CN109546266A - 一种铁氧体开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种铁氧体开关，包括器体，器体的侧面具有三个端口，三个端口向器体内凹陷并延伸至相互连通形成Y型波导腔，波导腔的中心设置有铁氧体，铁氧体的上下表面均固定结合有垫片，铁氧体具有三个分别指向所述三个端口的凸起部形成Y型铁氧体，每个凸起部的端面均依次固定结合有第一径向匹配片和第二径向匹配片，第一径向匹配片的至少一侧表面与所述波导腔的内侧表面接触，并且第一径向匹配片的导热系数大于所述第二径向匹配片的导热系数，铁氧体上设有多个穿线孔，磁化线圈依次穿过各穿线孔后与控制电路连接。铁氧体工作时产生的热量通过第一径向匹配片向波导腔和热沉传导，降低铁氧体的温度，从而提高了铁氧体开关的功率容量。

Description

一种铁氧体开关

技术领域

本发明涉及铁氧体开关领域。更具体地，涉及一种星载跳波束通信高功率铁氧体开关。

背景技术

传统的铁氧体开关包括：腔体、轴向匹配片、径向匹配片、铁氧体、磁化线圈、吸收负载。当输入信号的平均功率增大时，铁氧体样品吸收微波能量产生热量。如果热量不能散出去、越积越多，将导致铁氧体样品温度过高、磁化强度下降，从而偏离工作点，损耗增大，产生的热量更多。这样的恶性循环，会使开关的性能变差，甚至失效。

在真空环境下，铁氧体样品上的热量通过热传导传播至金属腔体，进而传播至热沉。铁氧体样品至金属腔体的传播路径有两条，一条经过轴向匹配片，另一条经过径向匹配片。传统的设计中，无论轴向匹配片还是径向匹配片，其热传导系数都不够大，或者说两条热传播路径的热阻都较大，制约了开关功率容量的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁氧体开关，该铁氧体开关降低铁氧体热传导路径上的热阻，解决传统铁氧体开关在输入微波信号的功率增大时，由于铁氧体产生的热量传播不出去而造成的铁氧体温升过大导致铁氧体开关性能恶化的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种铁氧体开关，包括器体，所述器体的侧面具有三个端口，所述三个端口向器体内凹陷并延伸至相互连通形成Y型波导腔，所述波导腔的中心设置有铁氧体，所述铁氧体的上下表面均固定结合有垫片，所述铁氧体具有三个分别指向所述三个端口的凸起部形成Y型铁氧体，每个所述凸起部的端面均依次固定结合有第一径向匹配片和第二径向匹配片，所述第一径向匹配片的至少一侧表面与所述波导腔的内侧表面接触，并且所述第一径向匹配片的导热系数大于所述第二径向匹配片的导热系数，所述铁氧体上设有多个穿线孔，磁化线圈依次穿过各穿线孔后与控制电路连接。

优选地，所述第一径向匹配片的上下两侧表面分别与波导腔的内侧表面贴合。

优选地，所述第一径向匹配片的材料的导热系数为不小于180W/(m·K)。

优选地，所述铁氧体包括中心部，所述中心部与其外围的三个凸起部共同形成Y型铁氧体，所述凸起部设置为矩形结构，并与所述中心部一体成型。

优选地，所述第一径向匹配片和第二径向匹配片的截面均设置为矩形，且第一径向匹配片的截面面积大于第二径向匹配片的截面面积。

优选地，所述第二径向匹配片粘接固定于所述第一径向匹配片表面，所述第一径向匹配片粘接固定于所述凸起部的端面。

优选地，所述三个凸起部上均开设有所述穿线孔，所述磁化线圈按照环形方向依次穿过所述穿线孔。

优选地，所述垫片设置为圆形，并通过粘接固定于所述铁氧体的中心部上下表面。

优选地，所述器体包括形成Y型波导槽的本体、以及固定结合于所述本体上表面的盖体，通过所述盖体盖合于所述本体顶端共同形成Y型波导腔。

优选地，所述铁氧体的上下两侧表面分别与垫片粘接固定，所述铁氧体的上下两侧的垫片分别与Y型波导腔的上表面和下表面粘接固定。

本发明的有益效果如下：

本发明通过在铁氧体上依次设置两个径向匹配片，其中靠近铁氧体的第一径向匹配片的导热系数大于第二径向匹配片的导热系数，使得铁氧体工作时产生的热量通过第一径向匹配片向波导腔和热沉传导，降低铁氧体的温度，从而提高了铁氧体开关的功率容量，解决了传统铁氧体开关热量从铁氧体样品至金属腔体传导较差的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明的结构示意图。

