CN102377005B

CN102377005B - 一种电抗调节的t型端口平面集成波导环行器

Info

Publication number: CN102377005B
Application number: CN 201110198239
Authority: CN
Inventors: 陈良; 汪圣稀; 汪晓光; 邓龙江
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2031-07-15
Also published as: CN102377005A

Abstract

一种电抗调节的T型端口平面集成波导环行器，属于微波、毫米波器件技术件领域。包括一个正三角形介质腔、三段平面集成波导、一个中心结旋磁铁氧体；所述三段平面集成波导包括两段弧线形和一段直线形平面集成波导，环行器的三个端口呈T型结构；所述平面集成波导具有感抗性金属化通孔或容抗性金属化空穴。本发明提供的环行器具有T型端口结构，使得整体器件小型化和集成度得到进一步改善；同时由于增加容抗性和感抗性调节孔，消除或部分抵消了中心结输入阻抗的虚数部分，使匹配更加理想，性能得到改善，体积进一步缩小；本发明同时具有隔离性能高、插入损耗低和端口驻波小的特点，能够满足小型化、集成式微波/毫米波通信系统的应用要求。

Description

一种电抗调节的T型端口平面集成波导环行器

技术领域

本发明属于微波、毫米波器件技术件领域，涉及平面集成波导(SIW)环行器。

背景技术

环行器是将进入其任一端口的入射电磁波，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口的多端口器件。由于环行器具有单向(顺时针或逆时针)传输特性，即某一端口的输入信号只能按照顺时针或逆时针方向从下一个端口输出，而其他端口没有输出信号，因此环行器通常也叫做隔离器。

环行器的单向传输特性是由于采用了铁氧体旋磁材料，这种材料在外加高频波场和恒定直流磁场共同作用下，产生旋磁特性(又称张量磁导率特性)。正是这种旋磁特性，使在铁氧体中传播的电磁波发生极化旋转(法拉第效应)，以及电磁波能量强烈吸收(铁磁共振)，正是利用这个旋磁现象，制作出结型隔离器或环行器。它具有体积小、频带宽、插损小等特点，广泛用于各类微波通信系统中。

常见的环行器为三端口器件，具有三个输入或输出端口，三个端口之间互成120度夹角。随着通信收发系统的发展，各种环形器应运而生，小型化的以微带为主，但功率不高；高功率的以波导为主，但不易集成。

对于频率而言，毫米波段具有信息容量大，方向性好，并且在毫米波段的微波器件具有体积小重量轻的优势，成为当今通信领域的发展方向，因此毫米波段的环行器已成为微波通信器件中的一个研究热点。

在各类电子元器件向小型化、集成化方向发展的今天，许多微波、毫米波器件开始采用平面集成波导作为信号传输载体。所谓平面集成波导包括两面沉积金属的介质层，以及连接两面金属层、且相互平行的金属化过孔，由两面金属层和连接两面金属层、且相互平行的金属化过孔形成波导结构，波导谐振腔内部填充物为介质层(同时作为金属层的载体支撑物)。

现有技术中，最具典型意义的一种小型化、可集成的环行器为平面集成波导结构的环行器。平面集成波导环行器是采用平面集成波导作为电磁波传输通道，在平面集成波导的中心位置设置旋磁铁氧体(中心结铁氧体)，并在中心结铁氧体处同时设置一个偏置磁场铁氧体，利用中心结铁氧体和偏置磁场铁氧体的共同作用，为环行器提供旋磁效应(单向传输特性)。

现有的一种平面集成波导环行器结构如图1所示，它采用了传统环行器的Y型中心结结构，其三个端口之间互成120度夹角。该平面集成波导环行器虽然自身体积小，但由于采用Y型中心结结构，在实现波导输入/输出端口与微带线连接时，需要牺牲更大的芯片面积用于增加微带到集成波导的过渡连接，其小型化和集成度有待进一步改善；该平面集成波导环行器无法消除中心结输入阻抗的虚数部分，阻抗匹配不够理想，导致带宽较窄，性能无法提高，体积也无法进一步缩小。

