CN109301415A - 基于高介陶瓷的铁氧体半填充式siw环行器及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高介陶瓷的铁氧体半填充式SIW环行器及加工方法，包括水平设置的基板，基板中心设有圆形通孔，通孔内设有铁氧体基片，铁氧体基片上方设有永磁体，铁氧体基片上表面设有一金属盖板，金属盖板上表面与基板上表面平齐，并与表面微带电路连通，所述永磁体下表面与金属盖板上表面固定连接；基板上表面沿圆形通孔的径向设有三个金属化槽孔，所述金属化槽孔分别位于三个电磁波信号传输通道中，且一端与金属盖板焊接；所述金属化槽孔、旋磁铁氧体基片和表面微带电路整体与电磁波阻抗匹配。本发明克服传统SIW器件在X波段及以下低频段无法实现小型化，且对于复杂介质腔体工艺实现成本高、难于实现等问题，工艺简单，精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种SIW环行器，尤其涉及一种基于高介陶瓷的铁氧体半填充式SIW环行器及加工方法。
背景技术
SIW环行器因其小型化、低损耗、高功率等优点，是微波工程中一类重要的基础性器件，主要起到起到信号定向传输、收发双工、隔离信号、保护前级系统的作用。广泛应用于民用通讯、微波测量、雷达、通信、电子对抗、航空航天等各种民用、军用设备中。
传统的SIW环行器中心节与微带线间的连接，都是采用各种圆弧、抛物线或其他图形作为过渡线过渡，起到匹配电路的作用。金属化通孔主要起到模拟波导壁的作用，将电磁波约束在波导壁内，在介质内进行传播，但金属化通孔的大小和间距在一定程度上对器件电性能有影响。
传统的SIW环行器技术问题及缺陷主要体现在以下两个方面：
1.传统的SIW器件多采用PCB板、三氧化二铝及高阻硅作为腔体介质材料，这些材料的介电常数较低，限制了SIW环行器在低频段（X波段及以下）的尺寸，很难实现器件的小型化。
2.现有SIW环行器主要通过表面电路来匹配，可操作空间小，器件在实现高性能、宽带、小型化上有困难。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，克服传统SIW器件在X波段及以下低频段无法实现小型化，且对于复杂介质腔体工艺实现成本高、难于实现等问题的基于高介陶瓷的铁氧体半填充式SIW环行器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于高介陶瓷的铁氧体半填充式SIW环行器，包括水平设置的基板，基板中心设有圆形通孔，所述通孔内设有铁氧体基片，铁氧体基片上方设有永磁体，基板上表面设有由金属图形构成的表面微带电路、以及贯穿基板用以形成信号传输通道金属壁的数个金属化通孔，所述金属化通孔形成三个电磁波信号传输通道，基板三个边沿处各设有一输出端口，所述输出端口分别位于三个电磁波信号传输通道中，所述铁氧体基片下表面与基板下表面平齐，厚度小于基板厚度，铁氧体基片上表面设有一形状与之相同的金属盖板，所述金属盖板上表面与基板上表面平齐，并与表面微带电路连通，所述永磁体下表面与金属盖板上表面固定连接；
所述基板采用陶瓷材料制成，上表面沿圆形通孔的径向设有三个金属化槽孔，所述金属化槽孔分别位于三个电磁波信号传输通道中，且一端与金属盖板焊接；
所述金属化槽孔、旋磁铁氧体基片和表面微带电路整体与电磁波阻抗匹配。
作为优选：所述基板下表面设有匀磁板。
一种基于高介陶瓷的铁氧体半填充式SIW环行器的加工方法，包括以下步骤：
（1）根据需加工的产品的频段范围，建立仿真模型，并通过数值优化仿真分析软件确定电路匹配孔与周围电路的尺寸关系；
（2）根据仿真模型，在基板上加工圆形通孔、金属化槽孔，并在加工表面微带电路和背面电路，将该基板与匀磁板焊接装配在一起；
（3）装入铁氧体基片、盖上盖板，粘接永磁体。
本发明和现有技术相比，具有以下明显区别：
