CN106129563A - 一种基于波导加载铁氧体的可调微波隔离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波导加载铁氧体的可调微波隔离器，涉及微波材料技术领域。在波导中引入单向电磁边界态，设计出了一种工作频段可调的波导隔离器。周期排列的铁氧体柱在外加偏置磁场的作用下，通过与电磁波的耦合，激发了磁表面等离激元，在每组铁氧体柱表面形成了单向电磁边界态。两组铁氧体柱沿轴向分别外加偏置方向相反的静磁场，波导隔离器对不同方向入射的电磁波提供不同的响应，分别表现为导通与阻断特性。改变偏置磁场的大小，可以使磁表面等离激元共振频率发生漂移，从而在不改变外形的条件下调节隔离器的工作频段，实现频率可调特性，同时铁氧体柱散热快，微波隔离器的结构简单。

Description

一种基于波导加载铁氧体的可调微波隔离器

技术领域

本发明涉及微波器件技术领域，特别涉及一种基于波导加载铁氧体的可调微波隔离器。

背景技术

铁氧体隔离器是一种实现微波信号单向传播的非互易二端口微波器件，它允许电磁波从一个端口单向传输到另一个端口，损耗很小；而反向传输时电磁波不能通过，被极大衰减。微波铁氧体器件是现代通信、雷达、电子对抗、测量仪器等电子设备中不可缺少的重要组成部分，最常应用于高功率源与负载之间，以阻断可能使源受到损害的反射。

传统常用铁氧体隔离器，如谐振隔离器，场位移隔离器，结构较复杂，热效应明显，且不具备工作频率可调特性，因此使用范围受到限制。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于波导加载铁氧体的可调微波隔离器，用以解决现有技术中存在的问题。

一种基于波导加载铁氧体的可调微波隔离器，包括相对设置且形状和尺寸相同的第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板和第二介质基板之间固定有形状和尺寸相同的第三介质基板和第四介质基板，所述第一介质基板和第二介质基板平行，所述第三介质基板和第四介质基板平行，所述第三介质基板一端以及所述第四介质基板一端分别垂直固定在所述第一介质基板的两端，所述第三介质基板的另一端以及所述第四介质基板的另一端分别垂直固定在所述第二介质基板的两端；所述第二介质基板在靠近与所述第三介质基板连接处的位置开设有三个第一过孔，三个所述第一过孔沿平行于所述第三介质基板的方向均匀排列，所述第一介质基板上开设有三个与三个所述第一过孔位置一一对应的第二过孔，且所述第一过孔和第二过孔的半径相同，每个所述第一过孔以及位置对应的所述第二过孔中均固定有一个第一铁氧体柱；所述第二介质基板在靠近与所述第四介质基板连接处的位置开设有三个第三过孔，三个所述第三过孔沿平行于所述第四介质基板的方向均匀排列，所述第一介质基板上开设有三个与三个所述第三过孔位置一一对应的第四过孔，且所述第三过孔和第四过孔的半径相同，每个所述第三过孔以及位置对应的所述第四过孔中均固定有一个第二铁氧体柱；所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板上均覆有导电金属层；所述第一铁氧体柱和第二铁氧体柱在轴线方向上分别加载有大小相同方向相反的外加偏置静磁场。

优选地，以所述第一介质基板的长度与所述第三介质基板的高度构成的波导口允许TE10模式波传输。

优选地，两个相邻的所述第一过孔之间的距离与两个相邻的所述第三过孔之间的距离相等，所述第一过孔与第三介质基板的距离和所述第三过孔与第四介质基板的距离相等，所述第一铁氧体柱的半径与所述第二铁氧体柱的半径相等。

优选地，所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板使用介电常数在1～4.6之间的复合材料制成。

优选地，所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板构成波导壁，所述波导壁由表面覆铜的结构性材料制成。

优选地，所述第一铁氧体柱和第二铁氧体柱均为柱状结构，其材料均为软磁铁氧体。

优选地，构成所述第一铁氧体柱和第二铁氧体柱的材料为钇铁石榴石铁氧体、镍锌铁氧体、锰锌铁氧体和镁锰铁氧体中至少一种。

本发明实施例中在波导中引入单向电磁边界态，设计出了一种工作频段可调的波导隔离器。周期排列的铁氧体柱在外加偏置磁场的作用下，通过与电磁波的耦合，激发了磁表面等离激元，在每组铁氧体柱表面形成了单向电磁边界态。两组铁氧体柱沿轴向分别外加偏置方向相反的静磁场，波导隔离器对不同方向入射的电磁波提供不同的响应，分别表现为导通与阻断特性。改变偏置磁场的大小，可以使磁表面等离激元共振频率发生漂移，从而在不改变外形的条件下调节隔离器的工作频段，实现频率可调特性。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提出的波导隔离器，结构简单设计灵活，改变外形尺寸可以设计出不同工作频段的隔离器；

