[发明专利]一种P波段基片集成波导环行器有效Q值的求解方法

说明书

本发明属于微波无源器件领域，具体涉及一种P波段基片集成波导环行器的有效Q值求解方法。本发明通过Q值的物理含义与环行器插入损耗的联系，定义了环行器的有效Q值，并推导出了有效Q值的计算方法；首先确定一个工作在P波段的基片集成波导环行器，并对其各项参数进行变量改变并仿真，根据仿真结果计算出有效Q值；然后通过数理统计方法及软件计算，拟合出单一参数变化的有效Q值计算方法和多参数变化的有效Q值计算方法。通过计算有效Q值并且观察有效Q值的变化情况可以快速判断环行器性能优劣，并且对各参数调整起到指导性作用，加快了环行器的设计和测试周期。

技术领域

本发明属于微波无源器件领域，具体涉及一种P波段基片集成波导环行器有效Q值的求解方法。

背景技术

随着微波技术的发展，小型化、易集成成为了今后微波器件发展的主要方向。那么如何在实现小型化的同时保证高性能，是行业内专家们所面临的关键问题。

利用基片集成波导(substrate integrated waveguide)结构设计新型微波器件被认为是解决这一问题的方法之一。利用基片集成波导设计的环行器在尺寸上与传统的波导环行器相比大大减小，且近似于平面结构，利于集成，同时又具有远超微带线环行器等一类传统小型化结构器件的大功率容量。

微波谐振电路的品质因数即Q值是反应谐振电路损耗的一个重要量度，在损耗较低的情况下Q值较高。环行器的中心结可以看作一个谐振腔，通过考查环行器的Q值可以对环行器的性能优劣进行一个整体的判断。

常用的微波仿真软件如HFSS、CST等都无法对包含铁氧体材料的谐振腔进行本征模式仿真以得到Q值。并且经过实际测试得知，由于仿真软件求解衰减常数时未考虑到铁氧体材料的磁损耗影响，所以软件基于衰减常数和传播常数的算法也无法准确求解出环行器的Q值。本发明从Q值的物理含义入手，与环行器的插入损耗相联系推导出环行器有效Q值的求解方法，通过求解有效Q值，可以对环行器的整体性能优劣进行快速的判断。

发明内容

针对当前基片集成波导环行器有效Q值无法通过仿真软件及相关理论公式计算得出的问题。本发明首次提出了一种P波段基片集成波导环行器有效Q值的求解方法，可以快速对环行器的性能进行判断，并且根据Q值的变化趋势对其他参数的选取具有指导性作用。

具体技术方案包括以下步骤：

步骤一、通过插入损耗和能量消耗的关系定义环行器的有效Q值：

其中，IL为环行器的插入损耗，P_输入为环行器的输入功率，P_输出为环行器的输出功率。根据品质因数即Q值的定义式：

则：

反推出环行器有效Q值与插入损耗IL的关系式为：

步骤二、选取待求解基片集成波导环行器的以下参数并以其数值为中心值做范围变化并代入HFSS仿真软件中进行变量仿真测试：中心结铁氧体半径r，厚度h，饱和磁化强度4πMs，有效线宽ΔH_e，损耗角正切tgδ，介电常数ε；匹配铜台半径R，厚度d；外加偏置磁场强度H₀。

步骤三、以步骤二测试结果中环行器回波损耗在-15dB以下的范围为有效数据范围，并记录有效数据范围内的环行器插入损耗的数值。将记录下的插入损耗的数值代入到步骤一中有效Q值与插入损耗的关系式中求解出有效Q值，从而建立起各参数与有效Q值的联系。

步骤四：首先，通过数理统计方法得到各单一参数与环行器有效Q值的函数变化关系：

铁氧体有效线宽与有效Q值的变化关系：