CN103594761A - 基片集成波导铁氧体开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种容差好、宽带宽、隔离度较高的基片集成波导铁氧体开关。该开关包括介质基板，所述介质基板的上表面设置有第一金属覆铜层，下表面设置有第二金属覆铜层，所述介质基板上设置有两排互相平行的金属化通孔，所述第一金属覆铜层上开有至少一个第一铁氧体安装孔，在第一铁氧体安装孔内安装有铁氧体块，所述铁氧体块的上表面和侧面均镀有金属镀层。采用外层加载来取代传统的内镶嵌，更易加工，对铁氧体块的宽度要求不高，容差好，同时铁氧体块与外界相接触的表面积较大，散热能力强；在同样长度下本发明所述的基片集成波导铁氧体开关带宽远大于现有的开关带宽，且隔离度更高，适合在铁氧体开关技术领域推广应用。

Description

基片集成波导铁氧体开关
技术领域
本发明涉及铁氧体开关技术领域，具体涉及一种基片集成波导铁氧体开关。
背景技术
2000年，研究人员提出了基于普通印制电路板（PCB）工艺的基片集成电路的概念，其中最受关注的技术是基片集成波导。近两年，在对基片集成波导结构传输特性充分研究的基础上，实现了多种基于基片集成波导技术的铁氧体磁控器件，包括开关，极大地推进了基片集成波导技术的新发展。目前，宽频带和小型化是基片集成波导磁控开关的主要发展方向。
传统的铁氧体开关把铁氧体嵌进波导中，紧贴波导E面内壁放置，侧面高度与E面内壁相等。利用铁氧体材料的磁各向异性，通过调整偏置磁场强度来改变矩形波导的截止频率，进而控制开关通、断。但此类型开关存在如下问题：1）通过不同磁偏来改变波导的截止频率，要保证开关工作于铁氧体旋磁共振点以下，其可变范围有限，造成开关带宽较窄；2）一定磁偏下，铁氧体磁导率随频率升高，其变化逐渐减小，造成开关高频工作带宽更窄；3）需要较薄的铁氧体块，而较薄的铁氧体块在加上磁偏后对波导的截止频率改变能力较弱，因此在获得相同的带宽时其长度需要增加，致使整个开关体积较大；4）与平面电路集成困难，加工复杂，成本高昂。
为了提高电路的集成度、降低加工成本，研究人员提出采用基片集成波导结构来实现开关。但是，基片集成波导开关采用与传统波导开关相同的结构形式，将铁氧体片嵌进介质中与基片集成波导结构相连。其工作原理与波导类结构相类似，即利用铁氧体材料的磁各向异性，通过调整偏置磁场强度来改变矩形波导的截止频率，进而控制开关通、断。由于具有相似的工作原理，此类基片集成波导开关存在与波导开关类似的缺点。同时，由于基片集成波导是介质填充结构，在此开关设计时需要对介质基片挖矩形长槽便于铁氧体片的放置，其工艺成熟度低，加工难度大，在高频时应用困难。此外，铁氧体片放置于基片集成波导内部，在大功率应用时散热不宜。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种容差好、宽带宽、隔离度较高的基片集成波导铁氧体开关。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该基片集成波导铁氧体开关，包括介质基板，所述介质基板的上表面设置有第一金属覆铜层，介质基板的下表面设置有第二金属覆铜层，所述介质基板上设置有两排互相平行的金属化通孔并且所述金属化通孔贯穿第一金属覆铜层、介质基板、第二金属覆铜层形成基片集成波导，所述第一金属覆铜层上开有至少一个第一铁氧体安装孔，并且所述第一铁氧体安装孔位于两排金属化通孔之间，在第一铁氧体安装孔内安装有铁氧体块，所述铁氧体块的上表面和侧面均镀有金属镀层。