发明内容

本发明提供一种T型端口平面集成波导环行器，该环行器具有镜面对称的结构特点，镜面对称的两个端口相互平行并垂直于第三端口，使得三个端口之间形成T型结构；由于该环行器的三个端口呈T型结构，无需牺牲更大的芯片面积用于增加微带到集成波导的过渡连接，从而使得整体器件小型化和集成度得到进一步改善；镜面对称的两个弧线形SIW上分别引入了感抗性金属化通孔，直线形SIW的对称轴线上内嵌了容抗性金属化孔穴(该孔穴不是通孔，未穿透介质层)；由于在SIW上引入了电抗调节孔，消除或部分抵消了中心结输入阻抗的虚数部分，使得匹配更加良好，性能得到改善；更可减小SIW长度，缩小SIW环形器体积。

本发明技术方案如下：

一种电抗调节的T型端口平面集成波导环行器，如图2所示，具有镜面对称结构；包括一个正三角形介质腔、三段平面集成波导、一个中心结旋磁铁氧体；所述三段平面集成波导包括两段弧线形平面集成波导和一段直线形平面集成波导，三段平面集成波导的三个内部端口分别与正三角形介质腔的三个边相连、另外三个外部端口作为环行器的输入或输出端口；所述三段平面集成波导的三个外部端口形成T型端口结构，即两段弧线形平面集成波导的外部端口相互平行且垂直于直线形平面集成波导的外部端口；所述正三角形介质腔和三段平面集成波导由两面沉积金属层的介质材料整体加工而成，其中三段平面集成波导的侧壁由连接两面金属层的金属化通孔形成；所述中心结旋磁铁氧体的形状为圆柱体，位于正三角形介质腔中心、其两个圆形表面与介质材料两面的金属层平行、且高度不超过介质层厚度；

若弧线形平面集成波导的长度大于直线形平面集成波导的长度，则在两段弧线形平面集成波导中各开出一个感抗性金属化通孔，并在直线形平面集成波导中开出一个容抗性金属化空穴，所述容抗性金属化空穴的高度小于介质层厚度；若弧线形平面集成波导的长度小于直线形平面集成波导的长度，则在两段弧线形平面集成波导中各开出一个容抗性金属化空穴，所述容抗性金属化空穴的高度小于介质层厚度，并在直线形平面集成波导中开出一个感抗性金属化通孔。

上述技术方案所提供的T型端口平面集成波导环行器还可以包括一个偏置磁化铁氧体；所述偏置磁化铁氧体位于所述中心结旋磁铁氧体的正上方或正下方。

本发明提供的T型端口平面集成波导环行器，在具体设计时，应当遵循：

1、设本发明所述环行器中平面集成波导的等效宽边尺寸为a_eff，根据矩形波导基膜TE₁₀的截止频率

和拟设计的环行器中心工作频率f₀(要求f₀＞f_c10)，可以确定平面集成波导的宽边尺寸范围

其中μ是平面集成波导内介质材料的磁导率、ε是平面集成波导内介质材料的介电常数。

2、所述环行器中平面集成波导两排金属化通孔圆心之间的距离a、金属通孔的直径d和相邻两个金属通孔圆心之间的距离p满足有效宽度的经验公式

3、采用介质共振子的理论，按照铁氧体圆盘结模TM₁₁₁共振子，可知中心结旋磁铁氧体应当满足一面为磁壁而另一面为电壁的λ/4开路介质共振模式其中K₀＝2π/λ₀，中心结旋磁铁氧体半径为R、高度为h、介电常数为ε_f。

4、所述两段弧形平面集成波导的弧度为30°，即与正三角形介质腔其中两边分别相连的两段弧形平面集成波导，分别向外转过30°的弧度正好实现两段弧形平面集成波导的外部端口相互平行且垂直于直线型平面集成波导的外部端口(即T型端口结构)

5、为满足本发明所述平面集成波导环行器与微带线之间的匹配连接，在所述平面集成波导环行器三个端口与外部微带线电路之间采用渐变微带线作为过渡连接结构，这里使渐变线的一段嵌入SIW，另一端与外接为带线连接。渐变式微带线的渐变方式为直线渐变或曲线渐变方式。

