1前言
射频微波讯号处理器件亦称软磁（或射频）铁氧体宽带器件，它是二十世纪七十年代发展起来的新型铁氧体器件。从原理上讲，它既不同于铁氧体张量磁导率为基础的微波器件，也不同于用普通导线绕在磁心上所构成的低频集中参数器件。这种讯号处理器件则是以传输线理论和软磁铁氧体标量磁导率为基础的传输线型器件。由于它应用了新颖的传输线变压器技术，使器件以很小的体积实现了宽带效果，其工作频率可从几十千赫到几千兆赫，而fmax/fmin（即倍频程）可达103或105以上，而且每种器件可以根据所应用的频段进行选择。
使用这种铁氧体宽带讯号处理器件，不仅可以减少整机的元件数，提高或改善其性能，而且利于整机的系列化、标准化与集成化。
射频铁氧体宽带器件的研制开发则是以宽带铁氧体材料即射频铁氧体材料为基础的，铁氧体材料的性能与磁心尺寸决定着宽带器件的宽带特性。
本文首先阐述了宽带铁氧体材料及其应用特性，然后论述了射频铁氧体宽带器件的应用特别是在雷达和无线电通讯领域中作为讯号处理应用的基本性能。
2射频铁氧体材料及其应用特性
2.1射频铁氧体材料
众所周知，射频铁氧体材料与磁记录材料、吸波材料一样同属于软磁材料系列。对于低频集中参数软磁器件而言，要求材料复数磁导率的实部μ′高而虚部μ″要小，材料的截止频率fr要高，器件的使用频率f＜＜fr，通常器件的最大使用频率不超过100MHz。而对于铁氧体宽带器件来说，其最高使用频率不再受材料截止频率的限制。这是因为，当f＜＜fr时，材料复数磁导率μ′＞＞μ″；当f＞＞fr时，μ″＞＞μ′，宽频带器件正是利用了高频时μ″比μ′大得多这一特点才使得器件的频带大大展宽的。因此宽频带器件对材料的要求与常规软磁材料有很大的差别。理论与实践证明，能同时满足传输损耗小、匹配效果好以及相移角小的磁心是μ″大而不是μ″小的材料。为了使器件有更宽的频带，要求材料的μ″～f曲线变化要平坦。因此研发适用于宽带器件的材料是十分重要的。这类材料比较典型的是NiZn和NiCuZn系。
NiZn系软磁铁氧体材料是一类产量大、应用广泛的高频软磁材料。当应用频率在1MHz以下时其性能不如Mn－Zn系铁氧体，而在1MHz以上时，由于它具有多孔性及高电阻率，其性能大大优于MnZn铁氧体，非常适宜在高频中使用。
用镍锌软磁铁氧体材料做成的铁氧体宽频带器件，使用频率可以做到很宽，其下限频率可做到几千赫兹，上限频率可达几千兆赫兹，大大扩展了软磁材料的频率使用范围，主要功能是在宽频带范围内实现射频信号的能量传输和阻抗变换。由于它们具有频带宽、体积小、重量轻等特点而被广泛应用在雷达、电视、通讯、仪器仪表、自动控制、电子对抗等领域，表1中列出了TDK公司部分镍锌铁氧体的性能指标。
世界上现已工业化生产镍锌铁氧体的国家中，目前，日本TDK、FDK、德国西门子、美国Stealword等公司的产品技术水平被公认为是世界上最高的，射频宽带NiZn（磁心）的工作频率可达0.1MHz～1.5GHz，品种规格上千种。而国内起步较晚，仅有少数厂家在开发低噪声滤波器和铁氧体吸收与抑制元件，但与国外的差距较大，尚未系列化、标准化。
目前，随着信息网络技术的飞速发展，在有线电视系统和闭路电视系统的基础上迅速发展起来的光纤同轴电缆混合（HFC）网络系统，作为综合信息宽带网络，具有显著的优势。
HFC网络系统的改造和建设，需要各种射频宽带铁氧体器件，而射频宽带铁氧体材料（磁心）系列是制造上述铁氧体器件的关键磁性材料。HFC的发展，大大刺激了对射频宽带铁氧体材料及器件的需求。Ni－Zn软磁铁氧体材料除广泛用于HFC宽带网络外，还大量用于抗电磁干扰。使用镍锌系软磁铁氧体材料制成的滤波器、铁氧体抑制器，其中最典型的是EMI软磁铁氧体磁心，以满足抗电磁干扰和电磁兼容的要求。抗电磁干扰产品和电磁兼容产品发展的方向是各类磁心向高磁导率、高频化、高速、小型化和片式高组装密度化发展。如今用Ni-Zn等软磁材料做成的铁氧体桨料和导体桨料交替叠层厚膜印刷和烧结而成、实现小型化表面安装的器件已经实用化，发展前途光明。
