CN102629705A - 一种c波段大功率环形器及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种C波段大功率环形器及其制作工艺，其工艺包括装配旋磁片、旋磁片装配高度检验、装配中心导体、装配永磁体、测试/调试、固化六个步骤。本发明提供一种C波段大功率环形器及其制作工艺，解决了非线性效应和大功率下打火、击穿等问题，采用低场设计，生产工艺简单，有利于批量生产，具有外形轻小，方便安装，易于加工，装配的一致性和可靠性，功率容量高，工作温度范围宽（－40～＋70℃），温度性能好，降低了成本等优点。

Description

一种C波段大功率环形器及其制作工艺

技术领域

本发明涉及一种C波段大功率环形器及其制作工艺。

背景技术

环形器是将进入其任一端口的入射波，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，环形器的类型有多种，按工作原理分为结型环形器、法拉第旋转式环形器、差相移式环形器等。相对其它环形器，结型环形器可兼顾小体积与大功率的要求，还具有损耗小，频带宽，技术比较成熟等优点。结型环形器按参数又分为集中参数式和分布参数式。集中参数仅适用于微波低频段(P波段)。分布参数带线型环形器能满足C波段需求，这类环形器按工作类别又可分为高场和低场，高场意味着使用的直流偏置场高于共振吸收所需的磁场；低场意味着使用的直流偏置场低于共振吸收所需的磁场。图4是铁氧体损耗和磁场关系示意图，从图4可以看出，环形器磁场有三种工作区，分别是：低场区、共振吸收区、高场区。共振吸收区仅适用于一些共振吸收式器件，如共振吸收式隔离器，而环形器通常都工作在低场区或者高场区。确定选用高场或者低场，主要由下列因素决定：

(1)工作频率范围；

(2)体积能否满足要求(随着工作频率的降低，要求的体积越大)；

(3)功率因素，有利于散热，有利于克服峰值功率引起的非线性效应。

非线性效应的产生来源于自旋波的不稳定激发，当通过环形器的微波场(h)高于激发自旋波的临界场(h_C)，即h＞h_C时，则会出现铁磁共振的非线性效应。图5为非线性效应示意图，图5中实线为常规铁氧体损耗与磁场关系曲线，虚线和点划线为出现非线性效应后的铁氧体损耗与磁场关系曲线。此时整个低场区，不仅损耗增大，而且出现一副峰，并使主峰变宽，峰值减小。

高场环形器设计：由于工作内场的归一化值σ＞1，即在磁共振场以上工作，所以只适用于较低微波频率下工作，例如L波段以下，若超过此频率，由于工作磁场太大，器件体积变大反而变得不实用。

低场环形器设计：低场环形器的工作磁场远低于谐振场，尽管外磁场较强致使材料趋近于饱和下工作，但由于退磁场的作用内场接近于零，故在设计时可令σ＝0，而归一化磁距P＝k/u。

基于以上所述，在微波低频段(L波段以下)，选用高场区有利；在微波高频段(S波段以上)，选用低场区有利。本发明环形器工作频率位于C波段，在微波高频段(S波段以上)，因此选用低场设计方案。

发明内容

本发明的目的即在于克服现有技术的不足，提供一种C波段大功率环形器及其制作工艺，解决了非线性效应和大功率下打火、击穿等问题，采用低场设计，生产工艺简单，有利于批量生产，具有外形轻小，方便安装，易于加工，装配的一致性和可靠性，功率容量高，工作温度范围宽(-40～+70℃)，温度性能好，降低了成本等优点。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种C波段大功率环形器，它由腔体、磁路板、永磁体、中心导体、铁氧体旋磁片和盖板组成，腔体四周分别设置一块磁路板，形成一个闭合磁路，盖板紧固安装于腔体上，腔体由结构对称的上、下两个腔体组成，上、下腔体相连处设有中心导体，上、下腔体内从外到内均依次设有永磁体、接地片和铁氧体旋磁片，上、下腔体内的两片铁氧体旋磁片分别外夹于中心导体两侧，腔体内铁氧体旋磁片顶部与腔体顶部边缘之间设有中心导体过渡段，中心导体过渡段包覆于中心导体外，中心导体过渡段内填充有一层或多层介质。