6、所述环行器中的感抗性金属化通孔，其原理为：通过引入金属化通孔，使SIW的有效宽度发生变化，从而引入电感L。感抗性金属化通孔到SIW金属化通孔的距离可以改变电感L的大小；改变其与中心结负载ZL的相对位置，能得到不同输入阻抗Zin；结合渐变式微带线过渡连接结构和感抗性金属化通孔，可在弧线形SIW较短的尺寸范围内，使输入电阻Rin与传输线Z0一致，输入电抗Xin与通孔产生的电抗L抵消或部分抵消，实现匹配，如图4所示。

7、所述环行器中的容抗性金属化空穴(即孔穴不是通孔，未穿透介质层)，其原理为：通过引入金属化空穴，使SIW的高度发生变化，从而引入电容C。容抗性金属化空穴的高度和半径可以改变电容C的大小；改变其与中心结负载ZL的相对位置，能得到不同输入阻抗Zin；结合渐变式微带线过渡连接结构和感抗性金属化通孔，可在直线形SIW较短的尺寸范围内，使输入电阻Rin与传输线一致Z0，输入电抗Xin与非通孔产生的电抗抵消或部分抵消，实现匹配，如图5所示。

8、电抗性金属化通孔和容抗性金属化空穴的分配原则：一般环形器呈轴对称图形，可以分为两个对称波导和一个在对称轴上的直波导。若直波导较长，则直波导用感抗性金属化通孔进行匹配，对称波导用容抗性金属化非通孔进行匹配；若对称波导较长，则对称波导用感抗性金属化通孔进行匹配，直波导用容抗性金属化非通孔进行匹配。

本发明的有益效果是：

本发明提供的T型端口平面集成波导环行器，由于将环行器三个端口设计成非常紧凑的T端口结构，无需牺牲更大的芯片面积用于增加微带到集成波导的过渡连接，从而使得整体器件小型化和集成度得到进一步改善；同时由于增加容抗性和感抗性调节孔，消除或部分抵消了中心结输入阻抗的虚数部分，使匹配更加理想，性能得到改善；由于电抗匹配的过程中缩短了SIW长度，可进一步减小了SIW环形器的体积。本发明提供的电抗调节的T型端口平面集成波导环行器具有隔离性能高、插入损耗低和端口驻波小的特点，能够满足小型化、集成式微波/毫米波通信系统的应用要求。

附图说明

图1是现有的一种Y型端口平面集成波导环行器结构示意图。

图2是本发明提供的电抗调节的T型端口平面集成波导环行器结构示意图。

图3是平面集成波导结构及几何参数示意图。

图4是感抗性金属化通孔产生的电感与输入阻抗的示意图。

图5是容抗性金属化空穴产生的电容与输入阻抗的示意图。

图6是本发明提供的具有内嵌式过渡连接结构的电抗调节的T型端口平面集成波导环行器结构示意图。

具体实施方式

对比实施方式

一种T型端口平面集成波导环行器，如图2所示，具有镜面对称结构；包括一个正三角形介质腔、三段平面集成波导、一个中心结旋磁铁氧体和一个偏置磁化铁氧体；所述三段平面集成波导包括两段弧线形平面集成波导和一段直线形平面集成波导，三段平面集成波导的三个内部端口分别与正三角形介质腔的三个边相连、另外三个外部端口作为环行器的输入或输出端口；所述三段平面集成波导的三个外部端口形成T型端口结构，即两段弧线形平面集成波导的外部端口相互平行且垂直于直线形平面集成波导的外部端口；所述正三角形介质腔和三段平面集成波导由两面沉积金属层的介质材料整体加工而成，其中三段平面集成波导的侧壁由连接两面金属层的金属化通孔形成；所述中心结旋磁铁氧体的形状为圆柱体，位于正三角形介质腔中心、其两个圆形表面与介质材料两面的金属层平行、且高度不超过介质层厚度；所述偏置磁化铁氧体位于所述中心结旋磁铁氧体的正上方或正下方。

上述T型端口平面集成波导环行器，还包括渐变式微带线过渡连接结构；所述渐变式微带线过渡连接结构一端与环行器的输入或输出端口相连，另一端与环行器的外部微带电路相连；渐变式微带线的渐变方式为直线渐变方式。