国内许多厂家从上世纪九十年代开始研究开发宽带铁氧体材料，取得了很大进展，并广泛用于各类宽带器件器件中。下面介绍中国西南应用磁学研究所研发的三种射频铁氧体材料系列的基本特性。
2.1.1宽带NiCuZn系铁氧体系列
该材料系列是用于讯号传输和阻抗变换的宽带变压器和阻抗变换器如功率合成器/分配器、射频放大器、混频器、定向耦合器等各种宽频带铁氧体器件中的产品，其主要特性为：
(1)起始磁导率高(100～2000)；
(2)具有弛豫型磁谱，fr低，μi高，在使用频率(几KHz～几GHz)内，具有特定的阻抗频率曲线，即μif高；
(3)性能指标如表2所示
2.1.2超高频软磁铁氧体系列
此材料系列起始磁导率μi低，截止频率fr很高，适用于50MHz～1500MHz宽频带器件，其性能指标如表3所示。
2.1.3高频功率铁氧体材料系列
由此种材料作成的高频功率铁氧体磁心可用作短波发射功率分配、功率合成、阻抗变换、功率输出、短波多模多馈天线功率输出变压器、天线宽带阻抗变换器、功率扼流圈、短波功率检测器、短波天线磁心等，其特性如表4所示。
2.2 射频铁氧体材料的应用特性
由于射频铁氧体的出现弥补了磁性材料低频与微波频率之间的空缺，至此磁性材料的应用已填满了整个无线电频率范围。它与微波铁氧体，在性能和工作原理方面是完全不同的。微波铁氧体器件是一种非互易器件，它的工作原理是以铁氧体的张量为基础的，使用的材料是旋磁铁氧体；涉及的磁性参数主要是饱和磁化强度与共振线宽；微波铁氧体器件除利用内磁场工作方式的器件以外都必须外加直流磁场或低频磁场，才能显示旋磁效应。射频宽带器件是一种互易器件，它的工作原理是以软磁铁氧体的标量磁导率为基础的；所用的材料是是截止频率低的软磁铁氧体；涉及的磁性参数主要是复数磁导率及其频率特性。一般射频器件并不需要外加直流磁场或低频磁场。从适用的频率范围看，射频宽带器件的最高使用频率要比微波铁氧体的低，而频带宽度要比微波铁氧体器件的宽得多。
此外，高功率宽频带器件是目前国内外发展很快的一类产品，它使用的高频高功率材料是一类十分重要的软磁材料。其中一部分是使用在截止频率以下，对材料的要求是Bs和（μ0Q0）高，即材料损耗小；另一部分是使用在接近或大于截止频率，对材料的要求是Bs高，Q值低，即损耗大。
射频铁氧体器件的种类繁多，结构不同，但是仍有不少相同之处，其共同点则是磁心，磁心的特性是器件的共同基础。在射频宽带器件中使用最多最为广泛的是传输线变压器，它是将具有均匀分布参数的传输线绕在铁氧体磁心上或将磁心安装在传输线上构成的。以变压器磁心为基础的这种宽带器件的质量主要决定于射频铁氧体材料的特性和超高频传输特性。只要器件设计和制造得当，就可能具有很宽的相对带宽（如十个倍频程及其以上）和很高的上限工作频率，并且能同时满足尺寸小、成本低的要求。
3射频铁氧体宽带器件与应用
射频铁氧体宽带器件的功能主要是在宽频带范围内实现信号电平的“加”、“减”、“乘”、“除”处理，因而对功率合成与分解、频率合成、瞬时测量、讯号编码、扫描测量、网路匹配、极化变换以及改善放大器动态范围的无耗反馈等都有密切的关系和重要的促进作用。
在国外这种器件的开发取得了长足进展，技术和产品均已相当成熟，应用领域不断扩大。其主要品种有：射频变压器、混频器、射频放大器、功率分配/合成器、定向耦合器、滤波器、倍频器、相位检波器等，它们已广泛应用于雷达、电子对抗、电视、广播、通讯、自动控制、仪器仪表等领域，尤其在现代通讯中更显出了它的重要作用。
下面就以应用于雷达和无线电通讯领域中的射频信号处理元器件为例来阐明其应用吧。
这种器件一般为模拟式，如放大器、混频器、功率分配/合成器、耦合器和倍频器，其工作频率复盖数KHz至GHz范围。用这些器件可以构成级联式单元，制作中频/自动增益级（IF/AGC）或其它信号处理功能组件。在过去，这些功能组件是用分立元件（如晶体管、电阻器、电容器和电感器等）做在PCB板上构成的。为适应飞速发展的电子系统小型轻量的需要，这种积木式结构级联单元则是最好的选择。这些器件所用的磁心一般为环形（直径为2mm左右）和两个巴比伦磁心，后者尺寸为3.5×2.5×2.0mm。在高频应用中这个小磁心的优点是缩短了绕组长度，匝内的杂散电容和电感减小。下面略举几例：
