CN110265759B - 一种工作于极低磁场下的微波隔离器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工作于极低磁场下的微波隔离器，所谓极低磁场即该微波隔离器工作时不需要外加磁场，它的隔离特性是由软磁铁氧体圆柱经过饱和磁化后的剩磁决定的，经过饱和磁化后的软磁铁氧体的剩磁通常在0.5～5Oe范围内，软磁铁氧体的剩磁在该范围内都可以用来实现微波隔离器。微波隔离器可由软磁铁氧体柱以正方点阵和三角点阵构成，这个由正方点阵和三角点阵构成的准二维结构整体被置于平行板波导中，平行板为金属铝板。该微波隔离器具有体积小，结构简单，磁场要求极低，散热好，易于实现等优点。

Description

一种工作于极低磁场下的微波隔离器
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，涉及一种特殊对称性下的光子晶体周期性阵列结构，具体涉及一种工作于极低磁场下的微波隔离器，可以用于实现极低磁场下对特定频率电磁波进行隔离。
背景技术
微波隔离器一直是近年来的研究热点，体积小、高隔离的隔离器在高性能通信系统中扮演者非常重要的角色。在通信系统中，高性能的隔离器是不可或缺的器件，尤其是在两级功率器件之间，加入隔离器可以保护信号传输时前反向隔离以保护前级电路。在工业的生产过程中，微波隔离器的使用相当普遍，比如早期日本的M-SYSTEM和美国的MOORE就凭借着隔离强度高、性能稳定、寿命长等优点而得到广泛应用，但是其本身也有着电路比较复杂，制作工艺要求高等缺点，随着通信和雷达技术的不断发展，现在对微波隔离器提出了更多的要求，急需一种结构简单，易于制造，性能稳定的微波隔离器。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种结构简单、易于制造、性能稳定对磁场的大小要求极低的微波隔离器。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种工作于极低磁场下的微波隔离器，所谓极低磁场即该微波隔离器工作时不需要外加磁场，它的隔离特性是由软磁铁氧体圆柱经过饱和磁化后的剩磁决定的，经过饱和磁化后的软磁铁氧体的剩磁通常在0.5～5Oe范围内，软磁铁氧体的剩磁在该范围内都可以用来实现微波隔离器。微波隔离器可由软磁铁氧体柱以正方点阵或者三角点阵的形式构成，这个由正方点阵或者三角点阵构成的准二维结构整体被置于平行板波导中，平行板为金属铝板，软磁铁氧体点阵的四周为吸波材料。
进一步地，所述软磁铁氧体为镁锰铁氧体或者钇铁石榴石铁氧体。
进一步地，所述软磁平行板波导高度为10mm，所述铁氧体为半径为1～4mm，高度为10mm的圆柱。
进一步地，所述微波隔离器由多排按照正方点阵排列的铁氧体柱排列而成，铁氧体柱最少可为一排；或者由多排按照三角点阵排列的铁氧体柱排列而成，铁氧体柱最少可为两排。
进一步地，在只由经过+Z磁化后的软磁铁氧体柱构成的微波隔离器中，上下两侧的其中一侧，吸波材料的内边缘离最近的铁氧体圆柱中心的距离至少为
Figure BDA0002106142030000021
其余三侧吸波材料的内边缘离最近的铁氧体圆柱中心的距离为
Figure BDA0002106142030000022
微波隔离器的两个端口在吸波材料的内边缘离最近的铁氧体圆柱中心的距离最远的一侧，端口的范围在铁氧体柱边缘到
Figure BDA0002106142030000023
范围内，两个端口的距离大于等于3a；在由经过+Z和-Z磁化后的软磁铁氧体柱构成的隔离器中，四周的吸波材料的内边缘离最近的铁氧体圆柱中心的距离为
Figure BDA0002106142030000024
微波隔离器的两个端口在经过+Z磁化后的软磁铁氧体和经过-Z磁化后的软磁铁氧体的边缘，两个端口的距离大于等于3a；其中+Z和-Z方向分别为铁氧体柱立起来后向上和向下的方向，a为晶格常数。
进一步地，晶格常数a大于等于10mm；微波隔离器的两个端口距离大于等于30mm。
工作原理：在软磁铁氧体进过饱和磁化后，软磁铁氧体会有剩磁，在剩磁为0.5～5Oe左右的软磁铁氧体构成的二维磁光子晶体中，有着良好单向传输特性；实验证明，在正方点阵和三角点阵中都观察到了这种单向边缘状态，在特定频率的S21与S12相差大于20dB，利用此特性设计成了极低磁场下的微波隔离器。
有益效果：本发明提出的一种工作于极低磁场下的微波隔离器，结构简单、对要求磁场要求极低、加工容易，性能优异。
