CN104752798A - 可重用微波环行器 - Google Patents

Abstract

一种可重用微波环行器，用于解决现有环行器工艺复杂和移植性差的问题，包括接地板(1)、介质基板(2)、中心导体(3)、铁氧体(4)、顶盖(5)和恒磁体(6)；介质基板(2)的上下表面分别印制有由中心圆结(31)和双Y型结构复合而成的中心导体(3)和接地板(1)；介质基板(2)上设置有六个第一金属通孔(21)和三个第二金属通孔(22)，且分别与顶盖(5)和中心导体(3)连接，所述顶盖(5)的顶端固定有恒磁体(6)，其下方设置有腔体，腔体内安装有铁氧体(4)，该顶盖(5)设置在中心导体(3)的上方。本发明工艺简单、可与LTCC技术兼容且移植性好，可用于相控阵雷达、卫星通讯和微波系统等领域。

Description

可重用微波环行器

技术领域

本发明属于微波通信技术领域，涉及一种可重用微波环行器,可用于相控阵雷达、卫星通讯、移动通讯和微波系统。

背景技术

环行器作为一种各向异性元器件，是微波领域的一种重要器件，具有微波频率单向传输的特性，环行器利用铁氧体的非互易特性制成，可以实现信号的发送接收双工，在微波通讯领域广泛应用，例如，在收发设备共用一副天线的雷达系统中常用环形器作双工器。

近年来随着高密度封装技术的不断发展，对电子系统集成度的需求越来越高，其中低温共烧陶瓷LTCC技术应用最为广泛，低温共烧陶瓷LTCC技术是通过在陶瓷基板上内置无源元件和贴装有源器件，实现将无源和有源集成的方法，是电子系统集成化、小型化、微型化的有效途径，而且已经成为目前电子系统集成化技术发展的一种趋势。环行器属于非互易性元件，其结构中必须采用铁氧体基板，而铁氧体基板不能与一般的高密度封装技术中采用的LTCC基板集成在一起，因此无法直接使用LTCC技术实现环行器的集成。

为了实现环行器的集成化、小型化，国内外研究人员做了许多探索，并提出了采用非对称结构、磁屏蔽罩等方法制作的环行器，如中国专利申请，授权日为2014年5月14日、授权号为CN 203596403 U的实用新型“一种带磁屏蔽罩的单结微带环行器”，其结构如图1所示，该实用新型包括软磁合金接地板1，位于软磁合金接地板1上的铁氧体材料介质基板2上表面具有中心导体3，中心导体3的几何中心上方具有恒磁体6，恒磁体6上具有用于磁屏蔽的顶盖5，恒磁体6与中心导体3之间具有起绝缘作用的第一介质基片，恒磁体6与顶盖5之间具有用于绝缘的第二介质基片；所述顶盖5由软磁平板材料边缘向下折弯所形成，其内部所含腔体的水平尺寸大于恒磁体6的直径但小于介质基板2的边长，边缘底部不与介质基板2相接触。该实用新型的中心导体3上下结构由于采用了非对称结构，降低了环行器集成的工艺难度，减小了环行器的体积，但这种环行器具有两个明显缺陷：第一，环行器需要使用铁氧体材料制成的介质基板2作为环行器的基板，不能直接制作在LTCC基板上，需要对LTCC基板进行开腔处理或和铁氧体基板复合才能实现集成，所以增大了加工工艺难度；第二，该环行器的基板采用铁氧体材料，环行器性能受基板厚度影响，在与其他电路的不同厚度基板集成时，需要重新设计环行器，移植性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提出了一种可重用微波环行器，用于解决现有环行器加工工艺复杂和在不同电路之间移植性差的问题。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种可重用微波环行器，包括接地板1、介质基板2、中心导体3、铁氧体4、顶盖5和恒磁体6，所述介质基板2的上下表面上分别印制有中心导体3和接地板1，其特征在于：所述介质基板2上设置有六个第一金属通孔21和三个第二金属通孔22，且分别与顶盖5和中心导体3连接，所述顶盖5的顶端固定有恒磁体6，其下方设置有腔体，腔体内安装有铁氧体4，该顶盖5设置在中心导体3的上方。

