CN103094651A - 基片集成波导环行器 - Google Patents
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Abstract
基片集成波导环行器，属于微波器件技术领域。本发明在双面覆有金属层的介质基板上，设置有三个互成120°角的基片集成波导结构及中心铁氧体柱，基片集成波导由金属化通孔排列构成，其特征在于，在介质基板的上表面，三个波导内设置有微带匹配线，第一波导和第二波导的内嵌微带匹配线连接有50欧姆标准微带线，50欧姆标准微带线的端口垂直于基板的边缘；三个波导宽度s相同，5.9mm<s<8.9mm，金属化通孔的孔间距为p，p/d≤2，d为金属化通孔的直径。本发明比现有微带结环行器功率容量大，插入损耗低。
Description
技术领域
本发明属于微波器件技术领域。
背景技术
二十世纪四十年代中后期，微波铁氧体器件就开始登上历史舞台，但这类器件85%以上都作为军品，需求有限。到了二十世纪九十年代，微波铁氧体器件的应用迅速扩展到民用通讯、能源技术、工农医等领域，并逐渐在卫星通信、微波通信、微波能应用、医疗、微波测量技术等多种电子设备中起着特殊的作用，需求日益增加。随着通讯事业的发展，微波通讯等设备的整机朝着集成化方向发展，微波铁氧体器件，如环行器、隔离器等也必须顺应整机发展方向发展。例如，相控阵雷达在其雷达阵列中所需的移相器、环行器至少要有几百上千的数量，而有的雷达中其数量多达万计，因此其整机的体积大小将受铁氧体器件的大小限制。因此，环行器的小型化、集成化成为一种发展趋势。
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide简称SIW)是一种新型的波导结构，它源于矩形波导和微带线，具有低成本、低损耗、高Q值和可高密度集成于微波毫米波电路及其子系统的优点。基片集成波导技术发展迅猛，其产品有基片集成波导滤波器、基片集成波导 定向耦合器、基片集成波导—微带线转接器等无源器件。基片集成波导已逐渐成为微波传输线及器件的一个重要发展方向。
铁氧体微波器件是利用微波在铁氧体媒质中的非互易传播效应设计制成的。环行器是最常用的微波铁氧体器件之一，是一种具有定向传输的特点非互易性器件。环行器的种类很多，常用的有传统的矩形波导结环形器，随着微带线的发展，也产生了微带结环行器。传统的矩形波导结环行器具有高品质因数、低损耗、温度特性好、高功率容量等优点，但它们体积大、加工工艺和调试过程复杂、系统造价昂贵、维护困难。平面结构的微带环行器体积小、重量轻、易集成、造价低，但电路中电磁波的泄漏和辐射比较严重，电路的插入损耗大、Q值比较低、最不足的是功率较小，不能满足需求。基于前面所述的两种环行器存在的的优点和缺点，本发明基片集成波导环行器结合了前面两种环行器的优点，克服了他们存在的缺点，本发明基片集成波导环行器具有体积小、功率大、损耗低、易集成、造价低等优点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种小型化、大功率、可集成化、低成本的环行器，在X波段（8.2GHz～12.5GHz）内具有高隔离性能，低插入损耗和低端口驻波。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，基片集成波导环行器，在双面覆有金属层的介质基板上，设置有三个互成120°角的基片集成波导结构及中心铁氧体柱，基片集成波导由金属化通孔排列构成，其特征在于，在介质基板的上表面，三个波导内设置有微带匹配 线，第一波导和第二波导的内嵌微带匹配线连接有50欧姆标准微带线，50欧姆标准微带线的端口垂直于基板的边缘；三个波导宽度s相同，5.9mm<S<8.9mm，金属化通孔的孔间距为p，p/d≤2，d为金属化通孔的直径。
本发明基片集成波导环行器，与现有X波段结环行器的技术相比，其优点如下：
（1）比传统波导结环行器体积小很多，易加工调试，生产维护成本低，可实现器件和系统的集成。
（2）比现有微带结环行器功率容量大，插入损耗低。
附图说明
图1为本发明基片集成波导环行器。其中，1为中心结，2为内嵌微带匹配线，3为放置铁氧体柱的圆形通孔，4为金属化通孔，5为介质基板，6为50Ω的标准微带阻抗线。
