CN103647125B - 一种带磁屏蔽罩的单结微带环行器和微带隔离器 - Google Patents

Abstract

一种带磁屏蔽罩的单结微带环行器和微带隔离器，属于磁性材料与器件技术领域。包括软磁合金底板，位于软磁合金底板上的铁氧体基板（上表面具有结环行微带电路，下表面具有接地金属层），环结行微带电路几何中心上具有永磁体，永磁体上具有磁屏蔽罩，永磁体与环行结微带电路间具有第一介质基片，永磁体与磁屏蔽罩间具有第二介质基片；磁屏蔽罩由软磁平板材料边缘向下折弯所形成，其最小罩内水平尺寸大于永磁体的直径但小于铁氧体基板的边长、边缘底部不与铁氧体基板相接触。本发明提供的带磁屏蔽罩的单结微带环行器与微带隔离器，具有良好的磁屏蔽功能，同时结构简单、性能稳定、便于生产和调试，能够满足日益小型化和高集成的应用需求。

Description

一种带磁屏蔽罩的单结微带环行器和微带隔离器

技术领域

本发明属于磁性材料与器件技术领域，涉及微带环行器，尤其是带磁屏蔽罩的单结微带环行器和微带隔离器。

背景技术

微带环行器及微带隔离器作为一种广泛应用于航空航天电子、通讯系统以及侦察对抗领域的重要组件，目前在雷达、电子战、导航和制导、通讯基站中大量使用。新的设计理念和先进的工艺技术促进微波系统飞速发展，这就要求微带环行器和微带隔离器的尺寸更小，集成度更高。系统集成要求环行器、隔离器结构小巧同时性能稳定，同时微带环行器和微带隔离器市场需求量的不断增加也对批量生产速度和研发周期提出更高要求。

图1所示是通用的、不具有磁屏蔽结构的单结环行器示意图，包括软磁合金底板2，位于软磁合金底板2上方的铁氧体基片1（铁氧体基片1下表面具有金属接地层，上表面具有结环行微带电路5），提供偏置磁场的永磁体3与结环行微带电路5之间通过第一介质基片4实现电隔离。

图2和图3所示是一种由微带环行器与负载所构成的微带隔离器，制作于铁氧体基片1表面的结环行微带电路5的三个输入/输出端口中的其中一个端口与接地端之间连接有一个负载电阻6（负载电阻6可设置在铁氧体基片1上，也可焊接在软磁合金底板2上）。整个微带隔离器包括软磁合金底板2，位于软磁合金底板2上方的铁氧体基片1，铁氧体基片1下表面具有金属接地层，上表面具有结环行微带电路5，提供偏置磁场的永磁体3与结环行微带电路5之间通过第一介质基片4实现电隔离。

通常，加在微带环行器（或微带隔离器）上的偏置磁场的永磁体一般是暴露在铁氧体基片上方空间，永磁体产生的磁力线除了部分与产品的铁氧体基片和基片下的底板形成闭合的回路以外，大多数磁力线向四周发散，造成漏磁，这样造成的影响主要有：一是漏磁造成磁场利用率低下，由永磁体产生的磁场只有部分磁场作用到结环行微带电路的铁氧体基片上，使得铁氧体基片未能充分磁化而影响到产品的性能；二是发散的漏磁场会对周围磁场敏感的元器件有干扰，从而影响到微波电路性能；三是产品周围有铁磁性物质存在时（如铁合金或微波吸收材料），会影响到微带环行器（或微带隔离器）的偏置磁场的方向及大小，改变原有的磁化状态，从而影响器件的性能参数，进而影响到电路的性能。

随着微波系统向小型化、多功能化的发展，微波组件及模块尺寸要求更小，在紧凑的电路中，为了防止微带环行器（或微带隔离器）与周围电路及外界间相互之间的磁干扰，通常采用磁屏蔽罩对环行器的偏置磁场进行屏蔽。

