CN111129676B - 一种提高环行器谐波抑制性能的方法及环行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高环行器谐波抑制性能的方法，属于微波通信技术领域，包括将环行器外加磁场强度加大，使环行器内场比不低于1.6；将环行器中铁氧体基片换为铁氧体‑高介电陶瓷复合基片；进一步优选将环行器中心导体三个端口匹配输出电路设置为并联1/8～1/4二次谐波波长的开路线加载高介电陶瓷结构；本发明还公开了一种提高了谐波抑制性能的环行器；本发明铁氧体材料与高介电陶瓷复合基片的使用以及将其用于谐波抑制的滤波电路设计，对铁氧体环行器谐波抑制性能的提高非常显著，解决了系统小型化和成本控制的问题，使用简单方便。

Description

一种提高环行器谐波抑制性能的方法及环行器

技术领域

本发明涉及微波通信技术领域，尤其涉及一种提高环行器谐波抑制性能的方法及环行器。

背景技术

在微波系统中为实现系统工作稳定、防止杂波干扰，大量使用环行器、滤波器。由于环行器具有收发双工以及与负载构成隔离器实现驻波匹配与前有保护的功能，是微波系统不可缺少的关键元器件。

铁氧体环行器是一种多端口的无源器件，有三端口、四端口或更多端口的环行器。在这种器件中输入任何一端口的功率是按给定的顺序依次传输到下一个端口，即正向传输损耗小，反向传输损耗大。

在民用通讯频段，传统的铁氧体环行器的结构如图1所示，包括用于提供磁偏置的一对永磁体2、一对接地板3、一对铁氧体基片4（也称旋磁基片，饱和磁化强1000～1950Gauss，铁磁共振线宽10～35 Oe，介电常数13～14.5）、两片温度补偿片6（前述所有物料尺寸：φ8～20mm，厚度0.1～1mm，针对特定频率范围尺寸为定值）、盖板7和导磁的腔体1 ，一对铁氧体基片4 之间装入一个带状线中心导体5 ，带状线中心导体5 以共轴方式紧贴铁氧体基片4 的表面；带状线中心导体5 包括三个120 度Y 结谐振器以及三个常规匹配电路并输出。

若环行器具有适当的滤波功能，实现一定的带外谐波抑制，可减小系统滤波器的用量，实现系统小型化、轻量化。目前环行器的带外谐波抑制技术研究在国内外均处于起步阶段，该技术主要是为现阶段系统向低成本、超小型化方向发展提出来的。目前改善环行器在谐波频段的性能的技术主要包括以下两种途径：第一种方法是减小铁氧体在外偏置磁场和微波场作用下的谐波激发；第二种方法是抑制由铁氧体产生和其它外部非线性器件的谐波分量。

目前的上述带外谐波抑制方法，存在的问题包括：第一种方法涉及到环行器旋磁基片材料的选择与优化，较好的控制谐波激发需要在能满足带内性能的基础上，尽量降低旋磁基片的饱和磁化强度、增大铁磁共振线宽和内场（通讯频段通常为高场器件）。该方法通常受器件尺寸和带内性能的制约，可以变化的范围较窄，无法从根本上实现带外良好的谐波抑制特性。第二种方法涉及在环行器的匹配输出回路中将匹配电路设计为低通滤波器（LPF）来增大谐波分量的衰减，这种LPF 会形成额外的插入损耗，并受器件尺寸限制。

中国专利申请CN 101958448 A“具有谐波抑制功能的微波带状传输线环行器”，公开了一种具有谐波抑制功能的环行器，但是，该环行器至少存在以下缺点：①空间小，难以实现1/4波长；②单一的1/4波长，带宽窄，适用于点频环行器，不利于谐波抑制带宽。

发明内容

本发明的目的之一，就在于提供一种提高环行器谐波抑制性能的方法，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种提高环行器谐波抑制性能的方法，包括下述步骤：

1)将环行器外加磁场强度加大，使环行器内场比不低于1.6；

2)将环行器中铁氧体基片换为铁氧体-高介电陶瓷复合基片。

作为优选的技术方案，还包括：

3）将环行器中心导体各端口匹配输出电路设置为并联1/8～1/4谐波波长的开路线加载高介电陶瓷结构。

作为优选的技术方案：步骤2)中，所述铁氧体-高介电陶瓷复合基片由高介电陶瓷环嵌套铁氧体柱片构成。

作为进一步优选的技术方案：所述铁氧体-高介电陶瓷复合基片为圆柱形。当然，陶瓷方形也是可行的。

作为优选的技术方案：所述高介电陶瓷环的介电常数范围是15-50。

作为进一步优选的技术方案：步骤3)中，三个端口匹配输出电路由电感型输出传输线加载开路传输线构成，且至少有一个开路传输线位于高介电套陶瓷加载的区域，开路传输线的电长度为二次谐波的1/8～1/4波长。