所述介质基板2采用LTCC材料，所述三个第二金属通孔22和六个第一金属通孔21均匀分布于以介质基板2中心为圆心、半径分别为R1和R2的虚拟圆上，其中R1>R2，且第一金属通孔21和相邻的两个第二金属通孔22之间相差30°。

所述中心导体3是由中心圆结31和双Y形结构复合而成，其中小Y32的臂采用矩形带线，大Y33的臂是由四段大小不同的矩形带线组成，其宽度为W2。

所述铁氧体4采用介电常数为15.5、饱和磁化强度为2800Gs介质材料，其形状为圆柱体。

所述顶盖5采用形状为圆柱形的非铁磁性金属材料，其腔体的大小与铁氧体4相同，在腔体的侧壁上均匀设置有六个的矩形槽，用于使双Y型结构伸出顶盖5外，该矩形槽的宽度为Wb，其中Wb>W2。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明由于采用了直接在LTCC介质基板上表面印制中心导体，并将铁氧体通过顶盖固定在中心导体上的非对称的结构，避免了基板开腔和使用复合材料的基板，与现有技术相比工艺简单。

2.本发明由于采用了复合结构的中心导体和非对称结构，改变了环行器中电磁场的分布，使能量主要分布于铁氧体中，在中心圆结下方LTCC基板中的分布较少，对LTCC基板的厚度要求降低，解决了环行器性能受LTCC基板限制的问题，可以在不同LTCC基板上采用相同的设计，与现有技术相比其可移植性好。

附图说明

图1为现有环行器的整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为本发明的中心导体的结构示意图；

图4为本发明介质基板的结构示意图；

图5为本发明顶盖的结构示意图；

图6为本发明S参数-频率仿真结果图；

图7为本发明S参数-基板厚度的仿真结果图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

参照图2，介质基板2的上下表面分别印制有中心导体3和接地板1，其上设置有三个第二金属通孔22和六个第一金属通孔21；该中心导体3由中心圆结31和双Y型结构复合而成，其中小Y32的三个臂的末端分别通过三个第二金属通孔22与接地板1相连；在中心导体3的正上方设置顶盖5，该顶盖5的形状为内部带腔的圆柱形结构，其侧壁上均匀设置有用于双Y型结构穿过的六个矩形槽，侧壁的实体部分通过六个第一金属通孔21与接地板1相连；该顶盖5的腔体内放置有铁氧体4，顶部放置有用于磁化铁氧体4的恒磁体6，这种通过采用在中心导体上方提供磁性介质代替磁性基板的结构，可以将环行器直接制作在LTCC基板上，不需要在基板上开腔，降低了工艺难度。

参照图3，中心导体3是由中心圆结31和双Y型结构复合而成，其中双Y型结构由大Y33和小Y32组成，中心圆结31的半径R0＝2.3mm；小Y32的三个臂均为长Ls＝5.6mm、宽Ws＝0.3mm的矩形带线，用于补偿随着介质基板2厚度的增加和电场分布变化引起的附加电容，减小环行器端口阻抗变化；大Y33的三个臂均由不同尺寸的四个矩形带线组成，其中四个矩形带线的尺寸从内向外依次为L1＝0.72mm，W1＝0.61mm，L2＝0.3mm，W2＝1.8mm，L3＝0.36mm，W3＝0.48mm，L4＝0.6mm，W4＝3.4mm；中心圆结31、小Y32和大Y33的中心重叠，且大Y33与小Y32之间相差60°，大Y33的四段结构将中心圆结31的阻抗逐步过渡到标准阻抗50Ω，这种过渡结构的阻抗变换效果受介质基板2厚度H的影响小。

参照图4，介质基板2采用FerroA-6M型LTCC材料，其厚度H根据环行器所集成的电路板确定，在该介质基板2上设置有三个第二金属通孔22和六个第一金属通孔21，用于小Y32的末端和顶盖5分别与接地板接通，其中三个第二金属通孔22均匀分布于以介质基板2中心为圆心、半径为R1＝5mm的一个虚拟圆上；六个第一金属通孔21均匀分布于以介质基板2中心为圆心、半径为R2＝4.1mm的一个虚拟圆上，且第一金属通孔21和相邻的两个第二金属通孔22之间相差30°。