所述的磁路板为L型磁路板；所述的介质为聚四氟乙烯介质。

一种C波段大功率环形器制作工艺，它包括以下装配旋磁片、旋磁片装配高度检验、装配中心导体、装配永磁体、测试/调试、固化六个步骤；

S1：装配旋磁片：首先将检验合格的铁氧体旋磁片、接地片按从内到外的顺序分别装配，装配完成后通过介质进行定位固定，定位固定后用介质环固定后分别放入上、下腔体的旋磁孔内；

S2：旋磁片装配高度检验：检测上、下腔体的不平度是否控制在0.02mm内，检测两边腔体的最高点高度减去铁氧体旋磁片高度相加所得的值是否比中心导体的厚度值小0.02～0.03mm；

S3：装配中心导体：将检验合格的中心导体装配于上、下腔体的两片铁氧体旋磁片之间；

S4：装配永磁体：将检验合格的永磁体分别连接装配于上、下腔体内的接地片上；

S5：测试/调试：测试环形器的至少包括插入损耗、反向隔离、电压驻波比在内的三个内控指标，判断是否符合指标需求，并针对测试达不到内控指标要求的产品进行原因分析，若返工率达到设定值，则停止生产，待找到具体原因和解决方法后才恢复生产；

S6：固化：采用室温硫化型硅橡胶作为粘接物质，把检验合格的永磁体粘接于腔体内，粘接前首先用高纯度的无水酒精仔细清洗永磁体和腔体的粘接面，其次，在二者的粘接面上均匀的涂抹上硅橡胶，再次，把二者贴合起来，并稍稍施加压力，最后，放置120分钟以上。

一种C波段大功率环形器制作工艺，它还包括筛选、质量一致性检验、包装入库步骤。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供一种C波段大功率环形器及其制作工艺，具有功率容量高，工作温度范围宽(-40～+70℃)，温度性能好，采用低场设计，生产工艺简单，有利于批量生产，降低了成本等优点；

(2)本发明提供一种C波段大功率环形器及其制作工艺，为了避免环形器在大功率下产生功率泄露，在环形器磁路屏蔽的设计上，环形器上、下及四周加上导磁率很高的纯铁片Q235材料，使磁性干扰的影响降低到最小，与此同时，各零件接触紧密，接地良好；

(3)本发明提供一种C波段大功率环形器及其制作工艺，填充介质采用开模冲压，以固定铁氧体旋磁片在腔体孔的中心，以保证较好的同轴度，同时也保证了铁氧体旋磁片与填充介质之间无缝隙，防止中心导体和铁氧体旋磁片的接触面处与内腔体壁产生压降，对其打火；

(4)本发明提供一种C波段大功率环形器及其制作工艺，选用内禀矫顽力高，温度性能优良的偏置磁场，并对中心导体进行改进，使得无需对中心导体进行调试；

(5)本发明提供一种C波段大功率环形器及其制作工艺，在装配过程中采用专用定位工装，消除了人为因素造成的偏差，保证装配的一致性，测试过程中若发现返工率达到设定值，则停止生产，将不合格率降到最低。

附图说明

图1为本发明的俯视局部剖视图；

图2为本发明的侧视剖视图；

图3为本发明的流程图；

图4为铁氧体损耗和磁场关系示意图；

图5为非线性效应示意图；

图中，1-腔体，2-磁路板，3-永磁体，4-中心导体，5-铁氧体旋磁片，6-盖板，7-接地片，8-中心导体过渡段，9-介质，10-上腔体，11-下腔体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1、图2所示，一种C波段大功率环形器，它由腔体1、磁路板2、永磁体3、中心导体4、铁氧体旋磁片5和盖板6组成，腔体1四周分别设置一块磁路板2，形成一个闭合磁路，盖板6紧固安装于腔体1上，腔体1由结构对称的上、下两个腔体组成，上、下腔体相连处设有中心导体4，上、下腔体内从外到内均依次设有永磁体3、接地片7和铁氧体旋磁片5，上、下腔体内的两片铁氧体旋磁片5分别外夹于中心导体4两侧，腔体1内铁氧体旋磁片5顶部与腔体1顶部边缘之间设有中心导体过渡段8，中心导体过渡段8包覆于中心导体4外，中心导体过渡段8内填充有一层或多层介质9，所述的磁路板2为L型磁路板，所述的介质9为聚四氟乙烯介质。