图2示出本发明的局部结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

根据本发明的一个实施例的铁氧体开关，可用于高功率星载跳波束微波通信。如图1和图2所示，该铁氧体开关包括器体1，器体1的侧面具有三个端口，所述三个端口向器体内凹陷并延伸至相互连通形成Y型波导腔。

在一种实施方式中，器体1为一个整体，所述Y型波导腔为在器体1内部加工而成，Y型波导腔的中心设置有铁氧体2，铁氧体2的上下两侧表面均粘接固定有垫片3，垫片3粘接于Y型波导腔的内侧表面。

在另一实施方式中，器体1由下部的主体和上部的盖体两部分构成，主体内部加工有Y型波导槽，Y型波导槽的三个端口开设于主体的侧面上。Y型波导槽与盖体盖合后形成器体1内的Y型波导腔。Y型波导腔的中心设置有铁氧体2，铁氧体2的上下两侧表面均粘接固定有垫片3，铁氧体2的上下两侧的垫片3分别粘接于盖体和主体的表面。

在这两种实施方式中，铁氧体2均具有三个分别指向三个端口的凸起部，每个凸起部的端面均粘接有第一径向匹配片4，第一径向匹配片4远离铁氧体2的一侧表面粘接固定有第二径向匹配片5。第一径向匹配片4的上下表面与Y型波导腔的内侧表面粘接固定，本发明中的第一径向匹配片4的导热系数大于第二径向匹配片5的导热系数。铁氧体2上设有多个穿线孔，磁化线圈6依次穿过各穿线孔后，与控制电路9连接。

铁氧体开关工作在开态时，磁化线圈6通过正向磁化电流，微波信号从a端口进入后，经过第二径向匹配片5、第一径向匹配片4和铁氧体2后，正向磁化的铁氧体使微波信号环行至b端口输出；铁氧体开关工作在关态时，磁化线圈通过反向磁化电流，当微波信号从腔体的a端口进入后，经第二径向匹配片5、第一径向匹配片4和铁氧体2后，反向磁化的铁氧体使微波信号环行至c端口，并被c端口的吸收负载7吸收，形成关断。

当微波信号的功率较大时，铁氧体2在使微波信号环行的过程中会消耗能量、产生热量。如果热量不能有效地传播出去而使铁氧体2的温升过大，将使铁氧体环行性能变差，同时消耗更多的能量、产生更多的热量，使开关性能变差、甚至失效。真空环境下，热量主要通过传导向外传播。热量从铁氧体2传导到热沉的路径有两条：一条是铁氧体→径向匹配片→腔体→热沉，另一条是铁氧体→垫片→腔体→热沉。

在以上两条热传播路径中，金属腔体的导热性能远好于铁氧体2、垫片3和匹配片，不构成热传播的瓶颈。传统设计中，铁氧体2、垫片3和匹配片的导热性能相当，都不太好。铁氧体2是开关的核心部件，需要保证其饱和磁化强度、剩磁比、温度特性和抗高功率下的非线性效应，很难同时提高其导热性能。垫片3起到支撑铁氧体2的作用。因为铁氧体开关常采用上下分腔结构，铁氧体材料又属于硬脆材料，所以要求垫片3具有一定的弹性以保证自身不被压碎同时铁氧体2不被压裂。具有弹性、导热性能又好的微波材料很难找到。因此，匹配片成为改善热传导的关键。

匹配片在铁氧体开关中起到的主要作用是阻抗匹配。本发明的匹配片包括第一径向匹配片4和第二径向匹配片5，其中第一匹配片4的导热系数大于第二匹配片5的导热系数，优选地，第一径向匹配片4的导热系数不小于180W/(m·K)。因此本发明通过较大导热系数的第一径向匹配片4向腔体传导铁氧体2产生的热量，降低铁氧体→匹配片→腔体→热沉这条热传播途径的热阻，有效减小了铁氧体2上热量的积累，本发明的铁氧体开关在Ku波段真空条件下的平均功率容量可以达到100W以上，满足了星载通信系统对铁氧体开关的需求。

具体的，铁氧体2通过第一径向匹配片4与腔体和热沉相连，铁氧体2与第一径向匹配片4的接触面积与第一径向匹配片4与波导腔的接触面积相同，铁氧体2内部热源均匀而第一径向匹配片4内部无热源。这时，铁氧体2的平均温升ΔT_f和铁氧体2的厚度t_f、热传导系数k_f以及第一径向匹配片4的厚度t_m、热传导系数k_m的关系为

传统设计中，t_m≈t_f、k_m≈5k_f，这样ΔT_f∝0.53t_f/k_f。本发明采用的第一径向匹配片4，其热传导系数是传统设计的6倍以上。此时，ΔT_f∝0.37t_f/k_f，温升为传统设计的68％。或者等效地，以温升相同计，功率容量是传统设计的1.5倍。