特别需要说明的是，在通讯频段二次谐波的1/8～1/4波长开路线仍然较长，限定的空间尺寸难以完成设计，本发明中使用高介电陶瓷，极大减小设计电长度，使得在狭小空间完成了二次谐波的1/8～1/4波长开路线设计。此外，在高功率下，铁氧体会激发更多的谐波信号，只在铁氧体基片区域进行谐波抑制设计不能很好的处理功率下激发的谐波，在本发明中，发明人在铁氧体基片外的高介电陶瓷区域进行谐波设计，功率下铁氧体激发的谐波信号仍然会被外围的高介电陶瓷区谐波电路吸收掉。

本发明的目的之二，在于提供一种具有高谐波抑制性能的环行器，包括腔体和位于腔体内的永磁体、接地板、旋磁基片、中心导体和温度补偿片，所述腔体上方设置盖板，所述旋磁基片包括铁氧体和高介电陶瓷环，所述高介电陶瓷环嵌套于所述铁氧体的外周。

作为优选的技术方案，所述中心导体包括中心结、电感型传输线和输出端口E,在所述铁氧体区域并联谐波1/8～1/4波长的开路线，在所述高介电陶瓷区域并联二次谐波1/8～1/4波长的开路线。

作为优选的技术方案，所述高介电陶瓷环的介电常数范围是15-50。

本发明采用铁氧体材料与高介电陶瓷复合基片，高介电陶瓷提高了二次谐波1/8～1/4波长的可设计性；本发明区别于传统单一铁氧体基片环行器谐波设计，高介电陶瓷区域的滤波电路设计对基波功率较大的情形仍具有较好的抑制作用；本发明为进一步提高谐波抑制性能，对材料参数和器件内场进行了优化设计。

本发明的环行器，兼具了传统环行器和滤波器的功能，从而实现了系统小型化，同时成本明显降低。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明铁氧体材料与高介电陶瓷复合基片的使用以及将其用于谐波抑制的滤波电路设计，对铁氧体环行器谐波抑制性能的提高非常显著，解决了系统小型化和成本控制的问题，使用简单方便。

附图说明

图1为传统通讯频段铁氧体环行器装配图；

图2为本发明实施例1的通讯频段高谐波抑制铁氧体环行器装配图；

图3为本发明实施例1的通讯频段高谐波抑制铁氧体环行器电路设计平面图；

图4为图1所示的传统通讯频段环行器谐波抑制性能S21曲线图；

图5为本发明实施例1的通讯频段高谐波抑制铁氧体环行器S21曲线图。

图中：1、腔体；2、永磁体；3、接地板；4、铁氧体基片；5、中心导体；6、补偿片；7、盖板；8、高介电陶瓷环；9、并联1/8～1/4二次谐波波长开路线；A、中心结，B、电感型输出传输线，C、旋磁基片区域的并联二次谐波1/8～1/4波长的开路线；D、高介电陶瓷区的并联二次谐波1/8～1/4波长的开路线；E、输出端口。

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：

如图2所示，一种通讯频段高谐波抑制铁氧体环行器，包括一对永磁体2、一对接地板3 、一对铁氧体基片4 （饱和磁化强1000～1950 Gauss，铁磁共振线宽10～35 Oe，介电常数13～14.5），铁氧体基片4的外周嵌套高介电陶瓷环8（介电常数30，高介电陶瓷环8内径与铁氧体基片4的外径匹配，高介电陶瓷环8内径与铁氧体基片4的厚度相等）、两片温度补偿片6、盖板7和导磁的腔体1 ，一对微波铁氧体4 之间装入一个带状线中心导体5，中心导体5的三个电感型输出端并联接入电长度为谐波1/4波长开路线结构若干，开路线结构可以呈线性、L型或波浪形。特别是在高介电陶瓷区域，极大地降低了电路的电长度，使得二次谐波1/4波长开路线设计的实现成为可能。上述部件按照永磁体2、接地板3、铁氧体基片4（高介电陶瓷环8, 并联1/4波长开路线9）、中心导体5、铁氧体基片4（高介电陶瓷环8, 并联1/4波长开路线9）、接地板3、补偿片6、补偿片6的顺序装入腔体1 的中心内，并由带螺纹的盖板7压紧固定；中心导体5的端口与直径为0.55mm的插针焊接并经腔体定位孔由介质套包裹引到腔体底面实现表贴安装；

