隔离器负载用微波吸收材料的研制
时间: 2017-02-24 09:21 浏览次数:
隔离器(又名单向器)是一种两端口器件,电磁波沿着 隔离器 传播时具有正向导通性,反向不能传播。隔离器在微波电路系统中具有去耦、阻抗匹配、保护发射机等功能,是微波集成电路系统中不可缺少的器件之一[1~3]。 实际应用中,在高频段,由于片式电阻的结构
隔离器(又名单向器)是一种两端口器件,电磁波沿着隔离器传播时具有正向导通性,反向不能传播。隔离器在微波电路系统中具有去耦、阻抗匹配、保护发射机等功能,是微波集成电路系统中不可缺少的器件之一[1~3]。
实际应用中,在高频段,由于片式电阻的结构特点引入了额外的电抗,使得阻抗不易匹配到 50  Ω,驻波较大,隔离器往往使用吸收体作为负载,提高器件隔离度和承受功率的能力。
     吸收负载由传输线和能够吸收微波功率的材料组合而成。在 8 ~ 18 GHz 的频率内,带线结隔离器使用两块吸收体组成带状线作为吸收负载,吸收体多采用羰基铁粉/树脂复合材料。目前国内这类高性能吸收材料较少,且鲜有相关研究报道。笔者以环氧树脂为基体、羰基铁粉为吸收剂试制高性能吸收材料,通过密度、击穿电压强度表征材料制备的工艺性,通
过材料吸收损耗和隔离器性能研究材料的吸收性能。
 1、试样制备
将羰基铁粉(平均粒度小于 3 µm)、环氧树脂、固化剂和稀释剂(如无水乙醇)混合,并在 70~120 ℃下真空搅拌脱气(真空度≤2×104 Pa), 最后在150~220 ℃固化成型。羰基铁粉掺入量依次增大制备的羰基铁粉/环氧树脂复合材料(吸收体,下同)编号分别为#1、#
2 和#3,以及工业品编号为#4 (美国 Emerson& Cuming 公司羰基铁粉/树脂吸收材料)。吸收材料再经线切割、打磨,加工成所需规格的试样。
2、试验方法
2.1  密度
按阿基米德法测定吸收体的密度。
2.2  击穿电压强度
笔者使用南通南峰电子有限公司 2671B 安全耐压测试仪,测量试样的击穿电压强度(单位厚度承受的击穿电压值,单位为 V/mm) 。试验采用直流电源,耐受时间为 5 s,电压间隔为 10 V。试样规格为12.8 mm×5.0 mm×1.0 mm, 测试时由两块金属极板夹持覆盖。
2.3  吸收损耗
将两块规格为 12.8 mm×5.0 mm×1.0 mm的吸收体,放入测试夹具(如图 1 所示) ,与中心导体上下对称组成带状线,在 8~12 GHz 频率内,用Anritsu37369D矢量网络分析仪测试其两端网络 S 参数,并计算单位长度吸收体的吸收损耗 LA。夹具带线传输线设计为 50 Ω,中心导体长度 L1 = 12.8 mm,宽度 W = 2.6 mm。
吸收体吸收损耗测试夹具
2.4  隔离器性能
将两块规格为 11.0 mm×2.8 mm×1.8 mm的吸收体,放入图 2 所示的隔离器(由环行器 3 端加负载构成) ,用 Anritsu37369D 矢量网络分析仪测试其两端网络 S 参数。
 
隔离器按图 3 接入功率测试系统,信号经功率放大器放大,从隔离器端口 2 输入,环行至端口(负载端)3,负载端反射信号环行至端口 1,进入衰减器,衰减器损耗为 40 dB,最后进入功率计,功率计显示和实时监视功率。测试采用连续波输入,频率为 10 GHz,输入功率为 5.0,7.0,8.5和 10.0 W,其中 5 W.0 功率测试时间 5 min,其余为 2 min。最后根据隔离器输入功率P1和功率计输入功率P2计算不同输入功率下待测件的隔离度 − ∂ 。

隔离器示意图
功率测试原理
结果与讨论
表1给出了吸收体的密度ρ和直流击穿电压强度Vb。由表 1 可知,吸收体#1、#2、#3 的ρ随羰基铁粉

隔离度是隔离器的重要性能指标,表征器件对信号的反向衰减能力。由于可以通过阻抗变换法[5]使图 2 中隔离器的中心结与负载进行阻抗匹配,使得从端口 2 环行至负载的信号,尽可能进入吸收体并被衰减,实际只有很少一部分的信号被反射环行至端口 1。 因此器件的隔离度主要取决于吸收体的吸收损耗。 图 6给出了 8 ~ 12 GHz 内不同ρ复合材料单
位长度的吸收损耗,可知吸收体#1、#2、#3 的吸收损耗随ρ递增。其中#2 吸收体和工业品#4 吸收体的吸收损耗接近,介于 2.5 ~ 4.5 dB/mm。提高羰基铁粉掺入量,对提高吸收体的吸收损耗有利,但掺入量过高,可能导致工艺性下降,羰基铁粉在基体中出现凝聚,使其Vb下降,并且羰基铁粉凝聚引起的“趋肤效应”[6],使电磁波很难通过凝聚区域,加大了中心结与负载阻抗匹配的难度。
使用#2 吸收体的隔离器在矢量网络分析仪上测试结果如图 7 所示。可知在 8 ~ 12 GHz 频率内,隔离器频率特性:电压驻波比≤1.35、插损≤0.55 dB、  

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