附图说明
图1为本发明的模型结构示意图。
图2为本发明的结构参数示意图。
图3为本发明的原胞示意图。
图4为本发明的正方点阵(晶格常数a＝10mm)的S参数实验结果图。
图5为本发明的正方点阵(晶格常数a＝15mm)的S参数实验结果图。
图6为本发明的三角点阵的S参数实验结果图。
图1中，(a)图是边界为PEC条件的模型图，(b)图是边界为PMC条件的模型图。
图2中，(a)图为模型的正视图，(b)图为边界条件为PMC的俯视图，(c)图为边界条件为PMC的俯视图。
图3中，(a)图为正方点阵原胞,(b)图为三角点阵原胞，1表示镁锰铁氧体。
图4和图5中，(a)图为常规的正方点阵的S参数图(b)图为边界为PEC条件的S参数图，(c)图为边界为PMC条件的S参数图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明实施例提供的一种工作于极低磁场下的微波隔离器，工作时不需要外加磁场，它的隔离特性由软磁铁氧体圆柱经过饱和磁化后的剩磁决定，本实施例中软磁铁氧体采用镁锰铁氧体，饱和磁化后剩磁在1Oe左右，对于钇铁石榴石铁氧体，饱和磁化后剩磁在3Oe左右也具有类似性能。微波隔离器由软磁铁氧体柱以正方点阵或者三角点阵的形式构成，由正方点阵或者三角点阵构成的准二维结构整体被置于平行板波导中，平行板为金属铝板，软磁铁氧体点阵的四周为吸波材料。
在只由经过+Z(铁氧体柱立起来后向上为+Z方向，向下为-Z为方向)磁化后的软磁铁氧体柱构成的微波隔离器中，上下两侧的其中一侧，吸波材料的内边缘离最近的铁氧体圆柱中心的距离至少为
Figure BDA0002106142030000031
a为晶格常数，其余三侧吸波材料的内边缘离最近的铁氧体圆柱中心的距离为
Figure BDA0002106142030000032
微波隔离器的两个端口在吸波材料的内边缘离最近的铁氧体圆柱中心的距离最远的一侧，端口的范围在铁氧体柱边缘到
Figure BDA0002106142030000033
范围内，两个端口的距离大于等于3a；在由经过+Z和-Z磁化后的软磁铁氧体柱构成的隔离器中，四周的吸波材料的内边缘离最近的铁氧体圆柱中心的距离为
Figure BDA0002106142030000034
微波隔离器的两个端口在经过+Z磁化后的软磁铁氧体和经过-Z磁化后的软磁铁氧体的边缘，两个端口的距离大于等于3a。
下面以饱和磁化的镁锰铁氧体构成的微波隔离器为例，详细说明一下本发明的具体结构和性能。模型结构图中的圆柱1为微波隔离器的两个端口，这两个端口的距离为97.5mm，即图2尺寸图中(a)图的S＝97.5mm；图2尺寸图中(b)图的两个星星即是微波隔离器的两个端口，端口的范围在该图的虚线框内；圆柱2为经过+Z磁场饱和磁化的镁锰铁氧体圆柱，圆柱的半径为r＝1～4mm，高度h＝10mm，镁锰铁氧体圆柱的饱和磁化强度4πMs＝2200Oe，各向异性等效场Ha＝400Oe，共振线宽ΔH＝120Oe，介电常数ε＝12.29-j0.003，在饱和磁化后测得镁锰铁氧体剩余1Oe的磁场；圆柱3为经过-Z磁场磁化后的镁锰铁氧体；图一模型结构图的4对应图2尺寸图中俯视图(b)中厚度为D的吸波材料，D为10mm～20mm，该吸波材料以厚度为D围绕一圈；图1中矩形5对应于图2中(a)图厚度为d的金属铝平行板，d为1.5mm～3mm。
图3为原胞的示意图，由若干个原胞周期性排列就可以组成特定的微波隔离器，图中的1表示镁锰铁氧体，(a)图为正方点阵的原胞，(b)图为三角点阵的原胞。对于由多排按照正方点阵排列的铁氧体柱排列而成的微波隔离器，铁氧体柱排数最多无限制，铁氧体柱最少可为一排；对于由多排按照三角点阵排列的铁氧体柱排列而成的微波隔离器，铁氧体柱排数最多无限制，铁氧体柱最少可为两排。
图4为正方点阵的S参数实验结果图，在图4的(a)图中，无论是正向传输系数S21还是反向传输系数S12，在12.575GHz到15.885GHz的频率范围内，均表现出55dB的全带隙。图1模型结构图中的(a)结构对应于图4中(b)图的S参数曲线，其中铁氧体圆柱半径r＝3mm，晶格常数a＝10mm，边界条件为PEC，在15GHz之后S21大于S12，特别是在15.5GHz时S21相比于S12大于20dB，这说明此微波隔离器有较好的向前传输和反向隔离特性；在15GHz之前S12大于S21，特别是在14.8GHz时S12相比于S21大于20dB，这说明此微波隔离器有较好的向后传输和向前隔离特性。图1模型结构图中的(b)结构对应于图4中(c)图的S参数曲线，边界条件为PMC(在实际中，经过+Z饱和磁化和-Z饱和磁化后的镁锰铁氧体的边界即为PMC边界)，从图中可以看出在14.5GHz附近只出现一次非互易传输，这里的单向反向传播频率范围与PEC边界的频率范围较相似，与光子拓扑绝缘体系统有很大的不同，此时S12-S21>20dB，此时微波隔离器有较好的向后传输和向前隔离特性。