针对35.5GHz-36GHz的高频工作频率，设计时使用taconic的TLY-5-0400-C1/C1-12X18型板材(介质为聚四氟乙烯，相对介电常数2.17，板材上下金属铜层的厚为20um，板材厚度为1mm)制作，经过优化仿真最终得到各尺寸参数为：平面集成波导金属化通孔直径d＝0.5mm、孔间距p＝0.6mm、高度h＝1mm；平面集成波导等效宽度a_eff＝5.3mm；正三角形边长6.6mm；中心结旋磁铁氧体采用相对介电常数ε_r＝13.5、饱和磁化强度4πM_s＝5000高斯的YCaV铁氧体材料制作，其半径R为0.88mm、高度为1mm；偏置磁化铁氧体提供的偏置磁场大小为16000A/m；直线渐变式微带线与平面集成波导相连的一端宽为4.1mm、与外部电路微带线相连的一端宽为3.4mm、渐变长度为1.0mm、嵌入深度为0.7mm。

上述T型端口平面集成波导环行器最终尺寸为：8.7mm*9.68mm*1mm，制作完成后采用标准同轴接头和网络矢量分析仪测试其性能，测试结果如下。

在500MHz的工作带宽(35.5GHz～36GHz)上，各参数为：

S11＝-24～-27dB，S22＝-25～-33.5dB，

S21＝-23～-30dB，S12＝-0.15～-0.18dB，

VSWR＝1.1～1.16

满足常规要求(隔离和回波损耗大于20dB)的带宽为1GHz，频率范围为35.4～36.4GHz，各参数为：

S11＝-22.5～-27dB，S22＝-21.5～-33.5dB，

S21＝-20～-30dB，S12＝-0.15～-0.25dB，

VSWR＝1.1～1.18

本发明具体实施方式

一种电抗调节的T型端口平面集成波导环行器，如图6所示，具有镜面对称结构；包括一个正三角形介质腔、三段平面集成波导、一个中心结旋磁铁氧体和一个偏置磁化铁氧体；所述三段平面集成波导包括两段弧线形平面集成波导和一段直线形平面集成波导，三段平面集成波导的三个内部端口分别与正三角形介质腔的三个边相连、另外三个外部端口作为环行器的输入或输出端口；所述三段平面集成波导的三个外部端口形成T型端口结构，即两段弧线形平面集成波导的外部端口相互平行且垂直于直线形平面集成波导的外部端口；所述正三角形介质腔和三段平面集成波导由两面沉积金属层的介质材料整体加工而成，其中三段平面集成波导的侧壁由连接两面金属层的金属化通孔形成；所述中心结旋磁铁氧体的形状为圆柱体，位于正三角形介质腔中心、其两个圆形表面与介质材料两面的金属层平行、且高度不超过介质层厚度；所述偏置磁化铁氧体位于所述中心结旋磁铁氧体的正上方或正下方；由于弧线形平面集成波导的长度大于直线形平面集成波导的长度，则在两段弧线形平面集成波导中各开出一个感抗性金属化通孔，并在直线形平面集成波导中开出一个容抗性金属化空穴，所述容抗性金属化空穴的高度小于介质层厚度。

上述电抗调节的T型端口平面集成波导环行器，还包括过渡连接结构，所述过渡连接结构为内嵌式过渡连接结构，所述内嵌式过渡连接结构为渐变式微带线，渐变式微带线一端与环行器的输入或输出端口相连，另一端与环行器的外部微带电路相连；渐变式微带线的渐变方式为直线渐变或曲线渐变方式。

