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    隔離器負載用微波吸收材料的研制
    時間: 2017-02-24 09:21 瀏覽次數:
    隔離器(又名單向器)是一種兩端口器件,電磁波沿著 隔離器 傳播時具有正向導通性,反向不能傳播。隔離器在微波電路系統中具有去耦、阻抗匹配、保護發射機等功能,是微波集成電路系統中不可缺少的器件之一[1~3]。 實際應用中,在高頻段,由于片式電阻的結構
    隔離器(又名單向器)是一種兩端口器件,電磁波沿著隔離器傳播時具有正向導通性,反向不能傳播。隔離器在微波電路系統中具有去耦、阻抗匹配、保護發射機等功能,是微波集成電路系統中不可缺少的器件之一[1~3]。
    實際應用中,在高頻段,由于片式電阻的結構特點引入了額外的電抗,使得阻抗不易匹配到 50  Ω,駐波較大,隔離器往往使用吸收體作為負載,提高器件隔離度和承受功率的能力。
         吸收負載由傳輸線和能夠吸收微波功率的材料組合而成。在 8 ~ 18 GHz 的頻率內,帶線結隔離器使用兩塊吸收體組成帶狀線作為吸收負載,吸收體多采用羰基鐵粉/樹脂復合材料。目前國內這類高性能吸收材料較少,且鮮有相關研究報道。筆者以環氧樹脂為基體、羰基鐵粉為吸收劑試制高性能吸收材料,通過密度、擊穿電壓強度表征材料制備的工藝性,通
    過材料吸收損耗和隔離器性能研究材料的吸收性能。
     1、試樣制備
    將羰基鐵粉(平均粒度小于 3 µm)、環氧樹脂、固化劑和稀釋劑(如無水乙醇)混合,并在 70~120 ℃下真空攪拌脫氣(真空度≤2×104 Pa), 最后在150~220 ℃固化成型。羰基鐵粉摻入量依次增大制備的羰基鐵粉/環氧樹脂復合材料(吸收體,下同)編號分別為#1、#
    2 和#3,以及工業品編號為#4 (美國 Emerson& Cuming 公司羰基鐵粉/樹脂吸收材料)。吸收材料再經線切割、打磨,加工成所需規格的試樣。
    2、試驗方法
    2.1  密度
    按阿基米德法測定吸收體的密度。
    2.2  擊穿電壓強度
    筆者使用南通南峰電子有限公司 2671B 安全耐壓測試儀,測量試樣的擊穿電壓強度(單位厚度承受的擊穿電壓值,單位為 V/mm) 。試驗采用直流電源,耐受時間為 5 s,電壓間隔為 10 V。試樣規格為12.8 mm×5.0 mm×1.0 mm, 測試時由兩塊金屬極板夾持覆蓋。
    2.3  吸收損耗
    將兩塊規格為 12.8 mm×5.0 mm×1.0 mm的吸收體,放入測試夾具(如圖 1 所示) ,與中心導體上下對稱組成帶狀線,在 8~12 GHz 頻率內,用Anritsu37369D矢量網絡分析儀測試其兩端網絡 S 參數,并計算單位長度吸收體的吸收損耗 LA。夾具帶線傳輸線設計為 50 Ω,中心導體長度 L1 = 12.8 mm,寬度 W = 2.6 mm。
    吸收體吸收損耗測試夾具
    2.4  隔離器性能
    將兩塊規格為 11.0 mm×2.8 mm×1.8 mm的吸收體,放入圖 2 所示的隔離器(由環行器 3 端加負載構成) ,用 Anritsu37369D 矢量網絡分析儀測試其兩端網絡 S 參數。
     
    隔離器按圖 3 接入功率測試系統,信號經功率放大器放大,從隔離器端口 2 輸入,環行至端口(負載端)3,負載端反射信號環行至端口 1,進入衰減器,衰減器損耗為 40 dB,最后進入功率計,功率計顯示和實時監視功率。測試采用連續波輸入,頻率為 10 GHz,輸入功率為 5.0,7.0,8.5和 10.0 W,其中 5 W.0 功率測試時間 5 min,其余為 2 min。最后根據隔離器輸入功率P1和功率計輸入功率P2計算不同輸入功率下待測件的隔離度 − ∂ 。

    隔離器示意圖
    功率測試原理
    結果與討論
    表1給出了吸收體的密度ρ和直流擊穿電壓強度Vb。由表 1 可知,吸收體#1、#2、#3 的ρ隨羰基鐵粉

    隔離度是隔離器的重要性能指標,表征器件對信號的反向衰減能力。由于可以通過阻抗變換法[5]使圖 2 中隔離器的中心結與負載進行阻抗匹配,使得從端口 2 環行至負載的信號,盡可能進入吸收體并被衰減,實際只有很少一部分的信號被反射環行至端口 1。 因此器件的隔離度主要取決于吸收體的吸收損耗。 圖 6給出了 8 ~ 12 GHz 內不同ρ復合材料單
    位長度的吸收損耗,可知吸收體#1、#2、#3 的吸收損耗隨ρ遞增。其中#2 吸收體和工業品#4 吸收體的吸收損耗接近,介于 2.5 ~ 4.5 dB/mm。提高羰基鐵粉摻入量,對提高吸收體的吸收損耗有利,但摻入量過高,可能導致工藝性下降,羰基鐵粉在基體中出現凝聚,使其Vb下降,并且羰基鐵粉凝聚引起的“趨膚效應”[6],使電磁波很難通過凝聚區域,加大了中心結與負載阻抗匹配的難度。
    使用#2 吸收體的隔離器在矢量網絡分析儀上測試結果如圖 7 所示?芍 8 ~ 12 GHz 頻率內,隔離器頻率特性:電壓駐波比≤1.35、插損≤0.55 dB、  

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