如图3所示，一种C波段大功率环形器制作工艺，它包括以下装配旋磁片、旋磁片装配高度检验、装配中心导体、装配永磁体、测试/调试、固化六个步骤；

S1：装配旋磁片：首先将检验合格的铁氧体旋磁片、接地片按从内到外的顺序分别装配，装配完成后通过介质进行定位固定，定位固定后用介质环固定后分别放入上、下腔体的旋磁孔内，保证了上、下旋磁片的同轴度及可靠性；

S2：旋磁片装配高度检验：检测上、下腔体的不平度是否控制在0.02mm内，检测两边腔体的最高点高度减去铁氧体旋磁片高度相加所得的值是否比中心导体的厚度值小0.02～0.03mm，以保证在装配时不会出现铁氧体旋磁片有压碎、裂现象，如果以上两点尺寸偏差过大，不仅增加测试/调试工作量，且会影响电性能指标，本发明采用了自制的百分表工装来进行测量，保证装配尺寸满足工艺要求，在装配时保证腔体中铁氧体旋磁片孔和铁氧体旋磁片的干净，无杂物；

S3：装配中心导体：将检验合格的中心导体装配于上、下腔体的两片铁氧体旋磁片之间；

S4：装配永磁体：将检验合格的永磁体分别连接装配于上、下腔体内的接地片上；

S5：测试/调试：测试环形器的至少包括插入损耗、反向隔离、电压驻波比在内的三个内控指标，内控指标要求：插入损耗≤0.27dB，反向隔离≥22dB，电压驻波比≤1.17，判断是否符合指标需求，并针对测试达不到内控指标要求的产品进行原因分析，若返工率达到设定值，则停止生产，待找到具体原因和解决方法后才恢复生产；

S6：固化：采用室温硫化型硅橡胶作为粘接物质，把检验合格的永磁体粘接于腔体内，粘接前首先用高纯度的无水酒精仔细清洗永磁体和腔体的粘接面，其次，在二者的粘接面上均匀的涂抹上硅橡胶，再次，把二者贴合起来，并稍稍施加压力，最后，放置120分钟以上。

一种C波段大功率环形器制作工艺，它还包括筛选、质量一致性检验、包装入库步骤。

一、技术指标实现

技术指标的实现主要是铁氧体旋磁片的性能所决定的。铁氧体旋磁片即要保证电气性能指标，又要保证承受大功率。所以铁氧体旋磁片要选择大功率系列，同时在铁氧体旋磁片上采用单面镀银工艺，以保证其良好的接地性。

环形器在微波集成电路中会对周围磁敏感元器件产生影响；同时外部磁场也会对环形器产生影响。另外为达到环形器所需的偏置磁场，必须提高环形器磁路效率，减少磁泄漏。环形器磁屏蔽设计是在环形器腔体的上下及四周都加上导磁率很高的纯铁片Q235材料，来形成一个闭合磁路，尽可能使永磁体能量集中在环形器内部。另外环形器各零件间一定要有良好、紧密的接触，接地要良好。

二、材料选用

环形器所采用的材料应符合GJB 1065A-2004的规定。主要有以下材料：

(1)铁氧体旋磁片选用大功率牌号。并且单面镀银，以保证大功率下的插入损耗小，环形器发热最小化；

(2)环形器铝结构腔体导电氧化，其余壳体镀镍铬处理；

(3)永磁体选用内禀矫顽力较好的Y系列材料。

三、工艺实现

(1)采用介质开模，以固定旋磁片位置在腔体旋磁片孔的中心；

(2)设计、加工相关的工装、夹具保证三端口的对称性和一致性，比如中心导体定位工装，以保证中心导体的位置装正。

四、环境适应性

选用内禀矫顽力较好的Y系列材料永磁体，并且采用双面磁体，保障偏置磁场的均匀性，同时适应环境要求。腔体导电氧化，磁路板、盖板镀铬，提高了产品的防腐蚀能力。

五、可靠性

这种结构的环形器，主要零件为腔体、盖板及磁路片，机械加工方便。内部零件都进行固定，能够经受冲击、振动等机械试验。腔体导电氧化，磁路板、盖板镀铬，提高了产品的防腐蚀能力。

