁特性与4πMs有关，4πMs高，旋磁特性越强，有利于缩小器件的体积，但4πMs的增加容易带来自然共振损耗，因此设计时4πMs要选择合适，以归一化磁矩P来衡量，P值一般选在0.4到0.7之间。
差相移四端高功率隔离器系列化设计工作，其应用背景是在高功率雷达系统中，因此选择微波铁氧体材料时还要考虑材料的高功率特性。设计时选择ΔHK值较大、温度稳定性好的微波铁氧体材料，以获得性能优良的器件。
隔离器工作时损耗越小，器件发热量越小，越有利于提高器件的功率容量。为了降低器件损耗，比较了通氧处理前、后微波铁氧体材料在器件上的损耗，并在我所成功应用了通氧处理微波铁氧体材料，取得良好效果。具体比较见表1和表2。
根据试验数据，通氧处理过的铁氧体样本比未通氧得理的铁氧体样品在器件上的损耗明显减小，数量级大约在0.1dB左右，这将大大减少隔离器工作时的功耗及其带来的热量，提高隔离器功率容量。
4试验结果
4.1 S波段隔离器测试结果
4.2 C波段隔离器测试结果
4.3 X波段隔离器测试结果
5结论
根据仿真分析及试验结果，研制的系列化四端高功率隔离器性能优良，具有带宽宽、插损低、隔离高及驻波小的特点，各频段隔离器相对带宽都达到10%以上，插损小于0.4dB，隔离大于20dB，驻波小于1.2。设计中应用了通氧处理微波铁氧体材料，有效降低了隔离器损耗，提高了功率容量。高功率试验一次成功，已在某雷达系统中获得应用。

参考文献
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