参照图5,图5(a)和图5(b)分别为顶盖5的仰视图和主视图，顶盖5采用非铁磁性金属材料，形状为半径Rg＝4.68、高度Hg＝1.5mm带有腔体的圆柱形，该腔体用于放置铁氧体4，其半径Rq＝3.68的，高度Hq＝1mm，在腔体的侧壁上沿圆周方向均匀设置有六个宽度Wb＝2.4mm、高度与腔体高度相同的矩形槽，相邻矩形槽的中心线之间的夹角θ＝60°，保证了中心导体的双Y型结构能够通过该矩形槽伸出顶盖外。

本发明的技术效果通过以下的仿真结果作详细描述。

1仿真内容

(1)通过电磁场仿真软件Ansoft-HFSS仿真了可重用微波环行器的S11、S21、S12参数，其结果如图6所示。

(2)通过电磁场仿真软件Ansoft-HFSS仿真了可重用微波环行器在10GHz频率下的S11、S21、S12参数随介质基板厚度H的变换，其结果如图7所示。

2仿真结果

参照图6，该可重用微波环行器的中心工作频率为10GHz，该点处的反射系数为S11＝-24.9dB，隔离度为S12＝-25.7dB，插入损耗为S21＝-0.36dB，在9.5GHz-10.3GHz频率范围的反射系数S11<-20dB，隔离度S12<-20dB，插入损耗S21>-1dB。仿真结果表明本发明具有环行器的信号的单向传输性能，可以实现环行器和LTCC基板的集成。

参照图7，该可重用微波环行器在中心工作频率10GHz处，LTCC介质基板2厚度H从0.5mm变化到2mm，反射系数S11<-25dB，隔离度S12<-22dB，插入损耗S21>-0.8dB，S11、S12变化小于5dB，S21变化小于1dB。仿真结果表明环行器的S11、S12、S21参数性能随LTCC介质基板的厚度变化较小，且均具有信号的单向传输功能，因此本发明可以在不同厚度介质基板间移植。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求和保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可重用微波环行器，包括接地板(1)、介质基板(2)、中心导体(3)、铁氧体(4)、顶盖(5)和恒磁体(6)，所述介质基板(2)的上下表面上分别印制有中心导体(3)和接地板(1)，其特征在于：所述介质基板(2)上设置有六个第一金属通孔(21)和三个第二金属通孔(22)，且分别与顶盖(5)和中心导体(3)连接，所述顶盖(5)的顶端固定有恒磁体(6)，其下方设置有腔体，腔体内安装有铁氧体(4)，该顶盖(5)设置在中心导体(3)的上方。

2.根据权利要求1所述的可重用微波环行器，其特征在于：所述介质基板(2)采用LTCC材料，所述三个第二金属通孔(22)和六个第一金属通孔(21)均匀分布于以介质基板(2)中心为圆心、半径分别为R1和R2的虚拟圆上，其中R1>R2，且第一金属通孔(21)和相邻的两个第二金属通孔(22)之间相差30°。

3.根据权利要求1所述的可重用微波环行器，其特征在于：所述中心导体(3)是由中心圆结(31)和双Y形结构复合而成，其中小Y(32)的臂采用矩形带线，大Y(33)的臂是由四段大小不同的矩形带线组成，其宽度为W2。

4.根据权利要求1所述的可重用微波环行器，其特征在于：所述铁氧体(4)采用介电常数为15.5、饱和磁化强度为2800Gs介质材料，其形状为圆柱体。

5.根据权利要求1所述的可重用微波环行器，其特征在于：所述顶盖(5)采用形状为圆柱形的非铁磁性金属材料，其腔体的大小与铁氧体(4)相同，在腔体的侧壁上均匀设置有六个的矩形槽，用于使双Y型结构伸出顶盖(5)外，该矩形槽的宽度为Wb，其中Wb>W2。