进一步的是，所述第二金属覆铜层上开有至少一个第二铁氧体安装孔，并且所述第二铁氧体安装孔位于两排金属化通孔之间，在第二铁氧体安装孔内安装有铁氧体块，所述铁氧体块的上表面和侧面均镀有金属镀层。
进一步的是，所述第一铁氧体安装孔的位置与第二铁氧体安装孔的位置对称设置。
进一步的是，所述铁氧体块的厚度小于或等于基片集成波导宽度的十分之一，所述铁氧体块的厚度的H1与基片集成波导的高度H2满足如下关系：
Figure BDA0000419095970000021
其中ε1为介质基板的相对介电常数，ε2为铁氧体块的相对介电常数。
进一步的是，所述铁氧体块的横截面为矩形或菱形。
本发明的有益效果：通过在第一金属覆铜层上开有至少一个第一铁氧体安装孔，并且所述第一铁氧体安装孔位于两排金属化通孔之间，在第一铁氧体安装孔内安装有铁氧体块，所述铁氧体块的上表面和侧面均镀有金属镀层，由于本发明采用外层加载来取代传统的内镶嵌，更易加工，对铁氧体块的宽度要求不高，容差好，同时铁氧体块与外界相接触的表面积较大，散热能力强；现有的基片集成波导铁氧体开关利用铁氧体改变截止频率来实现通、断，本发明通过外加直流磁偏置，在铁氧体块中传播的电磁波向铁氧体块边缘集中，由于在铁氧体块的上表面和侧面均镀有金属镀层，因此金属镀层会形成短路边界，此时电磁波将在短路边缘处被吸收，从而形成边导模效应来实现开基片集成波导铁氧体开关的通、断，在同样长度下本发明所述的基片集成波导铁氧体开关带宽远大于现有的基片集成波导铁氧体开关带宽，且隔离度更高。
附图说明
图1是本发明基片集成波导铁氧体开关的三维结构示意图；
图2是本发明基片集成波导铁氧体开关的截面示意图；
图3是本发明实施例所述的基片集成波导铁氧体开关的第一金属覆铜层的结构示意图；
图中标记说明：介质基板1、第一金属覆铜层2、第二金属覆铜层3、金属化通孔4、第一铁氧体安装孔5、铁氧体块6、金属镀层7、第二铁氧体安装孔8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图1、2所示，该基片集成波导铁氧体开关，包括介质基板1，所述介质基板1的上表面设置有第一金属覆铜层2，介质基板1的下表面设置有第二金属覆铜层3，所述介质基板1上设置有两排互相平行的金属化通孔4并且所述金属化通孔4贯穿第一金属覆铜层2、介质基板1、第二金属覆铜层3形成基片集成波导，所述第一金属覆铜层2上开有至少一个第一铁氧体安装孔5，并且所述第一铁氧体安装孔5位于两排金属化通孔4之间，在第一铁氧体安装孔5内安装有铁氧体块6，所述铁氧体块6的上表面和侧面均镀有金属镀层7。通过在第一金属覆铜层2上开有至少一个第一铁氧体安装孔5，并且所述第一铁氧体安装孔5位于两排金属化通孔4之间，在第一铁氧体安装孔5内安装有铁氧体块6，所述铁氧体块6的上表面和侧面均镀有金属镀层7，由于本发明采用外层加载来取代传统的内镶嵌，更易加工，对铁氧体块6的宽度要求不高，容差好，同时铁氧体块6与外界相接触的表面积较大，散热能力强；现有的基片集成波导铁氧体开关利用铁氧体改变截止频率来实现通、断，本发明通过外加直流磁偏置，在铁氧体块6中传播的电磁波向铁氧体块6边缘集中，由于在铁氧体块6的上表面和侧面均镀有金属镀层7，因此金属镀层7会形成短路边界，此时电磁波将在短路边缘处被吸收，从而形成边导模效应来实现开基片集成波导铁氧体开关的通、断，在同样长度下本发明所述的基片集成波导铁氧体开关带宽远大于现有的基片集成波导铁氧体开关带宽，且隔离度更高。另外，基片集成波导宽度应接近于开关带宽中心频率在铁氧体块6中工作波长；通过调节铁氧体块6长度可以对插入损耗和回波损耗进行调节；通过调节铁氧体块6的厚度和长度可以控制隔离度。