1)同相功率分配/合成器
利用以射频铁氧体为基础的元件可以构成相位相同的两个等幅信号的电路，由于它们可以把信号组合在一起，因而称为同相功率分配/合成器。它与采用电阻分配法所作的器件相比其优点是：信号损耗只有3dB（电阻分配器为6dB）并且可在各输出端提供良好隔离，例如在0.5～500MHz带宽内工作，容易得到30dB隔离，国外已设计出工作到2.5GHz的器件；两个信号间的相位和振幅平衡得很好，其平衡度分别为±1和±0.2VdB。如果再附加电路或将其组合在一起，容易得到n路输出的同相功率分配/合成器，在平衡放大器、衰减器、相移器和镜相抑制器中是十分有用的。
2)无损耗反馈放大器
使用射频铁氧体磁心可以作成双定向耦合器。它是由两个电流敏感互感器按照器件定向方式连接构成，可用于测量正向和反向功率。如果使用更新与更好的铁氧体可使这种器件工作到2GHz，带宽超过3个十倍频（103）。通过改变耦合器的匝数、调整的方法，耦合度范围将在10～25dB内，相关方向度为30dB。这种定向耦合器有很多用途，信号取样、反射系数（回波损耗或VSWR）测量，在新型放大器中使用等 。利用这种定向耦合器构成的无损耗反馈放大器，可以克服传统宽带电阻反馈放大器存在的噪声系数大（5～10dB）、直流到射频的转换效率低的缺点。因为定向耦合器系磁耦合器件，在反馈元件内无损耗（假设是最理想的耦合器），因此可以减少噪声，提高直流效率。这样即能制出动态范围宽的射频放大器，低噪声系数可使弱信号放大，改善直流效率，具有大的输出信号，通过变更耦合器的匝数即调整耦合器的耦合可以选择放大器的增益。据国外报道，已作出带宽为0.5～500MHz和300～1.8GHz两种放大器，其噪声系数为1.3dB，输出功率+27dBm（+1dB压缩点），VSWR≤1.2：1，单级增益在8～18dB增益—频响曲线平滑。此技术的另一优点是重服率高、易制造，只要定向耦合器装配正确就无需调整。
3)传输变压器
电子变压器分为集中参数变压器、阻抗变压器和传输变压器三种类型，其中前两种发展快应用广，而受工作原理所限其频带不可能作得很宽。而传输变压器是用传输线绕在射频铁氧体磁心上构成的，因而可以把它看作集中参数变压器和分布参数传输线段阻抗变换器相结合的器件。这种器件既吸收了分布参数传输线段变换器上限工作频率高等优点，又保持了集中参数变压器尺寸小、相对带宽大的优点。所以传输变压器具有以下特点：
a.工作频率很宽，下限频率为几千兆赫，上限频率与具体的变换方式有关，典型值为几百兆赫，最高的可达几千兆赫。
b.相对带宽很宽，可达多个倍频程(3～5个数量级)
c.器件的尺寸小，低功率器件的体积一般都小于1cm3。
但是也有它的局限性，例如由于它是用传输线绕制的，其阻抗比较低，因此只适合作低阻抗的阻抗变换器；又由于使用传输线作绕组，其阻抗比只适用于作整数的平方比变换。
然而在现代通讯及其宽带电子设备中，则是它的大显身手之地。例如，从低频到微波之间的整个频率范围内是一个丰富的资源领域，电视、广播、通讯等都在这个频率范围工作，急需各种射频宽带器件来完成阻抗变换、能量传输等功能。因为集中参数变压器不能完全避免漏电感和分布电容的影响，所以就不可能用一个集中参数变压器在如此宽的频率范围内完成阻抗变换等功能。对于分布参数传输线段阻抗变换器而言，由于传输线的长度与工作波长相接近，因此更不可能实现宽频带阻抗变换。而传输变压器这种宽带器件即能解决这个矛盾。
4结束语
宽带射频铁氧体材料是研发宽带器件的的基础，其性能与磁心尺寸决定了器件的宽带特性。而这种宽带器件实际上是一种微波射频信号处理器件，它不仅可以减少整机的元件数，提高或改善其性能，而且利于整机的系列化、标准化与集成化。因此射频铁氧体宽带器件的应用是极其广泛的。

参考文献
[1]过壁君，磁心设计及应用，电子科技大学出版社，1989.10，第一版。
[2]马昌贵 磁性行业快报，No.9，1，2002。
[3]产品简介，中国西南应用磁学研究所，1999。