进一步地，本实施例中的铁氧体2为Y形结构，所述Y形结构的铁氧体2可由三个凸起部直接构成，也可由中心部和凸起部构成，所述中心部为三角形，所述凸起部从中心部的三个侧面向外延伸，与中心部一起形成Y形结构的铁氧体2。所述凸起部为方形结构，优选为长方形结构。铁氧体2的每个凸起部上设有一个穿线孔，分别贯穿铁氧体2的每个凸起部，磁化线圈6的一端按照环形方向依次穿过铁氧体2上的各穿线孔后，与控制电路接通后，产生的电流使铁氧体2被磁化。铁氧体2具有三个凸起部，每个凸起部分别指向一个端口，并且在每个凸起部与端口相对的端面上均粘接固定有第一径向匹配片4和第二径向匹配片5，这样有利于和三个端口进行阻抗匹配，电气性能良好。

进一步的，垫片3设置为圆片形状，数量为两个，分别粘接于所述中心部的两侧表面，垫片3的外侧表面粘接于Y型波导腔的内侧表面。所述凸起部的端面与第一径向匹配片4粘接固定，第二径向匹配片5粘接于第一径向匹配片4远离铁氧体2的一侧表面，且第一径向匹配片4和第二径向匹配片5的截面均设置为矩形，第一径向匹配片4的截面面积大于第二径向匹配片5的截面面积。此种结构的铁氧体开关在具有良好的微波匹配的同时，通过提高第一径向匹配片4与波导腔的接触面积，提高铁氧体2通过第一径向匹配片4向腔体和热沉的导热率。

进一步的，器体1可为长方体结构，也可以为其他形状，比如正六棱柱形结构，所述三个端口分别位于长方体器体的三个侧面上，或正六棱柱形器体互不相邻的三个侧面上，所述三个端口为方形结构，具体可以为正方形或长方形结构，优选长方形结构。三个所述端口分别构成了Y形波导腔的三个开口端。构成Y形波导腔的三个腔室之间的夹角优选120°，若因外形结构需要，夹角也可为其他角度，但是三个腔室之间的夹角为其他角度时，器件的电气性能下降，比如传输损耗大，频带宽度窄。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种铁氧体开关，包括器体，所述器体的侧面具有三个端口，所述三个端口向器体内凹陷并延伸至相互连通形成Y型波导腔，其特征在于，所述波导腔的中心设置有铁氧体，所述铁氧体的上下表面均固定结合有垫片，所述铁氧体具有三个分别指向所述三个端口的凸起部形成Y型铁氧体，每个所述凸起部的端面均依次固定结合有第一径向匹配片和第二径向匹配片，所述第一径向匹配片的至少一侧表面与所述波导腔的内侧表面接触，并且所述第一径向匹配片的导热系数大于所述第二径向匹配片的导热系数，所述铁氧体上设有多个穿线孔，磁化线圈依次穿过各穿线孔后与控制电路连接。

2.根据权利要求1所述的铁氧体开关，其特征在于，所述第一径向匹配片的上下两侧表面分别与波导腔的内侧表面贴合。

3.根据权利要求2所述的铁氧体开关，其特征在于，所述第一径向匹配片的材料的导热系数为不小于180W/(m·K)。

4.根据权利要求1所述的铁氧体开关，其特征在于，所述铁氧体包括中心部，所述中心部与其外围的三个凸起部共同形成Y型铁氧体，所述凸起部设置为矩形结构，并与所述中心部一体成型。

5.根据权利要求4所述的铁氧体开关，其特征在于，所述第一径向匹配片和第二径向匹配片的截面均设置为矩形，且第一径向匹配片的截面面积大于第二径向匹配片的截面面积。

6.根据权利要求4所述的铁氧体开关，其特征在于，所述第二径向匹配片粘接固定于所述第一径向匹配片表面，所述第一径向匹配片粘接固定于所述凸起部的端面。

7.根据权利要求4所述的铁氧体开关，其特征在于，所述三个凸起部上均开设有所述穿线孔，所述磁化线圈按照环形方向依次穿过所述穿线孔。

8.根据权利要求4所述的铁氧体开关，其特征在于，所述垫片设置为圆形，并通过粘接固定于所述铁氧体的中心部上下表面。

9.根据权利要求1所述的铁氧体开关，其特征在于，所述器体包括形成Y型波导槽的本体、以及固定结合于所述本体上表面的盖体，通过所述盖体盖合于所述本体顶端共同形成Y型波导腔。

10.根据权利要求9所述的铁氧体开关，其特征在于，所述铁氧体的上下两侧表面分别与垫片粘接固定，所述铁氧体的上下两侧的垫片分别与Y型波导腔的上表面和下表面粘接固定。