图5为正方点阵的S参数实验结果图，其中铁氧体圆柱半径r＝3mm，晶格常数a＝15mm，图5的(a)图中，在12～16GHz范围内没有明显的全带隙；在边界边界条件为PEC，从图5的(b)图可以看出近零磁场下的非互易传输特性，在14.2GHz时S12与S21相差大于20dB，这说明此微波隔离器有较好的向后传输和向前隔离特性；同样在15GHz时，S21与S12相差大于20dB，此时有较好的向后传输和向前隔离特性。
图6为三角点阵的S参数实验结果图，其中铁氧体圆柱半径r＝3mm，晶格常数a＝15mm，从图中可以看出三角点阵与正方点阵相似，在13.8GHz和14.8GHz都出现了比较明显的非互易传输，在这个频率有很好的隔离特性，可作为这个频率的微波隔离器。总的来说无论是正方点阵还是三角点阵都可以在极低的磁场下做成特定频率的微波隔离器。

Claims (6)

1.一种工作于极低磁场下的微波隔离器，其特征在于，该微波隔离器工作时不需要外加磁场，它的隔离特性是由软磁铁氧体圆柱经过饱和磁化后的剩磁决定的，经过饱和磁化后的软磁铁氧体的剩磁在0.5~5Oe范围内；所述微波隔离器由软磁铁氧体圆柱以正方点阵或者三角点阵的形式构成，由正方点阵或者三角点阵构成的准二维结构整体被置于平行板波导中，平行板为金属铝板，软磁铁氧体点阵的四周为吸波材料；在只由经过+Z磁化后的软磁铁氧体圆柱构成的微波隔离器中，微波隔离器的两个端口在吸波材料的内边缘离最近的软磁铁氧体圆柱中心的距离最远的一侧；在由经过+Z和-Z磁化后的软磁铁氧体圆柱构成的隔离器中，微波隔离器的两个端口都在经过+Z磁化后的软磁铁氧体圆柱和经过-Z磁化后的软磁铁氧体圆柱的边缘，其中+Z和-Z方向分别为软磁铁氧体圆柱立起来后向上和向下的方向。
2.根据权利要求1所述的工作于极低磁场下的微波隔离器，其特征在于，所述软磁铁氧体为镁锰铁氧体或者钇铁石榴石铁氧体。
3.根据权利要求1所述的工作于极低磁场下的微波隔离器，其特征在于，所述平行板波导高度为10mm，所述软磁铁氧体圆柱为半径为1-4mm，高度为10mm的圆柱。
4.根据权利要求1所述的工作于极低磁场下的微波隔离器，其特征在于，
所述微波隔离器由多排按照正方点阵排列的软磁铁氧体圆柱排列而成；或者由多排按照三角点阵排列的软磁铁氧体圆柱排列而成。
5.根据权利要求1所述的工作于极低磁场下的微波隔离器，其特征在于，在只由经过+Z磁化后的软磁铁氧体圆柱构成的微波隔离器中，上下两侧的其中一侧，吸波材料的内边缘离最近的软磁铁氧体圆柱中心的距离至少为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其余三侧吸波材料的内边缘离最近的软磁铁氧体圆柱中心的距离为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，微波隔离器的两个端口的范围在由经过+Z磁化后的软磁铁氧体圆柱边缘到
Figure DEST_PATH_IMAGE005
范围内，两个端口的距离大于等于
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；在由经过+Z和-Z磁化后的软磁铁氧体圆柱构成的隔离器中，四周的吸波材料的内边缘离最近的软磁铁氧体圆柱中心的距离为
Figure 63320DEST_PATH_IMAGE005
，微波隔离器的两个端口的距离大于等于
Figure 151100DEST_PATH_IMAGE007
；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为软磁铁氧体圆柱点阵的晶格常数。
6.根据权利要求5所述的工作于极低磁场下的微波隔离器，其特征在于，晶格常数
Figure DEST_PATH_IMAGE011
大于等于10mm；微波隔离器的两个端口距离大于等于30mm。
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