环行器_隔离器在微波通信中的应用--市场分析较好

技术扫描

环行器/隔离器在微波通信中的应用

余声明

（中国西南应用磁学研究所，四川绵阳 621000）

摘 要：简述了环行器／隔离器在现代微波通信中的地位和作用，着重介绍了它在移动通信和微波中继通信中的应用及市场。

关键词：环行器；隔离器；微波通信；应用；市场

中图分类号：TN621，TN627 文献标识码：A 文章编号：1001-3830(2003)01-0025-05

Application of Circulator/Isolator in Microwave Communication

YU Sheng-ming

Southwest Institute of Applied Magnetics，Mianyang 621000，China

Abstract: The position and function of circulator/isolator in modern microwave communication are overviewed.

The application and market in mobile communication and relay communication are introduced emphatically.

Key words: circulator；isolator；microwave communication；application；market

1 前言

当今世界已进入信息化时代，灵活、多样、方便的通信手段已使人类居住的地球变成了一个村落。据日本电子工业振兴会预测，2010年世界电子信息产业市场将达34万亿美元，年均增长率为7.4%，其中通信设备工业市场将达到3636.5亿美元，年均增长率为6.6%；电子整机销售年均增长4.6%，电子元器件年均增长率为6.7%。中国电子信息产业今后十年将保持3倍于国民生产总值增长率即年均增长率20%的速度发展，现代通信与网络是重点发展领域之一。至2005年，通信产业业务收入1万亿元，年增长率23.3%；制造业收入达2.5万亿元，年增长率20%，年销售收入1.5万亿元，年增长20%，出口1000亿美元，年增长率15%；通信能力：光缆总长250万公里，基本覆盖全国城乡，固定交换设备总容量超过3亿门，移动通信交换总容量超过3.6亿户[1]。可见国际国内通信产业市场特别是国内市场多么的巨大。 所谓通信乃是人们利用电磁波传递语言、图像、文字、数据、符号等信息的过程，用以扩展人类活动的空间距离，争取时间，它是人类了解大自然和宇宙空间不可缺少的工具和手段。电磁波则是

指波长在109μm～1mm的电磁场，其中包括了

无线电波、红外线、光波及γ射线等。而无线电波又分为长波、中波、短波和微波。作为通信手段，其过程如图1所示。其中声音、图像、数据等信息为第一载体，电磁波为第二载体，必须将第一载体加于第二载体上，通信才能实现。作为通信系统可分为有线和无线两大类，用无线电波传送的则为无线通信，而用长、中、短波的无线通信称为普通无线通信；用微波进行通信手段的则称为微波通信，它是现代无线通信的主力军。

－

所谓微波系指300MHz～300GHz的无线电

波，其频带宽度为299.7GHz，占整个无线电频带的99.9%，这是一个十分可贵的频率资源。而微波又分为分米波、厘米波和毫米波频段，其信道频带宽度分别为几MHz、几十MHz和上千MHz。若一路电视广播占用4～8MHz的话，一部毫米波发射机可同时发送几百套电视节目；若以一路电视所占

收稿日期：2002-06-12

磁性材料及器件 2003年2月 25

用频宽为1500路电话的频带宽度来计算的话，则毫米波通信系统可同时传送几十万路电话。可见微波通信的通信潜力十分巨大[2]。 而一个微波通信系统是由发射机、天线和接收机系统组成，而每一部分又由各类元器件、组（部）件组成。微波铁氧体环行器/隔离器器件则是极为重要的一大类高频元器件。

是利用电磁波沿地面直线传播，中继站间的距离50km，工作频段为150MHz至20GHz，其典型频段是2GHz、4GHz、6GHz、7GHz、8GHz、9GHz、11GHz、12GHz和20GHz，费用低，颇受欢迎。 3.1.3 移动通信 它是在移动用户间，移动用户与固定站或移动站之间的通信，其业务是：

无线通电话——便携式或双向无线电话； 无线传呼系统——单向、双向； 调度系统——车队调度等； 移动电话；

2 环行器/隔离器在微波通信中的地位与作用[2]

