CN109326860B

CN109326860B - 低温3GHz-9GHz宽温区超宽带微波隔离器及应用

Info

Publication number: CN109326860B
Application number: CN201811295517.2A
Authority: CN
Inventors: 刘洁; 单文磊
Original assignee: Purple Mountain Observatory of CAS
Current assignee: Purple Mountain Observatory of CAS
Priority date: 2018-11-01
Filing date: 2018-11-01
Publication date: 2020-12-08
Anticipated expiration: 2038-11-01
Also published as: CN109326860A

Abstract

本发明提供了一种工作于低温环境的3GHz‑9GHz频段超宽带微波隔离器，包括铁氧体，所述铁氧体采用YAlIG‑10A制成，其中Al₂O₃含量为2.43％，该材料300K时，饱和磁化强度为4πM_s＝880Gauss，100K时4πM_s＝1300Gauss，4K时4πM_s＝1350Gauss。本项发明弥补了国内低温超宽带微波隔离器研制的空白，为射电天文等低噪声雷达接收机前端系统提供了一个关键器件，低温4K‑100K下其相对工作带宽为100％，反向隔离度高，插入损耗小，可以满足超导接收机系统对低温超宽带微波隔离器的需求。

Description

低温3GHz-9GHz宽温区超宽带微波隔离器及应用

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体为一种基于低温铁氧体技术的非互易低温3GHz-9GHz波段的微波隔离器及其在低噪声接收机前端、卫星通讯及超导雷达接收机系统中的应用。

背景技术

微波隔离器是一种基于铁氧体材料实现单向传输的无源器件，广泛应用于雷达接收机、无线通信领域，是接收机前端系统的关键器件之一。随着航天技术的快速发展，卫星通讯在国防和民用领域越来越发挥着重要的作用，基于高低温超导技术的发展，超导雷达接收机系统以及民用移动通讯基站也逐渐采用超导接收机系统，这些系统要求微波器件能够工作在较低的环境温度，而低温微波隔离器能够改善超导接收机系统器件之间的匹配问题；另一方面，在射电天文领域，无论是空间目标探测、射电谱线观测等都需要超高灵敏度的接收机系统，为提高接收机的灵敏度，必须使用工作于低温的超导混频器和低噪声HEMT放大器，而超导混频器和低噪声放大器之间的阻抗失配会引起驻波，从而降低超导混频器的灵敏度，需要工作于低温的微波隔离器来实现级间的阻抗匹配，提高接收机的灵敏度，因此低温微波隔离器也是低温接收机系统前端不可缺少的关键器件之一；与此同时，为提高频段利用率，提高通讯效率，无论是军事国防领域的卫星通讯以及民用通讯领域，接收机系统日益宽带化的发展对器件的宽带化要求也越来越高；随着超宽带低温低噪声放大器的应用，射电天文领域的大规模超导阵列接收机的中频带宽也越来越宽，而低温隔离器正是目前限制接收机系统最终中频输出带宽的瓶颈，而基于双Y结型结构的谐振式低温隔离器受工作模式的限制无法满足超宽带设计要求。

国外对超宽带边导模微波隔离器研究比较早，1971年HINES就提出了边导模微波隔离器设计理论和方法，该模式隔离器不同于Y结型谐振式隔离器，边导模隔离器的波的相速度、衰减系数和特性阻抗都是和工作频率无关，所以该模式能够实现超宽带工作(MARIONE.HINES,“Reciprocal and Nonreciprocal Modes of Propagation in FerriteStripline and Microstrip Devices,”IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques,VOL.MTT-19,No.5,1971,pp.442-451.)，但是该模式仍受低频损耗、静磁模式和高阶模式的限制而影响带宽。边导模隔离器基于铁氧体非互易性原理，反向传输的信号沿渐变线导带传入吸收体从而实现反向隔离。目前常温超宽带边导模隔离器都是基于该理论的应用而设计出来的，但是对于低温超宽带隔离器的研究就比较少。Zeng基于该理论进行了低温超宽带微波隔离器的研制，使用的铁氧体材料为CaV-YIG材料，具体型号为TTVG-1100，该铁氧体材料主要掺杂有Ca和V元素，实现了工作于低温4K条件下的超宽带隔离器研制，其在4GHz-17GHz工作频带内，正向传输损耗约0.6dB，反向隔离度大于10dB(LingzhenZeng，C.Edward Tong,etc.,“A Low-Loss Edge-Mode Isolator With ImprovedBandwidth for Cryogenic Operation,”IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques,VOL.66,No.5,2018,pp.2154-2160.)。然而CaV-YIG材料在低温下饱和磁化强度仍随温度变化比较敏感，参照该文献可知，该材料从低温100K降低到4K，其饱和磁化强度增加了约7.5％，而饱和磁化强度是隔离器设计的关键参数之一，其直接影响了隔离器工作的频带，所以该材料也限制了其低温宽温区的应用，无法同时满足液氮温区的工作环境。近年来，随着更高灵敏度低噪声射电天文接收机、卫星通讯及超导雷达接收机的日益发展与广泛应用，低温隔离器的需求特别是超宽带化的需求也日益剧增。对于超导混频接收机来说，低温隔离器可以应用于超导混频器和低温宽带低噪声放大器之间；对半导体低温接收机中可用于天线和放大器之间或第一级放大器后，实现级间隔离、阻抗匹配的作用。低温隔离器可以大大抑制级间失配引起的驻波对混频器等器件的影响，这对接收机整体性能有着重要的作用，所以低温隔离器，尤其是低温超宽带隔离器对于提升低噪声接收机中频带宽而言是非常必要的。目前国内对低温边导模宽温区超宽带隔离器的研究尚属空白，因而对低温宽温区超宽带隔离器的研制成为低噪声接收机领域迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提供了一种低温4K-100K下具有隔离度高，插入损耗小，可以满足低噪声接收机系统前端需求的低温宽温区超宽带微波隔离器。

