【论文摘要】铁氧体移相器是相控阵天线系统的关键器件之一，而它的温度特性对系统的性能影响较大。首先利用双平板模型、麦氏方程组和边界条件推导矩形波导铁氧体移相器的超越方程。再利用超越方程和我们制备的铁氧体材料的参数对其差相移随温度的变化进行数值计算，结果表明随温度的升高差相移减小。同时，提出了温度补偿的一些方法。
随着卫星电视的发展，人们对火车、长途汽车等移动载体接收卫星电视节目产生了浓厚的兴趣。同时，为了发展我国的远程教育系统，使边远地区能够接收到卫星电视节目，我们对自动跟踪同步通信卫星平板相控天线阵系统进行了研究。但是，系统的发展离不开元器件，因此，我们对相控阵天线中的关键元件——矩形波导铁氧体移相器进行了研究。
移相器的温度效应就是指移相器的相移随温度变化的特性。自动跟踪同步通信卫星的平板相控天线阵系统是露天工作，环境条件直接影响移相器的工作。我国幅员广阔，各地气温相差较大。在炎热的夏季，某些地区环境温度可高达43℃，加上移相器损耗引起的发热及系统本身的温升，可使移相器的工作温度高达近63℃；而在严寒冬天，某些地区低温可到－33℃左右，尽管工作时移相器会发热且系统也将产生热量，可是仍可能达到－13℃左右的工作温度。总之，由于移相器在不同的季节、不同的地区使用，其工作温度变化范围可达近80℃。在这样宽的温度变化范围内，铁氧体材料的饱和磁化强度和剩余磁化强度因对温度敏感会发生不小的变化，从而导致相移的变化。这是各种铁氧体移相器存在的一个共同问题。相移量变了，天线阵口径将产生相位误差，引起天线指向误差，严重时使相控阵天线无法正常工作。因此，我们对矩形波导铁氧体移相器的温度特性进行了详细的讨论。
2 矩形波导铁氧体移相器超越方程的推导
矩形波导铁氧体移相器是在矩形波导中心置入环形铁氧体，由于其沿横向传播的非均匀性，因此，精确地求解其电磁场和传播特性是不可能的，人们通常用双平板模型[1]进行求解。
下面我们根据双平板模型和麦氏方程组及边界条件来推导矩形波导铁氧体移相器的超越方程。图1为其示意图。
设恒偏磁场沿z轴方向，波的传播方向沿y轴，讨论时认为矩形波导中只有TEn0模，则
Hz=Ex=Ey=0。从整个波导剖面图来看，它可以划分为五个区域，边界条件为：
式中脚标1，2，3，4，5表示图1中的五个区域，脚标0表示无铁氧体和介质区域。铁氧体的磁导率为张量而介电常数为标量[2]，即：
把以上参量代入（11）式进行计算机数值求解可得差相移随温度的变化，结果见图2。从图2可知，随温度的升高，差相移减小。由于相移量随温度而变，因此，相控阵天线将产生相位误差，从而导致天线的指向误差。为了使相控阵天线能够进行正常工作，必须对移相器进行温度补偿。
4 温度效应的补偿
对于相控阵天线系统中铁氧体移相器的温度稳定性应从以下几个方面着手解决。
4.1 移相器材料的选择
移相器对材料的选择要根据使用功率、温度稳定性及频率范围来确定。通常选取窄线宽、低各向异性、低矫顽力和低介电损耗、高剩磁比、高居里温度的铁氧体材料。材料系列的选用可以是石榴石铁氧体[4]，也可以是锂铁氧体[5]，还可以是六角铁氧体[6]。近年来，由于我们对锂铁氧体的深入研究，精心设计配方，严格控制制备工艺，已制备出了温度稳定性相当好的材料。
4.2 用电路技术来保证温度稳定性
由于材料的饱和磁化强度和剩余磁化强度对温度非常敏感。因此，即使移相器设计方案和材料选择都比较合理，在相控阵天线中也必须解决温度稳定性问题。通常依赖电路技术来获得温度稳定性的方法有三种：（1）磁通转移，（2）磁通激励，（3）组合磁路。
（1）磁通转移：它是以数字化为特征的通过转移在两种剩磁状态来回翻转的另一个磁芯的磁通使移相器的磁通作离散阶梯式变化。
（2）磁通激励：它的作用类似于变压器，是以模拟技术为特征的，适当的控制能使其以数字方式工作，也就是与通量转移法相同。
（3）组合磁路：它是驱动电路采用磁通转移和磁通激励两种结合的电路。
4.3 温度补偿的其它措施
在铁氧体移相器的使用中，降低温度可在波导壁上加散热片，即在移相环侧壁加氧化铍和氮化硼等具有良好的热传导性能并具有低的介电损耗的热传导材料。还可采用强制风冷及循环油冷、水冷等。当移相器在低温工作时，可加装加热器，以提高工作温度。另外还可根据相移～温度曲线进行补偿，它是更进一步提高温度稳定性的手段。又可分为：（1）随时自动补偿。这种补偿过程要加温度敏感元件，它无误地传递温度，要加准确的比较电路而后将比较结果送给波控机，波控机随后修改相移码。（2）预制的固定补偿。此方法的实质就是波控机中的微存贮器有若干数据芯片。芯片中的数据由大量的实验数据来填充。（3）软件补偿。根据相移-温度曲线编好计算机程序，利用计算机进行控制以便实现对移相器的软件补偿，这就是目前常用的一种方法。
5 结论
由于矩形波导铁氧体移相器的差相移受温度的影响较大，为了使自动跟踪同步通信卫星平板相控天线阵系统能够全天候地工作，必须对矩形波导铁氧体移相器进行温度补偿。通常选用高温度稳定性的锂铁氧体，并在移相器中采用软件温度补偿的方法。
参考文献
[1] Schlomann E.Theoretical analysis of twin-slab phase shifter in tectangular wavrguide[J].IEEEE Trans MTT,1966,14:15-23.
[2] Lax B,Pehowich J.Application of perturbation theory to toroidal ferrite phase shifters[J].IEEE Trans MTT,1991:2198-2203.
[3] Gardiol E.Computer analysis of latching phase shifters in rectangular waveguide[J].IEEE Trans MTT,1973,21:57-61.
[4] Vaughn J,Cox P,Rodrigue G P,te al.Ferrite phase shifter using stress-insensitive garnet materials[J].IEEE Trans MTT,1995,43:1017-1022.
[5] Temme D H,Dionne F,Cowtnet W E.Lithium ferrites for microwave devices[A].IEEE International Microwave Symposium[C].1971,74-75.
[6] Senior C P.Hexagonal ferrtie materials for phase shifter applications at millimeter wave frequencies[J].IEEE Trans MAG,1988,24:2024-2028.
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