上世纪中叶，微波技术中的一大突破是铁氧体的发现。铁氧体乃是由金属氧化物构成的一类陶瓷性磁性材料，利用这种材料在直流磁场和微波场共同作用下呈现出的旋磁效应制成的微波铁氧体器件如环行器、隔离器等，在二次世界大战中解决了雷达设备的级间隔离、阻抗以及天线共用等一系列实际问题，极大地提高了雷达系统的战术性能，成为其中的关键件和致命件。其后微波铁氧体器件技术获得了飞速发展，80%以上都用于军事上，如精密制导雷达、舰载雷达、机载、远程警戒预警雷达，导航和炮描雷达等都采用了相控阵天线。例如海湾战争中，美国威力显赫的“爱国者”导弹主要依靠了相控阵雷达技术，而铁氧体移相器则是相控阵技术的关键元件之一。在AV/MPQ导弹系统中使用了5161个X波段铁氧体移相器，它可以同时监视100个目标，同时跟踪8个目标，同时制导8枚导弹。冷战结束后，美俄等发达国家，也实行了“军转民”战略，微波铁氧体器件开始大量向民用方面转移，所以在卫星通信、微波通信、微波能应用、工农医疗等方面获得了广泛应用，市场日益扩大。

卫星通信的转发器的收发转换就是靠具有双工器功能的铁氧体环行器来实现的。转发器电路中的级间隔离、匹配、去耦是由小型、轻量、集成化的铁氧体隔离器来完成的，从而达到保护系统提高其稳定性、可靠性之目的。

无线电数据包交换；

工作频段为超高频、L、C和Ku波段等。 3.1.4 无线电系统 包括点对点、一点对多点用户无线电通信系统，特别适宜于农村和城市近郊，工作频段是短波，特高频，L、S、K波段等。 3.1.5 有线微波传输 它有同轴、波导等之分，特别是长距离通信优于微波中继通信。 3.1.6 散射通信 工作频率为400～6000MHz，可靠性高达99.9%。 总之，微波通信的优点是：无线增益高，方向性强，通信容量大，稳定性好，信噪比高，可靠性好，但网灵活性大，投资和维护费用低；若将模拟式转换为数字式，更易于加密处理，抗干扰性更强，效率更高。 上述各种微波通信方式都离不开铁氧体环行器、隔离器，凡微波发射、接收、传输系统中都有它的应用。

3.2 在微波通信中的应用 环行器/隔离器在现代通信中占有重点地位，起着其他元器件不可替代的作用。现就它在移动通信和微波中继通信中的具体应用，着重介绍如下。 3.2.1 在移动通信中的应用 移动通信系指移动用户之间、移动通用户与固定站之间或移动台之间的一种通信，如图2所示。

图2 无线移动通信系统的组成

3 应用与市场[2

～5]

3.1 微波通信的方式

3.1.1 卫星通信 由地球站、通信卫星、转发器、接收站组成，其工作频段有S、C、X、K波段，即将开发的有V、Q和M波段。

3.1.2 微波接力通信 由始发站、中继（接力）站和终端站组成，它

26 J Magn Mater Devices Vol 34 No 1

移动通信已经历了模拟语音移动通信（第一代）、数字语音移动通信（第二代）如GSM、CDMA两代，现已进入了能覆盖全球的多媒体通信——第三代，其主要特点之一是可以实现全球漫游，使任意时间、任意地点、任意人之间的交流成为可能；将来还要发展到第四代——高速移动通信。这些系统都属于无线通信之列，它们都要采用微波作为传输手段，因此微波铁氧体环行器、隔离器是不可缺少的基本器件。 环行器/隔离器在移动通信中的应用主要是在基台（站）和移动台系统中。而在基台和移动台中主要作收、发信机的天线共用装置（双工器或多工器），在发射和接收系统中作功率放大器、开关放大器的输入和输出隔离以及在测量系统中起去耦作用，文献[6]里已有较好论述，在此不再论及，但就一些应用实例以及在当前数字式手持电话的应用作一介绍。 （1）中继器和基台无线设备 利用漏泄同轴电缆（LCX）原理作成列车隧道通信系统时，当隧道很长时要在隧道内增设几个中继器才能实现有效通信，图3a、b分别示出了直接放大式中继器（外用、内用）组成方框图。在这两个中继器中均要使用环行器作功率分配与合成器、双工器。

图3 直接放大式中继器的组成方框图： （a）外用， （b）内用

在基台无线设备中，由于移动台和波道很多，必须对互调作充分、仔细考虑。当基台分散配置时，一个移动台将会收到几个发射天线所发出的强弱不同的信号会产生频率相互调制，干扰有用信号的接收；各波道间也必然会产生互调产物。为此在发