（1）由于传统的SIW结构环行器基材多采用PCB板制成，其材料无法满足在腔体表面设计盲孔的需求，所以也无法通过设置金属化槽孔的方式来进行调节，本发明采用高介陶瓷作为微波传输的介质材料，因此具有小型化、宽频带的优势。
（2）传统的SIW环形器，铁氧体基片位于基板中心，厚度与基板厚度一致，而本发明中，通过减小铁氧体基片厚度形成一设置金属盖板的空间，金属盖板下表面与铁氧体基片连接，上表面与基板的表面微带电路连通。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）高介陶瓷上微带电路采用薄膜工艺制作，电路精确度高且工艺成熟，在陶瓷上采用激光打孔或模具成型制作的陶瓷基板，包含铁圆形通孔、接地孔及匹配槽孔，工艺实现成本低且一致性高。在保证加工精度的同时，还能降低制作成本，能有效缩小低频段SIW环行器的尺寸，使此类SIW器件能够实现小型化，同时满足宽带及更高的电性能指标。这里的低频段是指X波段及以下频段。
（2）通过减小铁氧体基片厚度形成一设置金属盖板的空间，金属盖板与铁氧体基片连接，可使铁氧体基片上下表面接地良好，获得较好的损耗性能；而金属盖板与表面微带电路连通，可以使基板表面微带电路的连续性得以实现，具有提升环行器整体电性能指标的功效。
附图说明
图1为现有技术结构示意图；
图2为本发明结构示意图；；
图3为本发明损耗仿真曲线；
图4为本发明驻波仿真曲线。
图中：1、基板；2、匀磁板；3、铁氧体基片；4、永磁体；5、表面微带电路；6、金属化通孔；7、输出端口；8、金属盖板；9、金属化槽孔。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：参见图1和图2，图1为现有技术，其中，SIW环行器结构如图1，包括基板1、匀磁板2、铁氧体基片3、永磁体4、表面微带电路5、金属化通孔6，输出端口7.其原理为：表面微带电路5采用各种圆弧、抛物线或其他图形作为过渡线过渡，起到匹配电路的作用。金属化通孔6主要起到模拟波导壁的作用，将电磁波约束在波导壁内，在介质内进行传播，但金属化通孔6的大小和间距在一定程度上对器件电性能有影响，所以现有技术中，SIW环行器的带宽主要通过表面电路来匹配。
本发明是一种基于高介陶瓷的铁氧体半填充式SIW环行器，包括水平设置的基板1，基板1中心设有圆形通孔，所述通孔内设有铁氧体基片3，铁氧体基片3上方设有永磁体4，基板1上表面设有由金属图形构成的表面微带电路5、以及贯穿基板1用以形成信号传输通道金属壁的数个金属化通孔6，所述金属化通孔6形成三个电磁波信号传输通道，基板1三个边沿处各设有一输出端口7，所述输出端口7分别位于三个电磁波信号传输通道中，所述铁氧体基片3下表面与基板1下表面平齐，厚度小于基板1厚度，铁氧体基片3上表面设有一形状与之相同的金属盖板8，所述金属盖板8上表面与基板1上表面平齐，并与表面微带电路5连通，所述永磁体4下表面与金属盖板8上表面固定连接；
所述基板1采用陶瓷材料制成，上表面沿圆形通孔的径向设有三个金属化槽孔9，所述金属化槽孔9分别位于三个电磁波信号传输通道中，且一端与金属盖板8焊接；
所述金属化槽孔9、旋磁铁氧体基片3和表面微带电路5整体与电磁波阻抗匹配。
本实施例中：所述基板1下表面设有匀磁板2。
一种基于高介陶瓷的铁氧体半填充式SIW环行器的加工方法，包括以下步骤：
（1）根据需加工的产品的频段范围，建立仿真模型，
并通过数值优化仿真分析软件确定电路匹配孔与周围电路的尺寸关系；
（2）根据仿真模型，在基板1上加工圆形通孔、金属化槽孔9，并在加工表面微带电路5和背面电路，将该基板1与匀磁板2焊接装配在一起；
（3）装入铁氧体基片3、盖上盖板，粘接永磁体4。
本发明中，采用高介电常数的陶瓷材料作为腔体介质材料，也就是基板1，可以有效缩小X波段及以下波段的SIW环行器的尺寸，对高介陶瓷采用激光打孔或模具成型等方式在腔体上面表面制作槽孔，采用器件表面电路与金属化槽孔相结合的匹配方式，拓展器件带宽，提高器件性能，并且降低了器件实现的工艺难度。