图4所示的不具有磁屏蔽罩的单结微带环行器（或微带隔离器），产生偏置磁场的永磁体3置于基片的上方，永磁体3上表面的磁极暴露在空中，永磁体3上表面的磁极仅有约一半的磁力线与软磁合金底板2形成闭合的回路时，而一半的的磁力线向四周发散的状态形成漏磁现象。如图5所示是不具有磁屏蔽罩单结微带环行器（或微带隔离器）的磁场仿真图，图中以白色、灰色、黑色等渐变色来反映磁场的强弱，颜色越白表示磁场强度越大；颜色越黑表示磁场强度越弱。从图中可以看出在基片上方半径为5mm的区域内，还有很强的漏磁（灰色区域）,仿真显示通过基片的磁场利用率仅为50～60%之间，而漏磁占了40～50%，因而对产品本身和周边电路的性能有较大的影响。

现有另一种具有全磁屏蔽功能的单结微带环行器（或微带隔离器）结构如图6所示，同样包括软磁合金底板2，位于软磁合金底板2上方的铁氧体基片1（铁氧体基片1表面具有结环行微带电路，下表面具有金属接地层），提供偏置磁场的永磁体3，永磁体3位于结环行微带电路几何中心的上方，永磁体3上方具有采用软磁材料实现的磁屏蔽罩9，永磁体3与结环行微带电路之间通过第一介质基片4实现电隔离，永磁体3与磁屏蔽罩9之间通过第二介质基片8实现电隔离。

图6所示的带磁屏蔽罩的单结微带环行器（或微带隔离器），其磁屏蔽罩9是帽形结构。该磁屏蔽罩9将永磁体3完全罩在内部，其边缘与软磁合金底板2完全接触，磁屏蔽罩9与软磁合金底板2形成一个全封闭的磁屏蔽罩，软磁合金底板2、永磁体3和磁屏蔽罩9之间形成完全闭合的磁回路。图7是带全磁屏蔽单结微带环行器（或微带隔离器）的磁场仿真图，从图中可以看出在屏蔽罩以外的区域全是黑色，表示屏蔽罩外的区域漏磁很小，漏磁仅有1～2%，磁场利用率接近100%。该单结微带环行器（或微带隔离器）全磁屏蔽功能十分良好，避免了器件与外界之间的磁场相互干扰。

但这种微带环行器（或微带隔离器）结构较为复杂，不利于产品的装配生产，也不利于进一步缩小产品的体积，如果采用帽子形的结构，在制作时需要预留窗口以便于引入或引出结环行微带电路的输入输出端口信号，磁屏蔽罩9封装后不便于结环行微带电路的调试，另外磁屏蔽罩9通常采用冲压成型，封装后内部存在一定的机械应力，严重时很容易造成铁氧体基片1的破碎。

发明内容

本发明提供的带磁屏蔽罩的单结微带环行器（或微带隔离器），具有良好的磁屏蔽功能，同时结构简单、性能稳定、便于生产和调试，能够满足微带铁氧体器件日益小型化和高集成化的应用需求，适用于产品的大批量生产的要求。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种带磁屏蔽罩的单结微带环行器（或微带隔离器），其结构如图8所示，包括软磁合金底板2，位于软磁合金底板2上方的铁氧体基片1和提供偏置磁场的永磁体3；铁氧体基片1下表面具有接地金属层，上表面具有结环行微带电路（对单结微带隔离器而言，结环行微带电路的三个输入/输出端口中的其中一个端口与接地端之间连接有一个负载电阻<负载电阻6可设置在铁氧体基片1上，也可焊接在软磁合金底板2上>）；永磁体3位于结环行微带电路几何中心的上方，永磁体3上方具有采用软磁材料实现的磁屏蔽罩9，永磁体3与结环行微带电路之间通过第一介质基片4实现电隔离，永磁体3与磁屏蔽罩9之间通过第二介质基片8实现电隔离。与图4所示带磁屏蔽罩的单结环行器（或隔离器）所不同的是，本发明提供的带磁屏蔽罩的单结微带环行器，其磁屏蔽罩9是由软磁平板材料边缘向下折弯所形成、且磁屏蔽罩9的折弯边缘底部不与铁氧体基片1相接触而是留有间隙，并且磁屏蔽罩9的最小罩内水平尺寸大于永磁体3的直径但小于铁氧体基片1的边长。