信系统中采用了集中基台方式，如图4所示。这时共用一个发射天线

，利用桥接电路和

图4 携带电话基台的发信系统

图5 携带电话基台的收信系统

环行器实现了一付基台发射天线可供64个波道使用，而且在每一个发信机线路上使用了一个隔离器。在基台接收系统中，由于每一波道的分配损失太大，利用一付天线不能达到全部波道共用的要求，所以采取一付天线16个波道共用的方式，如图5所示，而每一收信机线路中又使用了一个隔离器。

（2）手持式数字电话系统

随着移动通信技术的不断发展，对其环行器/隔离器的基本要求则是高性能（低插入损耗、高隔离度、宽频带、高功率及高的温度稳定性等）、小型轻量、低成本，尤其是用于手机中的器件，小型轻量与低成本显得特别重要。 用于手持式数字电话系统的环行器/隔离器同样是作天线共用器和发射功率放大器输出隔离去耦，如图6、图7所示。

图6 多频/多模手机框图

磁性材料及器件 2003年2月 27

（a）天线共用器方式

为终端站，主站为双向性的，其设备比终端站多一倍，站间距离为50公里。 环行器/隔离器主要用于发、收信设备的高频系统（图8）中，其中包括发信输出单元、混频单元、发信本振（图8a）以及收信单元、收信本振（图8b）。环行器均是接在单向器（隔离器，即在环行器的第三端上接以匹配负载）的形式，主要起级间隔离作用。

4 市场分析与前景[6

～8]

微波通信是现代无线通信的主力军，凡是无线通信都要以微波为传输手段。如果在六种微波通信方式中都使用上环行器/隔离器，用量之大可想而知。下面仅以移动通信市场及其对环行器/隔离器的需求作一简要分析与预测。 4.1 国际市场

据新近资料显示，未来五年全球通信产品市场看好，到2005年其销售总额将会扩大到6兆7364亿日元，年均增长率预计为8.3%。 目前全球移动通信产业发展迅速，已经历模拟、数字式两代而进入了个人化的第三代，并正在研制第四代高速化技术。现在全世界几乎每10人就拥有一部手机，欧盟地区的普及率已达60%，美国也超过了50%。据预测，2001～2006年全球将新增4.23亿移动电话用户，欧盟将是手机的最大

销售市场，占全球销售总量的32.8%。

根据移动通信设备发展速度，如以10亿部手机用户计，则需建立上百万个基台（站），每一基台若用100～300只环行器/隔离器，而每部手机使用一只的话，则有10亿美元以上的销售市场。据不完全统计调查，欧美有微波铁氧体材料及器件生产厂商69家，其销售额在100万美元至70亿美元之间。例如索诺马科学公司专为蜂窝无线电、国际海事卫星、个人通信网、卫星通信、微波无线电研制生产低成本、高性能铁氧体环行器、隔离器600多个品种规格，频率为2.5GHz以下。 日本也有大生产厂商6家，产品性能、产量远不如美国和俄罗斯。 4.2 国内市场 我国通信产业发展十分迅速，但与国外相比差距较大。截至2001年底，全国移动手机用户已由1996年的685万户增至1.45亿户，2001年新增6000万户，现已超过美国而成为全球最大的手机市场，但普及率仅为11.2%，仅为发达国家的1/5。

根据信息产业部“十五”规划，至2005年通

（b）天线开关方式

图7 隔离器在数字手机中的应用

3.2.2 在微波中继（接力）通信中的应用 微波中继（接力）通信是利用微波频段的无线电波传递信息的。由于大地对微波要强烈吸收，电离层又不能反射，所以沿地面是直视传播，其传播距离称为视距。所谓视距离是指当天线高度一定时微波直接传播的距离。中继线标准距离为2500公里，插在中间的主要微波站为主站 ，线路两端的

图8 主站发、收信通道高频系统

28 J Magn Mater Devices Vol 34 No 1

信产品业务收入1万亿元，移动手机1亿部，移动电话用户2.6～2.9亿户。 同样，如以1亿部手机用户计，则需建立基站10万个，需环行器/隔离器上千万只；配套手机用量若以1/3计算，亦需3千万只。而目前国内尚未产业化，远远不能适应移动通信技术发展的需要。目前国内仅有六家研发生产单位，其中以西南应用磁学研究所的技术水平较高，目前全国的研制生产规模估计在100万只左右，1亿元的销售产值。 可见，环行器/隔离器在国内的市场前景广阔，随着通信技术向米波、分米波特别是毫米波方向发

参考文献：

[1] 佚名. 电子产品世界, 2000(7): 11-13.