实施例2：
参见图1到图4。结构设计与实施例1相同。
本实施例针对一款频率在7-13GHz内的环行器进行了验证，该环行器采用传统的微带铁氧体基片3结构进行设计，其回波损耗和隔离度要达到-15dB以下，带宽只能做到8GHz-12.5 GHz左右，且带宽的展宽依赖于环行器所用铁氧体材料的饱和磁化强度及微带电路的尺寸。若要实现7-13GHz内的带宽，则需要提高微带铁氧体器件的饱和磁化强度（相对于X波段频段内）或者增加器件的外形尺寸，铁氧体饱和磁化强度的提高对于微带环行器来说，会带来一定的低场损耗，影响器件的电气性能。另外，外形尺寸的增加不能满足目前微波系统小型化的需求。
采用本专利的结构形式实现的环行器，即采用高阶陶瓷嵌套铁氧体基片3的结构形式，通过镶嵌将铁氧体基片3尺寸缩小，利于饱和磁化，可较传统的微带环行器在铁氧体基片3饱和磁化强度的选择上有更大空间。同时，采用高介陶瓷实现环行器的小型化设计。采用金属化槽孔9的设计是环行器平面电路拓展为立体电路，实现环行器的宽带化性能。本专利技术应用后的技术效果参见图3和图4。在7-13GHz频段内，环行器的回波损耗和隔离度满足-15dB以下的电气性能指标，且外形尺寸较传统微带环行器小。可以看到，本专利的技术，实现了平面环行器小型化、宽带化的突破。应用本专利技术后的技术效果参见图3、图4。
图3为本发明损耗仿真曲线；图4为本发明驻波仿真曲线，图3图4中，一共三端口输出三条曲线，但因为其中两条高度重叠，所以图上看到只有2条曲线。从仿真曲线可以看到，环行器实现较好的宽频带性能。
本发明在建模时，其相关参数，如厚度、高度的选取均参考脊波导中金属脊的相关设计来开展，后续通过电磁仿真软件仿真优化，得到金属化槽孔9与陶瓷基板1表面微带电路5之间的匹配。本文介绍的环行器其电路结构不仅限于平面电路，是平面电路与空间电路的结合，这也是本环行器设计的一个创新点。通过此匹配，可将环行器带宽拓展40%。
Claims (3)
1.一种基于高介陶瓷的铁氧体半填充式SIW环行器，包括水平设置的基板，基板中心设有圆形通孔，所述通孔内设有铁氧体基片，铁氧体基片上方设有永磁体，基板上表面设有由金属图形构成的表面微带电路、以及贯穿基板用以形成信号传输通道金属壁的数个金属化通孔，所述金属化通孔形成三个电磁波信号传输通道，基板三个边沿处各设有一输出端口，所述输出端口分别位于三个电磁波信号传输通道中，其特征在于：
所述铁氧体基片下表面与基板下表面平齐，厚度小于基板厚度，铁氧体基片上表面设有一形状与之相同的金属盖板，所述金属盖板上表面与基板上表面平齐，并与表面微带电路连通，所述永磁体下表面与金属盖板上表面固定连接；
所述基板采用陶瓷材料制成，上表面沿圆形通孔的径向设有三个金属化槽孔，所述金属化槽孔分别位于三个电磁波信号传输通道中，且一端与金属盖板焊接；
所述金属化槽孔、旋磁铁氧体基片和表面微带电路整体与电磁波阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的基于高介陶瓷的铁氧体半填充式SIW环行器，其特征在于：所述基板下表面设有匀磁板。
3.一种根据权利要求1所述的基于高介陶瓷的铁氧体半填充式SIW环行器的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)根据需加工的产品的频段范围，建立仿真模型，并通过数值优化仿真分析软件确定电路匹配孔与周围电路的尺寸关系；
(2)根据仿真模型，在基板上加工圆形通孔、金属化槽孔，并在加工表面微带电路和背面电路，将该基板与匀磁板焊接装配在一起；
(3)装入铁氧体基片、盖上盖板，粘接永磁体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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