六、解决非线性效应问题

在交付用户初样之前，为了使环形器兼顾常温、低温、高温性能指标，选用了饱和磁矩为1200Gs的旋磁圆片，装配、调试环形器6只，全部合格。随机抽取3只进行三温、功率摸底，测试数据见表1：

表1三温、功率摸底数据(4πMs：1200Gs)

从表1可以看出，在做功率测试时功率下插入损耗指标变化较大，这是由非线性效应所导致的。为了提高环形器承受高峰值功率能力主要进行以下改进：

选取饱和磁矩较低的铁氧体旋磁片，用于提高产生非线性效应临界场h_c。参照微波铁氧体器件理论，低场工作的环形器的P值一般为0.5～0.8，对于大功率器件，P值可取0.5～0.6，旋磁片饱和磁矩4πMs选择1000-1200Gs之间。当时P值选择为0.6，即铁氧体旋磁片饱和磁矩4πMs选择为1200Gs。现选用饱和磁矩为1000Gs的旋磁片，重新装配、调试环形器6只，全部合格。随机抽取3只进行三温、功率摸底，记录数据，测试数据见表2：

表2三温、功率摸底数据(4πMs：1000Gs)

通过以上试验以及三温、功率下的测试数据的对比，可以判定选用饱和磁矩4πMs为1000Gs的旋磁片为优选方案。

七、解决大功率下打火、击穿问题

针对环形器在大功率下对铁氧体旋磁片或者对地打火、击穿的问题，依据以往做大功率器件的经验，主要运用以下解决方案：一是中心导体改进，三个端口以及与大Y连接处部分倒圆角。同时电镀之前要求把中心导体因切割产生的毛刺去干净。二是中心导体50Ω过渡段填充聚四氟乙烯介质，用于防止50Ω过渡段打火烧毁中心导体，根据有关文献报道，1毫米厚度的聚四氟乙烯介质可耐压4000V以上。

八、关于质量控制问题

(1)在来料检验时，严格按照图纸要求和相关的检验规范进行检验；

(2)加工高精度的工装、夹具，以保证批量的一致性；

(3)制定环形器生产上的工艺文件，严格按照工艺文件进行生产；

(4)在基于完成以上三点的基础上，改进、完善中心导体。

对生产出来的产品进行测试，得出本发明产品具有全性能的优势，即指标全面，并且要求高，特别突出的优势有以下几点：

(1)功率容量高；

(2)工作温度范围宽(-40～+70℃)，温度性能好；

(3)低场设计，生产工艺简单，有利于批量生产，降低成本。

本发明产品主要技术指标与企军标规定指标的对比如下表3所示：

表3本发明主要技术指标与企军标规定指标对比

九、环形器大功率对策

在高峰值功率激发下，器件将产生非线性效应以及打火、击穿等问题。

非线性效应的产生，主要是高峰值功率下，旋磁片自旋波的不稳定激发。当通过环形器的微波场(h)高于激发自旋波的临界场(h_c)，即h＞h_c时，

可见，提高环形器承受高峰值功率能力主要有以下两种方法：

(1)提高铁氧体旋磁片自旋波线宽ΔHK，常用的方法是在铁氧体旋磁材料中加入快速驰豫离子来提高ΔHK，大大抑制了自旋波非线性增长，提高了铁氧体旋磁材料临界场h_c，从而提高器件耐峰值功率能力，但同时也使材料的谐振线宽ΔH增大，从而造成器件插入损耗增加，所以设计时应进行折中考虑；

(2)降低旋磁片饱和磁矩4πMs来抑制非线性效应的产生。参照微波铁氧体器件理论，低场工作的环形器的P值一般为0.5～0.8，对于大功率环形器，P值可取0.5～0.6，旋磁片饱和磁矩4πMs选择1000-1200Gs之间。

十、大功率条件下损耗小

环形器的插入损耗主要包括：反射损耗；传输损耗；介电损耗；磁损耗等。我们的设计从各个方面考虑，千方百计减小损耗。下面分别叙述：

(1)反射损耗(反射损耗主要由输入、输出端驻波引起功率反射而产生的损耗)：

$p_{\mathrm{ref}1}=p_{\mathrm{in}}*p^2=p_{\mathrm{in}}*{\left(\frac{\mathrm{VSWR}-1}{\mathrm{VSWR}+1}\right)}^2$