[2] 邵文昌. 微波通信新技术[M]. 北京: 北京邮电学院出

版社, 1990.

[3] 时振栋, 黎安尧, 王晦光. 电磁波的应用[M]. 北京:

高等教育出版社, 1990.

[4] 查光明, 罗承烈, 等. 移动通信工程及组网[M]. 成都:

成都电讯工程学院出版社, 1987.

[5] 谈德茂. 微波中继通信[M]. 北京: 电力工业出版社,

1982.

[6] 余声明. 磁性材料及器件, 1994, 25(1): 2. [7] 焦红敏. 中国电子报, 2001-02-13. [8] 卢苏燕. 科技日报, 2001-06-28.

展，通信市场更大。

****************************************************************************************** （上接24页）

系列先进技术，产品的电气性能和外观尺寸已达到图4为R2K5材料介电常数频谱，可以看出，

国外同类产品水平，已通过了国内有关方面和日在100MHz以下，介电常数基本上保持不变，且其

本、德国厂商的初步测试和认定，反映良好。目前，虚部可以忽略不计。这也进一步说明，铁氧体吸波

公司已开发出矩形（薄片式、方格式）、瓦形和锥材料的设计应当主要考虑磁导率的影响。

形等铁氧体吸波元件，其中有两种型号和规格已批 根据（1）式计算吸波体厚度t对反射率的影

量生产，如表1所示。 响，如图5所示。可以看出，在低频段，厚度对吸

波性能具有显著影响，吸波体越厚吸波性能越好，表1 新欣电子公司生产的铁氧体吸波贴砖系列产品 但厚度的增加意味着重量的增加，这对工程安装和型号 尺寸/mm 厚度/mm 重量/g 备注

XFT-100 100×100 6.7 353 中心无孔 使用成本的控制都是不利因素。

XFT-100h

4 设计准则

根据以上的理论和计算分析，可以得出以下几

点关于铁氧体吸波体的设计准则： （1）铁氧体吸波体设计的关键在于提高低频（30MHz附近）部分的吸波性能。 （2）在低频部分，铁氧体吸波体的吸波性能与其固有的磁损耗角正切有直接关系，提高铁氧体磁损耗角正切可以直接提高其低频吸波性能。 （3）在低频部分，铁氧体吸波体的厚度对吸波性能具有显著影响，厚度越厚其吸波性能越好，设计中应综合考虑吸波体的厚度及其重量的影响。 （4）介电常数对吸波性能的影响主要在100MHz以上的高频部分。

100×100 6.7 350 中心有∅10mm孔

6 结论

EMC微波暗室要在低频端（即30～150MHz）满足辐射干扰测试的场地要求的关键在于射频吸收体在低频范围的性能。通过正确设计，厚度仅几毫米的铁氧体吸波体在30MHz的低频端都具有很好的对法向入射波的吸收能力。本文建立了铁氧体吸波体设计的理论模型，利用该模型对公司新近研制成功的以R3K材料系列为基础的铁氧体吸波体进行了优化设计和性能分析，并初步总结出了关于铁氧体吸波体的设计准则。运用这些准则，本公司成功地研制和生产出了两种目前使用最广泛的铁氧体吸波体，其电气性能和机械性能已达到了国外同类产品的水平。

5 本公司生产的铁氧体吸波贴砖系列产品

本公司研制成功的XFT-100型铁氧体吸波体系列产品，采用具有高磁损耗角正切的NiZn铁氧体材料，运用500～1000吨大吨位自动液压精密成型、精确温控保形烧结以及全六面高精度研磨等一

致谢

在本项目的研究开发及本文的成文过程中，电子科技大学电子信息材料学院的张怀武、邓龙江教

授以及中国西南应用磁学研究所的何水校副总工程师给予了许多指导和帮助，在此表示感谢。

磁性材料及器件 2003年2月 29