上述技术方案中，软磁合金底板2与铁氧体基片1之间相互固定，第一介质基片4两面分别与铁氧体基片1和永磁体3固定，第二介质基片8两面分别与永磁体3和磁屏蔽罩9固定。

本发明提供的带磁屏蔽罩的单结微带环行器（或微带隔离器），由永磁体3与第二介质基片8、磁屏蔽罩9、空气、铁氧体基片1、软磁合金底板2和第一介质基片4形成闭合回路。图9是带磁屏蔽罩微带环行器（或微带隔离器）磁场仿真图，从图中可以看出，在磁屏蔽罩9与铁氧体基片1之间形成的间隙（间隙距离为0.0mm～2.0mm）范围约1mm的区域有漏磁产生，磁场强度的发布主要处于这一设计需要的回路之中。在屏蔽罩上方及四周颜色为黑色表示漏磁很弱。通过仿真和测试均表明，漏磁小于5%，95%以上磁场沿这一回路传输，磁场利用率较高，其屏蔽效果接近图6中带磁屏蔽罩的单结微带环行器（或微带隔离器）。

图9仿真显示，有效磁化作用范围主要集中在永磁体附近，因此永磁体附近作用区域是需要实现磁屏蔽、防止与外界相互干扰的核心区域。因此本发明提供的带磁屏蔽罩的单结微带环行器（或微带隔离器），其磁屏蔽罩9的罩内尺寸仅大于永磁体3的直径但小于铁氧体基片1的边长（实际制作时可远小于铁氧体基片1的边长），这样既屏蔽了永磁体核心作用区域，同时又有利于减小整个环行器所占据的空间，达到减小体积的效果。

另外，本发明提供的带磁屏蔽罩的单结微带环行器（或微带隔离器），其磁屏蔽罩由软磁合金底板2和磁屏蔽罩9形成一个不完全封闭的磁屏蔽结构。磁屏蔽罩9的边缘底部不与铁氧体基片1相接触而是留有间隙，能够保证磁合金支撑板2、永磁体3和磁屏蔽罩9之间形成闭合的磁回路。虽然相较于图6所示的技术方案，本发明提供的带磁屏蔽罩的单结微带环行器（或微带隔离器）没有杜绝漏磁现象，但本发明的磁屏蔽功能已非常接近了图6中的带磁屏蔽罩的单结微带环行器（或微带隔离器）的效果，磁场利用率达到95%以上，能够满足绝大多数应用场合的要求。使用MAXWELL软件做出大量仿真和比对后发现，本发明屏蔽方案漏磁能够得到有效控制，磁力线在设计要求的磁路中进行传输，所生产不到5%的漏磁在很小的范围内，不构成对产品本身和周围电路的影响。

与图6中带磁屏蔽罩的单结微带环行器（或微带隔离器）相比，本发明将磁屏蔽罩9置于基片的上方，未将基片包裹屏蔽罩内部，这样使产品尺寸更小，在产品的小型化上更有优势。

本发明将磁屏蔽罩9的边缘底部设计成不与铁氧体基片1相接触而是留有间隙，最大的好处在于便于器件与外界电路的连接，同时便于在组装过程中对结环行微带线电路进行调试，器件封装后，也不存在机械应力，避免了完全封闭所带来的机械应力所造成的铁氧体基片破碎的技术问题。

综上所述，本发明提供的带磁屏蔽罩的单结微带环行器（或微带隔离器），具有良好的磁屏蔽功能，同时结构简单、性能稳定、便于生产和调试，能够满足微带器件日益小型化和高集成的应用需求和能够实现多波段应用。

附图说明

图1是通用型、不具有磁屏蔽罩的单结微带环行器立体结构示意图。

图2是通用型、内置负载不具有磁屏蔽罩的单结微带隔离器立体结构示意图（负载设置在铁氧体基片上）。

图3是通用型、外置负载不具有磁屏蔽罩的单结微带隔离器立体结构示意图（负载焊接在软磁合金底板上）。

图4是不具有磁屏蔽罩的单结微带环行器（或微带隔离器）剖面结构示意图。

图5是不具有磁屏蔽罩的单结微带环行器（或微带隔离器）的磁场仿真图。

图6是带磁屏蔽罩的单结微带环行器（或微带隔离器）剖面结构示意图。

图7是带磁屏蔽罩的单结微带环行器（或微带隔离器）的磁场仿真图。

图8是本发明提供的带屏蔽罩的单结微带环行器（或微带隔离器）剖面结构示意图。

图9是本发明提供的带屏蔽罩单结微带环行器（或微带隔离器）的磁场仿真图。

图1、图2、图3、图4、图6和图8中，附图标记所对应的名称为：

1是铁氧体基片，2是软磁合金底板，3是永磁体，4是第一介质基片，5是结环行微带电路，6是负载电阻，8是第二介质基片，9是磁屏蔽罩。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作出详细说明。

