CN102544664A

CN102544664A - 一种小型化s波段微带铁氧体环行器

Info

Publication number: CN102544664A
Application number: CN2012100105729A
Authority: CN
Inventors: 彭龙; 朱兴华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-01-14
Filing date: 2012-01-14
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种小型化S波段微带铁氧体环行器，属于微波技术中的铁氧体器件领域。该环行器包括金属接地层、旋磁铁氧体基片、中心结、三个大Y臂及三个小Y臂。三个大Y臂和三个小Y臂依次相间隔开，并且三个大Y臂和三个小Y臂分别以中心结的圆心为对称中心，互成120°夹角分布于旋磁铁氧体基片的上表面。大Y臂由两节阻抗不同的微带分支构成，远离中心结的微带分支可以与外接端口连接进行馈电。小Y臂由多支条带并排构成，条带数目可调。本发明采用新型双Y结结构进行设计，突破了现有微带铁氧体环行器的结构缺点和设计缺点，改善了阻抗匹配，且频率特性易调；结构紧凑，整体尺寸降低，集成度提高，满足了微带环行器的小型化需求。

Description

一种小型化S波段微带铁氧体环行器

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种小型化S波段微带铁氧体环行器。

背景技术

铁氧体环行器是一种多端口的微波无源器件，电磁波在其内按照一定的环行方向传输，反方向则被隔离，是航空、航天、通信等领域不可缺少的特种器件。在地面雷达、机载和弹载雷达、电子战、防空导弹武器及移动通信基站等系统和设备里，铁氧体环行器可以作为混合集成电路的独立单元使用，起着双工作用及改善系统匹配的作用。微带铁氧体环行器由于具有小型化、轻量化、生产成本低、生产周期短、可靠性高及性能好等优点，较好地适应了当前微波系统向小型化和高集成度方向发展的要求，逐渐成为微波环行器的研究热点。由于微带铁氧体环行器的承受功率为中小功率，因此主要应用于微波通信领域，工作频率则主要集中在S、C、X及Ku等波段。目前，常用的微带铁氧体环行器主要为全磁基片式结构。该环行器的中心导体结和与之耦合和匹配的微带传输线位于同一铁氧体基片上，在阻抗匹配的设计上缺乏灵活性；采用单Y结或双Y结等结构进行耦合和匹配，受到铁氧体基片相对介电常数的限制，整体尺寸较大；结构设计较为简单，器件的频率特性不易调整。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构紧凑、尺寸小、性能可靠、频率特性易调的新型S波段微带铁氧体环行器，突破单Y结及双Y结微带铁氧体环行器的结构缺点和设计缺点，提高器件的集成度。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种小型化S波段微带铁氧体环行器，如图1和图2所示，包括金属接地层1、旋磁铁氧体基片2、中心结3、第一大Y臂4、第二大Y臂5、第三大Y臂6、第一小Y臂7、第二小Y臂8、第三小Y臂9。金属接地层1位于旋磁铁氧体基片2的下表面。中心结3、第一大Y臂4、第二大Y臂5、第三大Y臂6、第一小Y臂7、第二小Y臂8及第三小Y臂9都位于旋磁铁氧体基片2的上表面。三个大Y臂及三个小Y臂都与中心结形成连接。

上述方案中，所述旋磁铁氧体基片2的平面形状为矩形，其材料性能参数由环行器的性能指标及尺寸参数决定。

上述方案中，所述中心结3的平面形状为圆形，其圆心位于旋磁铁氧体基片2的中心位置。

上述方案中，所述三个大Y臂和三个小Y臂依次相间隔开，并且三个大Y臂和三个小Y臂分别以中心结3的圆心为对称中心，互成120°夹角分布于旋磁铁氧体基片2的上表面。

上述方案中，所述第一大Y臂4、第二大Y臂5及第三大Y臂6的形状和尺寸相同。每个大Y臂都由两节微带分支构成，其阻抗大小不同，其中远离中心结的微带分支可以与外接端口连接进行馈电。

上述方案中，所述第一小Y臂7、第二小Y臂8及第三小Y臂9都由多支条带并排构成，数目可以调整。三个小Y臂具有相同数目的条带分支，对应条带的形状和尺寸相同。

上述方案中，所述金属接地层1、中心结3、第一大Y臂4、第二大Y臂5、第三大Y臂6、第一小Y臂7、第二小Y臂8及第三小Y臂9采用金、银或铜，各部分的尺寸由该环行器的性能及尺寸要求决定。

本发明采用新型双Y结结构进行耦合和匹配，由于大Y臂微带分支的形状和尺寸、小Y臂条带分支的数目、形状及尺寸容易调整，并且获得相应阻抗的可调范围大，因此经过适当的调整就可以方便地移动环行器的反射和隔离度峰值点，改善其频率特性，为环行器的设计提供了极大便利；结构更加紧凑，中心结半径、大Y臂的整体长度及小Y臂的整体长度都明显降低，提高了集成度，基片的平面尺寸可以降到单Y结和双Y结结构的50％以下，适应了微带环行器的小型化需求。