(2)本发明中，波导内分立的铁氧体棒有利于器件的散热，进而减少隔离器热效应对器件工作效果的影响；

(3)本发明提出的波导隔离器，通过改变外加静磁场，可以在隔离器外形不变的条件下实现工作频段可调，有较好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于波导加载铁氧体的可调微波隔离器的结构示意图；

图2为图1中隔离器在外加偏置磁场大小H₀＝1800Oe的工作频段S参数幅值曲线；

图3为图1中隔离器在外加偏置磁场大小H₀＝1400Oe的S参数幅值曲线；

图4为图1中隔离器在外加偏置磁场大小H₀＝1600Oe的S参数幅值曲线；

图5为图1中隔离器在外加偏置磁场大小H₀＝1800Oe的S参数幅值曲线；

图6为图1中隔离器在外加偏置磁场大小H₀＝2000Oe的S参数幅值曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明提供了一种基于波导加载铁氧体的可调微波隔离器，所述隔离器包括平行且相对设置的第一介质基板100和第二介质基板200，所述第一介质基板100和第二介质基板200的尺寸相同，其长度均为w，且所述第一介质基板100和第二介质基板200在两侧面上均覆有导电金属层，优选地，所述第一介质基板100和第二介质基板200使用介电常数在1～4.6之间的复合材料制成，所述导电金属层为铜或铝。

所述第一介质基板100和第二介质基板200之间固定有第三介质基板300和第四介质基板400，所述第三介质基板300和第四介质基板400具有相同的尺寸，其高度均为h，所述第三介质基板300和第四介质基板400分别垂直固定在所述第一介质基板100两端，同时所述第三介质基板300和第四介质基板400也分别垂直固定在所述第二介质基板200两端，因此所述第一介质基板100、第二介质基板200、第三介质基板300和第四介质基板400组成开口尺寸为h*w的矩形框。所述第三介质基板300和第四介质基板400在两侧面上均覆有导电金属层，优选地，所述第三介质基板300和第四介质基板400使用介电常数在1～4.6之间的复合材料制成，所述导电金属层为铜或铝。

所述第二介质基板200在靠近与所述第三介质基板300连接处的位置开设有三个半径为r的第一过孔210，三个所述第一过孔210沿与所述第三介质基板300平行的方向均匀排列，两个相邻的所述第一过孔210的距离相等，均为a，且所述第一过孔210与所述第三介质基板300的距离也相等，均为d。所述第一介质基板100上开设有与三个所述第一过孔210的位置一一对应的第二过孔(图未示)，所述第二过孔的半径与所述第一过孔210的半径相同。在本实施例中，所述第一过孔210和第二过孔内部均没有涂覆所述导电金属层。

所述第二介质基板200在靠近与所述第四介质基板400连接处的位置开设有三个半径为r的第三过孔220，三个所述第三过孔220沿与所述第四介质基板400平行的方向均匀排列，两个相邻的所述第三过孔220的距离相等，均为a，且所述第三过孔220与所述第四介质基板400的距离也相等，均为d。所述第一介质基板100上开设有与三个所述第三过孔220的位置一一对应的第四过孔(图未示)，所述第四过孔的半径与所述第三过孔220的半径相同。在本实施例中，所述第三过孔220和第四过孔内部均没有涂覆所述导电金属层。

所述第一介质基板100和第二介质基板200之间固定有三个半径为r的第一铁氧体柱500以及三个半径为r的第二铁氧体柱600，三个所述第一铁氧体柱500一一对应的插入所述第一过孔210中，三个所述第二铁氧体柱600一一对应的插入所述第三过孔220中。每个所述第一铁氧体柱500一端插入所述第一过孔210，另一端插入与被插入的所述第一过孔210对应的所述第二过孔中，同时，每个所述第二铁氧体柱600一端插入所述第三过孔220，另一端插入与被插入的所述第三过孔220对应的所述第四过孔中。所述第一铁氧体柱500和第二铁氧体柱600在轴向上加载有大小相同且方向相反的外加偏置静磁场H₀。