一种带磁屏蔽罩的单结微带环行器（或微带隔离器），其结构如图8所示，包括软磁合金底板2，位于软磁合金底板2上方的铁氧体基片1和提供偏置磁场的永磁体3；铁氧体基片1下表面具有接地金属层，上表面具有结环行微带电路（对单结微带隔离器而言，结环行微带电路的三个输入/输出端口中的其中一个端口与接地端之间连接有一个负载电阻<负载电阻6可设置在铁氧体基片1上，也可焊接在软磁合金底板2上>）；永磁体3位于结环行微带电路几何中心的上方，永磁体3上方具有采用软磁材料实现的磁屏蔽罩9，永磁体3与结环行微带电路之间通过第一介质基片4实现电隔离，永磁体3与磁屏蔽罩9之间通过第二介质基片8实现电隔离。与图4所示带磁屏蔽罩的单结环行器（或隔离器）所不同的是，本发明提供的带磁屏蔽罩的单结微带环行器，其磁屏蔽罩9是由软磁平板材料边缘向下折弯所形成、且磁屏蔽罩9的折弯边缘底部不与铁氧体基片1相接触而是留有间隙，并且磁屏蔽罩9的最小罩内水平尺寸大于永磁体3的直径但小于铁氧体基片1的边长。

上述技术方案中，软磁合金底板2与铁氧体基片1之间采用焊接固定，第一介质基片4两面采用粘合剂分别与铁氧体基片1和永磁体3粘接固定，第二介质基片8两面采用粘合剂分别与永磁体3和磁屏蔽罩9粘接固定。

所述结环形微带电路是圆型Y结环形微带电路、三角型Y结环形微带电路、六角型Y结环形微带电路或鱼刺型Y结环形微带电路。

第一、第二介质基片可采用聚砜、聚四氟乙烯、陶瓷或其它介质等材料制作。

所述磁屏蔽罩可采用工业纯铁、铁镍合金或其它具有软磁性能的合金材料制作，其垂直投影形状可以是矩形、圆形或椭圆形。对于垂直投影形状为矩形的磁屏蔽罩，可由矩形软磁平板材料的两个对边、或任意三边或四边向下折弯所形成；对于垂直投影形状为为圆形或椭圆形的磁屏蔽罩，可采用软磁合金圆片直接冲压而成。

Claims (13)

1.一种带磁屏蔽罩的单结环行器，其结构包括软磁合金底板(2)，位于软磁合金底板(2)上方的铁氧体基片(1)，铁氧体基片(1)下表面具有接地金属层，铁氧体基片(1)上表面具有结环形微带电路，提供偏执磁场的永磁体(3)位于结环形微带电路几何中心的上方，永磁体(3)上方具有采用软磁材料实现的磁屏蔽罩(9)，永磁体(3)与结环形微带电路之间通过第一介质基片(4)实现电隔离，永磁体(3)与磁屏蔽罩(9)之间通过第二介质基片(8)实现电隔离；其特征在于，磁屏蔽罩(9)是由软磁平板材料边缘向下折弯所形成、且磁屏蔽罩(9)的折弯边缘底部不与铁氧体基片(1)相接触而是留有间隙，并且磁屏蔽罩(9)的最小罩内水平尺寸大于永磁体(3)的直径但小于铁氧体基片(1)的边长。

2.如权利要求1所述的带磁屏蔽罩的单结环行器，其特征在于，磁屏蔽罩(9)的边缘底部与铁氧体基片(1)之间的间隙大于0.0mm但不超过2.0mm。

3.如权利要求1、2所述的带磁屏蔽罩的单结环行器，其特征在于，所述软磁合金底板(2)与铁氧体基片(1)之间采用焊接方式相互固定，第一介质基片(4)两面采用粘结方式分别与铁氧体基片(1)和永磁体(3)固定，第二介质基片(8)两面采用粘结方式分别与永磁体(3)和磁屏蔽罩(7)固定。