当驻波VSWR＝1.2时，P_ref1引起的损耗为0.036dB；当驻波VSWR＝1.10时，P_ref1引起的损耗为0.01dB。所以，降低驻波对减小损耗是有益的；

(2)传输损耗(传输损耗主要包括微带线损耗和腔体谐振损耗)：

微带线是传输微波能量的主导线，我们选用δ为0.3的铍氰铜，表面镀银再导金(EP.Ag/Au)，既有强度、又有好的导电性能；

腔体谐振损耗可从下式看出：

$I_L=10\lg (1-\frac{Q_e}{Q_L})$

Q_e是有载品质因数，Q_L是无载品质因数；

为了得到小的Q_e，选磁片半径R应小，厚度d应大。Q_L的增大，我们是通过提高内腔光洁度和旋磁片光洁度来实现的；

(3)介电损耗：介电损耗依赖于旋磁片的损耗角正切tgδ。国内一般水平为3～5×10-4，本次我们尽量要求旋磁片达到2×10^-4；

(4)磁损耗：磁损耗是由材料自身的铁磁谐振和畴壁存在引起的自然共振而产生的。它的大小主要取决于材料品质和参数。例如有效线宽ΔH_e，愈小愈好。

通过以前的经验和实践证明以上措施对减小损耗非常有效。

Claims (5)

1.一种C波段大功率环形器，其特征在于：它由腔体（1）、磁路板（2）、永磁体（3）、中心导体（4）、铁氧体旋磁片（5）和盖板（6）组成，腔体（1）四周分别设置一块磁路板（2），形成一个闭合磁路，盖板（6）紧固安装于腔体（1）上，腔体（1）由结构对称的上、下两个腔体组成，上、下腔体相连处设有中心导体（4），上、下腔体内从外到内均依次设有永磁体（3）、接地片（7）和铁氧体旋磁片（5），上、下腔体内的两片铁氧体旋磁片（5）分别外夹于中心导体（4）两侧，腔体（1）内铁氧体旋磁片（5）顶部与腔体（1）顶部边缘之间设有中心导体过渡段（8），中心导体过渡段（8）包覆于中心导体（4）外，中心导体过渡段（8）内填充有一层或多层介质（9）。

2.根据权利要求1所述的一种C波段大功率环形器，其特征在于：所述的磁路板（2）为L型磁路板。

3.根据权利要求1所述的一种C波段大功率环形器，其特征在于：所述的介质（9）为聚四氟乙烯介质。

4.一种C波段大功率环形器制作工艺，其特征在于：它包括以下装配旋磁片、旋磁片装配高度检验、装配中心导体、装配永磁体、测试/调试、固化六个步骤；

S1：装配旋磁片：首先将检验合格的铁氧体旋磁片、接地片按从内到外的顺序分别装配，装配完成后通过介质进行定位固定，定位固定后用介质环固定后分别放入上、下腔体的旋磁孔内；

S2：旋磁片装配高度检验：检测上、下腔体的不平度是否控制在0.02mm内，检测两边腔体的最高点高度减去铁氧体旋磁片高度相加所得的值是否比中心导体的厚度值小0.02～0.03mm；

S3：装配中心导体：将检验合格的中心导体装配于上、下腔体的两片铁氧体旋磁片之间；

S4：装配永磁体：将检验合格的永磁体分别连接装配于上、下腔体内的接地片上；

S5：测试/调试：测试环形器的至少包括插入损耗、反向隔离、电压驻波比在内的三个内控指标，判断是否符合指标需求，并针对测试达不到内控指标要求的产品进行原因分析，若返工率达到设定值，则停止生产，待找到具体原因和解决方法后才恢复生产；

S6：固化：采用室温硫化型硅橡胶作为粘接物质，把检验合格的永磁体粘接于腔体内，粘接前首先用高纯度的无水酒精仔细清洗永磁体和腔体的粘接面，其次，在二者的粘接面上均匀的涂抹上硅橡胶，再次，把二者贴合起来，并稍稍施加压力，最后，放置120分钟以上。

5.根据权利要求4所述的一种C波段大功率环形器制作工艺，其特征在于：它还包括筛选、质量一致性检验、包装入库步骤。

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