图2为本发明基片集成波导环行器俯视图。
图3为本发明基片集成波导环行器仰视图。
图4为本发明基片集成波导环行的偏置磁化铁氧体图。
图5为本发明基片集成波导环行器的具体实施例1的端口一的反射和隔离曲线图。
图6为本发明基片集成波导环行器的具体实施例1的端口二的反射和隔离曲线图。
图7为本发明基片集成波导环行器的具体实施例1的端口三的反射和隔离曲线图。
图8为本发明基片集成波导环行器的具体实施例1的三个端口的传输性能曲线图。
图9为本发明基片集成波导环行器的具体实施例1的三个端口的驻波曲线图。
具体实施方式
本发明的基片集成波导环行器由中心结、介质基板、偏置磁化铁氧体、内嵌微带匹配线及相当于波导窄边的金属化通孔和50Ω标准微带线组成，其中，介质基板两面覆铜，顶层为刻蚀的微带电路，如图1所示。在介质基板的正中间开有圆形通孔，在四周开有相当于矩形波导窄边的金属化通孔，金属化通孔和介质基板一构成基片集成波导，中心的圆形通孔用于放置偏置磁化铁氧体，如图2所示。底层为覆铜层，如图3所示。
本发明基片集成波导环行器的端口利用内嵌微带匹配线四将Y结变成T型接头，便于器件和系统的集成，如图1所示。内嵌微带匹配线2采用线性渐变的三角形过渡，将中心结的阻抗过渡到50Ω标准微带阻抗线6，如图2所示。采用内嵌微带线一方面可以减小器件的体积，另一方面可以增加基片集成波导与微带传输线间的耦合，降低插损。由于SIW对频率变化的敏感度要强于微带对频率的变化，所以，此处Y型接头转变成T型接头采用微带线而不采用基片集成波导。
本发明基片集成波导环行器中的基片集成波导的宽度，即两排金属化通孔间距为s，5.9mm<s<8.9mm，金属化通孔直径为d，d<<λ，λ为中心频率的波长，相邻金属化通孔的孔间距为p。为拓展环行器的 带宽，在金属化通孔走向改变的地方金属化通孔间距可以略小于s，s<<λ，s/d≤2。
本发明基片集成波导环行器的三个端口的内嵌微带匹配线2的过度长度L为1/4λ，内嵌微带匹配线2宽的一端内嵌进入基片集成波导，窄的一端接50Ω标准微带线6，内嵌微带匹配线2的中心对称线位于两排金属化通孔间中心位置，如图2所示。
实施例
结合图1和图4，介质基板为1mm厚，构成基片集成波导的金属化通孔直径d为0.4mm，相邻金属化通孔间距p为0.7mm，两排金属化通孔间距s为7.2mm。基片集成波导环行器的偏置磁化铁氧体由饱和磁化强度4πMs=2500gauss的锂锌铁氧体材料构成，介电常数ε=15.3，直径D为5.2mm，厚度为介质基板的厚度1mm，如图4所示。其内嵌微带匹配线的过渡长度L为1/4λ，λ为中心频率的波长，内嵌微带匹配线内接SIW的宽边W尺寸为3.1mm，外接50Ω标准微带线的窄边W1尺寸为0.85mm，整个环行器的尺寸为12mm×12mm×1mm，如图2所示，a=b=12mm。
测试结果如图4至图8。可见三个端口在X波段内的回波损耗和隔离度，20dB带宽超过3.2GHz，优于23dB的带宽超过2.6GHz，优于25dB的带宽达到2GHz。插入损耗在9GHz~11.7GHz内都优于0.2dB，实现高性能的宽频带。
Claims (2)
1.基片集成波导环行器，在双面覆有金属层的介质基板上，设置有三个互成120°角的基片集成波导结构及中心铁氧体柱，基片集成波导由金属化通孔排列构成，其特征在于，在介质基板的上表面，三个波导内设置有微带匹配线，第一波导和第二波导的内嵌微带匹配线连接有50欧姆标准微带线，50欧姆标准微带线的端口垂直于基板的边缘；三个波导宽度s相同，5.9mm<s<8.9mm，金属化通孔的孔间距为p，p/d≤2，d为金属化通孔的直径。
2.如权利要求1所述的基片集成波导环行器，其特征在于，介质基板厚度为1mm，构成基片集成波导的金属化通孔直径d为0.4mm，相邻金属化通孔间距p为0.7mm，两排金属化通孔间距s为7.2mm；中心铁氧体柱的直径D为5.2mm，厚度为1mm；其内嵌微带匹配线的过渡长度L为1/4λ，λ为中心频率的波长，内嵌微带匹配线内接SIW的宽边W尺寸为3.1mm，外接50Ω标准微带线的窄边W1尺寸为0.85mm。
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