为了缩减基片集成波导铁氧体开关的电路面积，所述第二金属覆铜层3上开有至少一个第二铁氧体安装孔8，并且所述第二铁氧体安装孔8位于两排金属化通孔4之间，在第二铁氧体安装孔8内安装有铁氧体块6，所述铁氧体块6的上表面和侧面均镀有金属镀层7，这种结构在实现同样带宽的情况下，其基片集成波导铁氧体开关的长度会缩减一半，可以减小基片集成波导铁氧体开关的体积，便于集成。进一步的是，所述第一铁氧体安装孔5的位置与第二铁氧体安装孔8的位置对称设置。
为了使基片集成波导铁氧体开关的带宽达到最大，所述铁氧体块6的厚度小于或等于基片集成波导宽度的十分之一，所述铁氧体块6的厚度的H1与基片集成波导的高度H2满足如下关系：
Figure BDA0000419095970000041
其中ε1为介质基板1的相对介电常数，ε2为铁氧体块6的相对介电常数。
为了改善匹配特性，所述铁氧体块6的横截面可以是矩形、菱形、圆形等多种形状，作为优选的是：所述铁氧体块6的横截面为矩形或菱形。
实施例
本实施例中基片集成波导铁氧体开关的铁氧体块6的数量为两个，均安装在第一金属覆铜层2上，第一金属覆铜层2的结构如图3所示，第一选用的介质基板1介电常数为10.2，厚度为0.635mm，损耗角正切为0.0024；铁氧体块6采用的是YIG-1850，相对介电常数14.5，3dB线宽20Oe，损耗角正切0.0002，饱和磁化强度1850Gs。基片集成波导宽度8mm，金属通孔直径0.6mm，通孔间距1.2mm，铁氧体块6厚0.8mm，长度6mm，宽度7.4mm，两块铁氧体块6间距1mm，所加磁偏3010Oe。性能对比如下表所示：
Figure BDA0000419095970000042
从上表可以看出，本发明是所述的基片集成波导铁氧体开关的带宽远大于波导铁氧体开关和一般基片集成波导开关的带宽。

Claims (5)

1.基片集成波导铁氧体开关，包括介质基板（1），所述介质基板（1）的上表面设置有第一金属覆铜层（2），介质基板（1）的下表面设置有第二金属覆铜层（3），所述介质基板（1）上设置有两排互相平行的金属化通孔（4）并且所述金属化通孔（4）贯穿第一金属覆铜层（2）、介质基板（1）、第二金属覆铜层（3）形成基片集成波导，其特征在于：所述第一金属覆铜层（2）上开有至少一个第一铁氧体安装孔（5），并且所述第一铁氧体安装孔（5）位于两排金属化通孔（4）之间，在第一铁氧体安装孔（5）内安装有铁氧体块（6），所述铁氧体块（6）的上表面和侧面均镀有金属镀层（7）。
2.如权利要求1所述的基片集成波导铁氧体开关，其特征在于：所述第二金属覆铜层（3）上开有至少一个第二铁氧体安装孔（8），并且所述第二铁氧体安装孔（8）位于两排金属化通孔（4）之间，在第二铁氧体安装孔（8）内安装有铁氧体块（6），所述铁氧体块（6）的上表面和侧面均镀有金属镀层（7）。
3.如权利要求2所述的基片集成波导铁氧体开关，其特征在于：所述第一铁氧体安装孔（5）的位置与第二铁氧体安装孔（8）的位置对称设置。
4.如权利要求3所述的基片集成波导铁氧体开关，其特征在于：所述铁氧体块（6）的厚度小于或等于基片集成波导宽度的十分之一，所述铁氧体块（6）的厚度的H1与基片集成波导的高度H2满足如下关系：
Figure FDA0000419095960000011
其中ε1为介质基板（1）的相对介电常数，ε2为铁氧体块（6）的相对介电常数。
5.如权利要求4所述的基片集成波导铁氧体开关，其特征在于：所述铁氧体块（6）的横截面为矩形或菱形。
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