在本发明的一个优选实施例中，所述第一介质基板100、第二介质基板200、第三介质基板300和第四介质基板400构成波导壁，其材质选用具有一定强度且表面覆铜的结构性材料，优选的为介质材料FR-4(玻璃纤维增强树脂基复合材料)，并双面覆铜。所述第一铁氧体柱500和第二铁氧体柱600材质选用软磁铁氧体材料，可以为钇铁石榴石铁氧体、镍锌铁氧体、锰锌铁氧体或镁锰铁氧体中的至少一种，优选为钇铁石榴石铁氧体，饱和磁化强度4πM_s＝1600Oe，介电常数ε_r＝14。设计波导端口宽度w＝38mm，所述第一铁氧体柱500和第二铁氧体柱600的半径r＝2mm，高度h＝19mm，间距a＝4mm，间距d＝2mm。即以所述第一介质基板100的长度与所述第三介质基板300的高度构成的波导口允许TE10模式波传输。

参照图2，外加偏置磁场大小固定为H₀＝1800Oe时，本发明的S参数幅值曲线如图2。结果表明本实施例中波导隔离器工作中心频率为7.25GHz，按反向传输系数S12小于-15dB选取的工作频段为7.05-7.45GHz，带宽约为400MHz，带内最小差损小于1dB，表现出良好的正向导通反向隔离特性。

图3-图6分别示出不同外加偏置磁场时，本实施例中工作频段的漂移情况。如图3-图6所示，当外加偏置磁场大小从图3中1400Oe以200Oe为步长增加到图6中2000Oe时，波导隔离器的工作频段明显向高频漂移，表现出良好的工作频段可调特性。值得注意的是，当外加偏置磁场均匀变化时，隔离器的工作频段也按比例变化，通过计算可较容易的设计出不同工作频段需求的波导隔离器。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种基于波导加载铁氧体的可调微波隔离器，其特征在于，包括相对设置且形状和尺寸相同的第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板和第二介质基板之间固定有形状和尺寸相同的第三介质基板和第四介质基板，所述第一介质基板和第二介质基板平行，所述第三介质基板和第四介质基板平行，所述第三介质基板一端以及所述第四介质基板一端分别垂直固定在所述第一介质基板的两端，所述第三介质基板的另一端以及所述第四介质基板的另一端分别垂直固定在所述第二介质基板的两端；所述第二介质基板在靠近与所述第三介质基板连接处的位置开设有三个第一过孔，三个所述第一过孔沿平行于所述第三介质基板的方向均匀排列，所述第一介质基板上开设有三个与三个所述第一过孔位置一一对应的第二过孔，且所述第一过孔和第二过孔的半径相同，每个所述第一过孔以及位置对应的所述第二过孔中均固定有一个第一铁氧体柱；所述第二介质基板在靠近与所述第四介质基板连接处的位置开设有三个第三过孔，三个所述第三过孔沿平行于所述第四介质基板的方向均匀排列，所述第一介质基板上开设有三个与三个所述第三过孔位置一一对应的第四过孔，且所述第三过孔和第四过孔的半径相同，每个所述第三过孔以及位置对应的所述第四过孔中均固定有一个第二铁氧体柱；所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板上均覆有导电金属层；所述第一铁氧体柱和第二铁氧体柱在轴线方向上分别加载有大小相同方向相反的外加偏置静磁场。

2.如权利要求1所述的微波隔离器，其特征在于，以所述第一介质基板的长度与所述第三介质基板的高度构成的波导口允许TE10模式波传输。

3.如权利要求1所述的微波隔离器，其特征在于，两个相邻的所述第一过孔之间的距离与两个相邻的所述第三过孔之间的距离相等，所述第一过孔与第三介质基板的距离和所述第三过孔与第四介质基板的距离相等，所述第一铁氧体柱的半径与所述第二铁氧体柱的半径相等。

4.如权利要求1所述的微波隔离器，其特征在于，所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板使用介电常数在1～4.6之间的复合材料制成。

5.如权利要求4所述的微波隔离器，其特征在于，所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板构成波导壁，所述波导壁由表面覆铜的结构性材料制成。

6.如权利要求1所述的微波隔离器，其特征在于，所述第一铁氧体柱和第二铁氧体柱均为柱状结构，其材料均为软磁铁氧体。

7.如权利要求6所述的微波隔离器，其特征在于，构成所述第一铁氧体柱和第二铁氧体柱的材料为钇铁石榴石铁氧体、镍锌铁氧体、锰锌铁氧体和镁锰铁氧体中至少一种。