附图说明

图1是本发明所述小型化S波段微带铁氧体环行器的结构示意图。

图2是本发明所述小型化S波段微带铁氧体环行器的俯视图。

图3是本发明所述小型化S波段微带铁氧体环行器的幅频特性仿真结果。

图4是本发明所述小型化S波段微带铁氧体环行器的幅频特性测试结果。

图5是本发明所述小型化S波段微带铁氧体环行器的驻波比与频率之间的关系。

具体实施方式

下面结合附图和一种实施方式，对本发明作进一步的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此。

如图3至图5所示，本发明的实施方式提供小型化S波段微带铁氧体环行器的工作中心频率为3.55GHz，带宽达到200MHz，中心频率处的反射和隔离度优于35dB，插入损耗低于0.5dB，驻波比小于1.1。该环行器采用目前已成熟的微带薄膜工艺技术进行制作。

如图1和图2所示，本发明提供一种小型化S波段微带铁氧体环行器。

旋磁铁氧体基片2的饱和磁化强度为600Gs，相对介电常数为13.3，损耗角正切为2×10^-4，其长度、宽度和高度分别为15mm、13mm和1mm。

旋磁铁氧体基片2的上表面先后采用磁控溅射技术和电镀技术制备8～10um厚的金属导体层，然后采用光刻技术制作中心结、三个大Y臂及三个小Y臂，精度达到10um以内。中心结的圆心位于基片中心，其半径为3.0mm。三个大Y臂以中心结的圆心为对称中心互成120°夹角，第一节微带分支连接中心结，其两个边缘线之间的夹角为120°，外弧半径为5.5mm，弧长为6.8mm；第二微带分支远离中心结，其宽度为1.0mm，中心线长度为2.0mm，可与外接端口连接进行馈电。三个小Y臂以中心结的圆心为对称中心互成120°夹角，每个小Y臂有7个条带分支数，条带分支的宽度为0.3mm，中心线长度为2.5mm，条带分支之间的距离为0.2mm。

旋磁铁氧体基片的下表面先后采用磁控溅射技术和电镀技术制备厚度为100μm的金属接地层1。

上述各部分的尺寸和材料的性能参数通过导纳斜率法进行计算获得初值，然后采用三维电磁仿真软件HFSS建立器件模型并进行仿真实验，经过参数优化后获得最终值。器件的频率特性采用Agilent公司的E5071B型矢量网络分析仪进行测试，并对外加偏置磁场进行调试。器件的反射S11、隔离度S21和插入损耗S31的仿真结果如图3所示，测试结果如图4所示。图5为驻波比VSWR仿真结果和测试结果。在工作带宽内，器件的仿真结果和测试结果非常一致，满足设计要求。

Claims

1.一种小型化S波段微带铁氧体环行器，包括：金属接地层1、旋磁铁氧体基片2、中心结3、第一大Y臂4、第二大Y臂5、第三大Y臂6、第一小Y臂7、第二小Y臂8、第三小Y臂9；金属接地层位于旋磁铁氧体基片的下表面；中心结、三个大Y臂及三个小Y臂都位于旋磁铁氧体基片的上表面；所有大Y臂和小Y臂都与中心结形成连接。

2.根据权利要求1所述的小型化S波段微带铁氧体环行器，其特征在于，所述第一大Y臂4、第二大Y臂5及第三大Y臂6的形状和尺寸相同，每个大Y臂都由两节微带分支构成，其阻抗大小不同，其中远离中心结的微带分支可以与外接端口连接进行馈电。

3.根据权利要求1所述的小型化S波段微带铁氧体环行器，其特征在于，所述第一小Y臂7、第二小Y臂8及第三小Y臂9都由多支条带并排构成，数目可以调整；三个小Y臂具有相同数目的条带分支，对应条带的形状和尺寸相同。

4.根据权利要求1所述的小型化S波段微带铁氧体环行器，其特征在于，所述三个大Y臂和三个小Y臂依次相间隔开，并且三个大Y臂和三个小Y臂分别以中心结的圆心为对称中心，互成120°夹角分布于旋磁铁氧体基片2的上表面。

5. 根据权利要求1所述的小型化S波段微带铁氧体环行器，其特征在于，所述金属接地层、中心结、三个大Y臂和三个小Y臂的材料为金、银或铜，采用微带薄膜工艺技术进行制备；先采用磁控溅射技术和电镀技术在旋磁铁氧体基片的上表面制备8～10um厚的金属导体层，然后采用光刻技术进行加工，精度达到10um以内；最后在旋磁铁氧体基片的下表面采用磁控溅射技术和电镀技术制备厚度为100μm的金属接地层。

6.根据权利要求1所述的小型化S波段微带铁氧体环行器，其特征在于，所述大Y臂微带分支的形状和尺寸、小Y臂条带分支的形状、尺寸和数目灵活易调，并且获得相应阻抗的可调范围大，器件的频率特性容易调整和改善；中心结、大Y臂的整体长度及小Y臂的整体长度可以显著降低。