4.如权利要求1、2所述的带磁屏蔽罩的单结环行器，其特征在于，所述结环形微带电路是圆型Y结环形微带电路、三角型Y结环形微带电路、六角型Y结环形微带电路或鱼刺型Y结环形微带电路。

5.如权利要求1、2所述的带磁屏蔽罩的单结环行器，其特征在于，第一、第二介质基片采用聚砜、聚四氟乙烯或陶瓷介质材料制作。

6.如权利要求1、2所述的带磁屏蔽罩的单结环行器，其特征在于，所述磁屏蔽罩(9)采用工业纯铁、铁镍合金或其它软磁合金材料制作，其垂直投影形状是矩形、圆形或椭圆形；若所述磁屏蔽罩(9)的垂直投影形状是矩形，则由矩形软磁平板材料的两个对边、或任意三边或四边向下折弯所形成，或由矩形软磁平板材料直接冲压而成；若所述磁屏蔽罩(9)的垂直投影形状是圆形或椭圆形，则采用软磁合金圆片直接冲压而成。

7.一种带磁屏蔽罩的单结微带隔离器，其结构包括软磁合金底板(2)，位于软磁合金底板(2)上方的铁氧体基片(1)和提供偏置磁场的永磁体(3)；铁氧体基片(1)下表面具有接地金属层，上其表面具有结环行微带电路，结环行微带电路的三个输入/输出端口中的其中一个端口与接地端之间连接有一个负载电阻；提供偏置磁场的永磁体(3)位于结环行微带电路几何中心的上方，永磁体(3)上方具有采用软磁材料实现的磁屏蔽罩(9)，永磁体(3)与结环行微带电路之间通过第一介质基片(4)实现电隔离，永磁体(3)与磁屏蔽罩(9)之间通过第二介质基片(8)实现电隔离；其特征在于，磁屏蔽罩(9)是由软磁平板材料边缘向下折弯所形成、且磁屏蔽罩(9)的折弯边缘底部不与铁氧体基片(1)相接触而是留有间隙，并且磁屏蔽罩(9)的最小罩内水平尺寸大于永磁体(3)的直径但小于铁氧体基片(1)的边长。

8.如权利要求7所述的带磁屏蔽罩的单结微带隔离器，其特征在于，所述负载电阻设置在铁氧体基片(1)上或焊接在软磁合金底板(2)上。

9.如权利要求7所述的带磁屏蔽罩的单结微带隔离器，其特征在于，磁屏蔽罩(9)的边缘底部与铁氧体基片(1)之间的间隙大于0.0mm但不超过2.0mm。

10.如权利要求7、8或9所述的带磁屏蔽罩的单结微带隔离器，其特征在于，所述软磁合金底板(2)与铁氧体基片(1)之间采用焊接方式相互固定，第一介质基片(4)两面采用粘结方式分别与铁氧体基片(1)和永磁体(3)固定，第二介质基片(8)两面采用粘结方式分别与永磁体(3)和磁屏蔽罩(9)固定。

11.如权利要求7、8或9所述的带磁屏蔽罩的单结微带隔离器，其特征在于，所述结环形微带电路为圆型Y结环形微带电路、三角型Y结环形微带电路、六角型Y结环形微带电路或鱼刺型Y结环形微带电路。

12.如权利要求7、8或9所述的带磁屏蔽罩的单结微带隔离器，其特征在于，第一、第二介质基片采用聚砜、聚四氟乙烯或陶瓷介质材料制作。

13.如权利要求7、8或9所述的带磁屏蔽罩的单结微带隔离器，其特征在于，所述磁屏蔽罩(9)采用工业纯铁、铁镍合金或其它软磁合金材料制作，其垂直投影形状是矩形、圆形或椭圆形；若所述磁屏蔽罩(9)的垂直投影形状是矩形，则由矩形软磁平板材料的两个对边、或任意三边或四边向下折弯所形成，或由矩形软磁平板材料直接冲压而成；若所述磁屏蔽罩(9)的垂直投影形状是圆形或椭圆形，则采用软磁合金圆片直接冲压而成。