本发明具体技术方案如下：

一种铁氧体材料YAlIG-10A，在研制低温环境的3GHz-9GHz频段超宽带微波隔离器中的应用，所述YAlIG-10A的主要成分质量百分含量如下：2.43％Al₂O₃，54.81％Y₂O₃，42.09％Fe₂O₃，0.67％MnO。

本发明所述的低温环境为4K-100K之间，进一步可以为液氦和液氮温区。

该铁氧体材料300K时，饱和磁化强度为4πM_s＝880Gauss，100K时4πM_s＝1300Gauss，4K时4πM_s＝1350Gauss。

本发明另一目的在于提供一种工作于低温环境的3GHz-9GHz频段超宽带微波隔离器，包括铁氧体，所述铁氧体采用本发明所述铁氧体材料YAlIG-10A制成。

上述低温环境为4K-100K之间，进一步可以为液氦和液氮温区。

上述隔离器的工作频率范围为3GHz-9GHz。

本发明所述的隔离器为本领域常规使用的类型和结构，包括波导型或微带型的谐振式隔离器或场移式隔离器以及法拉第旋转式隔离器等，优选边导模结构隔离器，进一步优选渐变带线导体长度为60mm，中间宽度为12.7mm，吸收段导体长度为18.05mm；所述铁氧体长度为56mm，宽度为12mm，厚度为2mm；吸收体的长度为56mm，宽度为8mm，厚度为2mm，吸收体为ECCOSORB MF系列微波吸收材料，优选ECCOSORB MF117、MF124、MF175、MF190中的一种或几种，更优选ECCOSORB MF117。可以实现低温4K-100K下相对工作带宽为100％。

本发明还提供了上述铁氧体材料和隔离器在低噪声接收机前端、卫星通讯及超导雷达接收机系统中的应用。

微波铁氧体用于微波隔离器中作为微波介质材料，其重要参数是饱和磁化强度4πM_s和相对介电常数ε_r，决定着隔离器设计的频段和内部结电路尺寸。本发明选用的铁氧体YAlIG-10A材料的主要成分含量如下(南京森林警察学院-X射线荧光光谱仪测得)：(计量单位：质量百分数％)

成分	Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	MnO
					含量	54.81％	42.09％	2.43％	0.67％

这种材料的常温饱和磁化强度4πM_s＝880Gauss，由南京大学-江苏省纳米技术实验室超导量子干涉仪测量得到的其4πM_s随温度变化的结果如图1所示，结果显示YAlIG-10A材料的4πM_s温度特性则随着温度的降低，其值逐渐增大并在低温下趋于饱和，这一特性符合低温宽温区隔离器的设计要求，其饱和磁化强度由300K时4πM_s＝880Gauss增大到4K时4πM_s＝1350Gauss，增大了约53％，其值相比常温值变化是非常显著的，但是在低温100K时4πM_s＝1300Gauss，在温度100K-4K范围内，其饱和磁化强度仅仅增加约3.8％，从而实现覆盖液氦液氮温区的低温隔离器的研制。本发明所述YAlIG-10A材料介电常数ε_r随温度变化非常小，不影响结构尺寸设计。