如图3所示，为通讯频段高谐波抑制铁氧体环行器电路设计平面图，其中，中心导体包括中心结A，电感型输出传输线B，输出端口E,旋磁基片区域的并联谐波1/8～1/4波长的开路线C，高介电陶瓷区的并联二次谐波1/8～1/4波长的开路线D，其电长度相对于主频而言为匹配电路的等效电容，用于使中心结A与电感型输出传输线B在工作频带内实现阻抗匹配，但其对于谐波频率而言，谐波1/8～1/4波长的开路线的等效电路为串联电感与电容的谐振器并联接入电路的旁路，其谐振频率为谐波频率，并形成较宽的带宽，专门旁路谐波信号。特别需要说明的是，在通讯频段二次谐波的1/8～1/4波长开路线仍然较长，限定的空间尺寸难以完成设计，本发明中使用高介电陶瓷，极大减小设计电长度，使得在狭小空间完成了二次谐波的1/8～1/4波长开路线设计。此外，在高功率下，铁氧体会激发更多的谐波信号，只在旋磁基片区域进行谐波抑制设计不能很好的处理功率下激发的谐波，在本发明中，我们在旋磁基片外的高介电陶瓷区域进行谐波设计，功率下铁氧体激发的谐波信号仍然会被外围的高介电陶瓷区谐波电路吸收掉；

本实施例所用永磁体2的牌号和接地板3的厚度经过优化，以根据设计调节内场高于1.6使环行器满足带内性能，与此同时高的内场可以减小铁氧体旋磁基片的谐波激发。

本实施例所用基片为复合材料，由铁氧体基片4和介电常数为30的高介电陶瓷环8嵌套而成，本实施例的铁氧体基片4呈圆柱形，高介电陶瓷环8呈环形、尺寸与铁氧体基片4紧密配合并使用胶水粘接一体；介电常数为30的高介电陶瓷环8的外圈半径至少与开路并联电路所延伸至带状线中心导体的中心点所界定的半径一样大；

在通讯频段范围内，最小隔离度为：18dB，最大插入损耗为0.45dB，最大驻波为1.3，在此性能的基础上研究谐波3500～7000MHz范围内的S21抑制性能。

上述环行器的谐波抑制性能测试结果见图5，而传统的环行器的谐波抑制性能测试结果见图4，从图4与图5的对比可以看出：在谐波频率范围内，传统环行器谐波抑制水平为7.5dB，而采用上述方法后，环行器谐波抑制水平提高到27dB，谐波抑制性能提高19.5dB。

对比例1：

本对比例是以实施例1为参照，仅仅将环行器外加磁场强度加大，使环行器内场比不低于1.6，环行器的结构不做改变，结果环行器谐波抑制水平为10.5dB。

对比例2

本对比例是以实施例1为参照，仅仅将铁氧体基片4的外周嵌套高介电陶瓷环8（介电常数30，高介电陶瓷环8内径与铁氧体基片4的外径匹配，高介电陶瓷环8内径与铁氧体基片4的厚度相等），外加磁场强度和中心导体结构不做改变，结果环行器谐波抑制水平为12dB。

对比例3

本对比例是以实施例1为参照，不改变外加磁场强度，仍然采用铁氧体基片4而不嵌套高介电陶瓷环，仅仅对中心导体结构做如实施例1相同的改进，结果环行器谐波抑制水平为18.5dB。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提高环行器谐波抑制性能的方法，其特征在于：包括下述步骤：

1）将环行器外加磁场强度加大，使环行器内场比不低于1.6；

2）将环行器中铁氧体基片换为铁氧体-高介电陶瓷复合基片；

3）将环行器中心导体端口匹配输出电路设置为并联1/8～1/4二次谐波波长的开路线加载高介电陶瓷结构；

其中，步骤3)中，各个端口匹配输出电路由电感型输出传输线加载开路传输线构成，且至少有一个开路传输线位于高介电套陶瓷加载的区域，开路传输线的电长度为二次谐波的1/8～1/4波长。

2.根据权利要求1所述的提高环行器谐波抑制性能的方法，其特征在于：步骤2)中，所述铁氧体-高介电陶瓷复合基片由高介电陶瓷环嵌套铁氧体柱片构成。

3.根据权利要求2所述的提高环行器谐波抑制性能的方法，其特征在于：所述铁氧体-高介电陶瓷复合基片为圆柱形。

4.根据权利要求2所述的提高环行器谐波抑制性能的方法，其特征在于：所述高介电陶瓷环的介电常数范围是15-50。

5.一种具有高谐波抑制性能的环行器，包括腔体和位于腔体内的永磁体、接地板、旋磁基片、中心导体和温度补偿片，所述腔体上方设置盖板，其特征在于：所述旋磁基片包括铁氧体和高介电陶瓷环，所述高介电陶瓷环嵌套于所述铁氧体的外周；所述中心导体包括中心结、电感型传输线和输出端口E,在所述铁氧体区域并联谐波1/8～1/4波长的开路线，在所述高介电陶瓷区域并联二次谐波1/8～1/4波长的开路线。

6.根据权利要求5所述的一种具有高谐波抑制性能的环行器，其特征在于，所述高介电陶瓷环的介电常数范围是15-50。

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