由于弧线形平面集成波导构成的对称波导，比轴线上的直线形波导长，设计时在对称波导上用感抗性金属化通孔进行匹配，直波导用容抗性金属化非通孔进行匹配。

针对扩展后35GHz-36GHz的高频工作频率，设计时使用taconic的TLY-5-0400-C1/C1-12X18型板材(介质为聚四氟乙烯，相对介电常数2.17，板材上下金属铜层的厚为20um，板材厚度为1mm)制作，经过优化仿真最终得到各尺寸参数为：平面集成波导金属化通孔直径d＝0.5mm、孔间距p＝0.6mm、高度h＝1mm；平面集成波导等效宽度a_eff＝5.3mm；正三角形边长6.6mm；感抗性金属化通孔直径d＝0.5mm，其圆心离平面集成波导通孔圆心的距离为0.6mm，与三角形腔体邻近边的弧度为6度；容抗性金属化空穴直径d＝0.5mm，高度h＝0.5mm，其圆心位于直波导对称轴上，离三角形腔邻近边的距离为0.5mm；中心结旋磁铁氧体采用相对介电常数ε_r＝13.5、饱和磁化强度4πM_s＝5000高斯的YCaV铁氧体材料制作，其半径R为0.88mm、高度为1mm；偏置磁化铁氧体提供的偏置磁场大小为16000A/m；直线渐变式微带线与平面集成波导相连的一端宽为4.1mm、与外部电路微带线相连的一端宽为3.4mm、渐变长度为1.0mm、嵌入深度为0.7mm。最终结构如图6所示。

上述电抗调节的T型端口平面集成波导环行器最终尺寸为：7.6mm*7.9mm*1mm，该尺寸和同波段的微带环形器相当，制作完成后采用标准同轴接头和网络矢量分析仪测试其性能，测试结果如下。

在1GHz的工作带宽(34.8GHz～36GHz)上，各参数为：

S11＝-25～-38dB，S22＝-26～-40.5dB，

S21＝-25.5～-33dB，S12＝-0.15～-0.18dB，

VSWR＝1.05～1.16

满足常规要求(隔离和回波损耗大于20dB)的带宽约为2GHz，频率范围为34.4～36.4GHz，各参数为：

S11＝-20.5～-38dB，S22＝-21～-40.5dB，

S21＝-21～-33dB，S12＝-0.15～-0.24dB，

VSWR＝1.05～1.2

对比加电抗前后的结果发现，通过金属化孔的电抗调节后，SIW环行器的性能提高、带宽拓宽1倍左右、体积缩小，证实了这种调节方式的可行。

Claims

1.一种电抗调节的T型端口平面集成波导环行器，具有沿直线型平面集成波导对称的镜面对称结构；包括一个正三角形介质腔、三段平面集成波导、一个中心结旋磁铁氧体；所述三段平面集成波导包括两段弧线形平面集成波导和一段直线形平面集成波导，三段平面集成波导的三个内部端口分别与正三角形介质腔的三个边相连、另外三个外部端口作为环行器的输入或输出端口；所述三段平面集成波导的三个外部端口形成T型端口结构，即两段弧线形平面集成波导的外部端口相互平行且垂直于直线形平面集成波导的外部端口；所述正三角形介质腔和三段平面集成波导由两面沉积金属层的介质材料整体加工而成，其中三段平面集成波导的侧壁由连接两面金属层的金属化通孔形成；所述中心结旋磁铁氧体的形状为圆柱体，位于正三角形介质腔中心、其两个圆形表面与介质材料两面的金属层平行、且高度不超过介质层厚度；

2.根据权利要求1所述电抗调节的T型端口平面集成波导环行器，其特征在于，所述T型端口平面集成波导环行器还包括一个偏置磁化铁氧体；所述偏置磁化铁氧体位于所述中心结旋磁铁氧体的正上方或正下方。

3.根据权利要求1所述电抗调节的的T型端口平面集成波导环行器，其特征在于，所述三段平面集成波导的等效宽边尺寸

4.根据权利要求1或3所述电抗调节的的T型端口平面集成波导环行器，其特征在于，所述环行器中平面集成波导两排金属化通孔圆心之间的距离a、金属通孔的直径d和相邻两个金属通孔圆心之间的距离p满足有效宽度的经验公式

5.根据权利要求1所述电抗调节的的T型端口平面集成波导环行器，其特征在于，所述中心结旋磁铁氧体满足一面为磁壁而另一面为电壁的λ/4开路介质共振模式

其中K₀=2π/λ₀，中心结旋磁铁氧体半径为R、高度为h、介电常数为ε_f。

6.根据权利要求1所述电抗调节的的T型端口平面集成波导环行器，其特征在于，所述电抗调节的T型端口平面集成波导环行器还包括渐变式微带线过渡连接结构；所述渐变式微带线过渡连接结构一端与环行器的输入或输出端口相连，另一端与环行器的外部微带电路相连；渐变式微带线的渐变方式为直线渐变或曲线渐变方式。