根据(MARION E.HINES,“Reciprocal and Nonreciprocal Modes ofPropagation in Ferrite Stripline and Microstrip Devices,”IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques,VOL.MTT-19,No.5,1971,pp.442-451.)，HINES边导模隔离器设计理论，基于低温4K下YAlIG-10A的电磁参数，设计超宽带边导模隔离器，内部结构如图2所示。

有益效果：

本项发明弥补了国内低温宽温区超宽带微波隔离器研制的空白，为射电天文等低噪声雷达接收机前端系统提供了一个关键器件，低温4K-100K下其相对工作带宽为100％，隔离度高，插入损耗小，可以满足超导接收机系统对低温超宽带隔离器的需求，具体指标如下：

频率范围3GHz-9GHz；

正向输入损耗2dB-3dB；

反向隔离20dB-60dB，其中4GHz-7.5GHz频带内，隔离度大于30dB；

电压驻波比1.4；

工作温度4K-100K。

附图说明

图1本发明所述YAlIG-10A材料4πM_s-T关系图。

图2本发明所述低温超宽带隔离器内部结构示意图(图2b是图2a的A-A剖视图(4:1))。

图3本发明所述低温超宽带隔离器内部渐变导带尺寸图。

图4本发明所述低温超宽带隔离器偏置磁场温度关系图。

图5本发明所述低温超宽带隔离器4K下实际隔离效果测试图。

图6本发明所述低温超宽带隔离器50K下实际隔离效果测试图。

图7本发明所述低温超宽带隔离器100K下实际隔离效果测试图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不是用于限制本发明的应用范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

根据HINES边导模设计理论，基于低温4K下YAlIG-10A电磁参数4πM_s＝1350Gauss，ε_r＝13.5，设计低温边导模隔离器，内部结构如图2所示，图2b是图2a的A-A剖视图(4:1)(1、渐变导带；2、吸收体；3、介质板；4、铁氧体YAlIG-10A；5、输入输出SMA接头；6、隔离器基座；7、SmCo永磁体；8、隔离器盖板)，边导模中心渐变带线导体1长度为60mm，铁氧体4长度为56mm，厚度为2mm，吸收端口使用吸收体2来吸收反向隔离信号形成低温隔离器，吸收体为商用ECCOSORB MF117微波吸收材料，隔离器输入输出端口使用Rogers 6010介质板3作为输入输出阻抗匹配，6为低温隔离器铝制基座，7为SmCo永磁体，用于低温磁场偏置，低温4K下其磁场大小为H₀＝880Gauss。选择4K、50K和100K温度下，测量隔离器的隔离效果，结果见图5-图7，结果显示低温4K-100K温度区间，工作频率3GHz-9GHz，本发明所述低温超宽带隔离器隔离度高，插入损耗小，工作带宽为100％，可以满足超导接收机系统对低温超宽带隔离器的需求，具体指标如下：

频率范围3GHz-9GHz；

正向输入损耗2dB-3dB；

反向隔离20dB-60dB，其中4GHz-7.5GHz频带内，隔离度大于30dB；

电压驻波比1.4。

Claims

1. 一种工作于低温环境的3 GHz-9 GHz频段超宽带微波隔离器，包括铁氧体，其特征在于所述铁氧体采用铁氧体材料YAlIG-10A制成，所述YAlIG-10A的主要成分质量百分含量如下：2.43%Al₂O₃，54.81% Y₂O₃，42.09% Fe₂O₃，0.67%MnO，所述隔离器为HINES边导模型隔离器，所述HINES边导模型隔离器的中心渐变带线导体长度为60 mm，中间宽度为12.7mm，吸收段导体长度为18.05mm；所述铁氧体长度为56mm，宽度为12mm，厚度为2mm，吸收体的长度为56mm，宽度为8mm，厚度为2mm，吸收体为ECCOSORB MF系列微波吸收材料。

2.如权利要求1所述的工作于低温环境的3 GHz-9 GHz频段超宽带微波隔离器，其特征在于所述低温环境为4 K-100 K。

3. 如权利要求1所述的工作于低温环境的3 GHz-9 GHz频段超宽带微波隔离器，其特征在于所述吸收体选自ECCOSORB MF117、ECCOSORB MF124、ECCOSORB MF175、ECCOSORBMF190中的一种或几种。

4. 如权利要求 1-3 任一项所述的工作于低温环境的3 GHz-9 GHz频段超宽带微波隔离器，其特征在于应用于低噪声接收机前端、卫星通讯及超导雷达接收机系统。