CN111129678B - 一种基于人工表面等离激元波的环形器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于人工表面等离激元波的环形器，属于微波器件技术领域，解决了现有毫米波环形器损耗高且结构设计复杂的问题。包括依次层叠设置的第一永磁体、第一金属地平面、第一泡沫、内部SSPP波导体、第二泡沫、第二金属地平面和第二永磁体；所述第一泡沫的中心嵌设有第一铁氧体，所述第一铁氧体的厚度小于第一泡沫的厚度，第一泡沫靠近第一金属地平面的一面和所述第一铁氧体的对应表面平齐；第二泡沫的中心嵌设有第二铁氧体；所述第二铁氧体的厚度小于第二泡沫厚度，第二泡沫靠近第二金属地平面的一面和所述第二铁氧体的对应表面平齐。结构设计简单，减少了环形器的损耗。

Description

一种基于人工表面等离激元波的环形器

技术领域

本发明涉及微波器件技术领域，尤其涉及一种基于人工表面等离激元波的环形器。

背景技术

在二十世纪中期，微波铁氧体技术飞速发展，人们利用铁氧体的旋磁特性制作各种器件，使微波技术领域进入新的阶段。环形器是一种非互易器件，能够实现电磁波从一个端口输入，而从其它指定的端口输出，它可以避免发射和接收信号之间相互干扰。在雷达、通信、医疗和广播等领域得到了广泛的应用。

人工表面等离激元(SpoofSurfacePlasmonPolariton，简称SSPP)波是一种高度局部化的表面波，电磁波能够沿SSPP波导表面传输。随着人工表面等离激元的不断发展，利用它独特的物理特性来设计各种微波器件，引起了人们的极大关注。

由于毫米波环形器存在结构复杂、不易设计和损耗较大等缺陷，于是提出了一种基于人工表面等离激元波的环形器。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于人工表面等离激元波的环形器，用以解决现有的环形器损耗高且结构复杂等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种基于人工表面等离激元波的环形器，包括依次层叠设置的第一永磁体、第一金属地平面、第一泡沫、内部SSPP波导体、第二泡沫、第二金属地平面和第二永磁体；

所述第一泡沫的中心嵌设有第一铁氧体，所述第一铁氧体的厚度小于第一泡沫的厚度，第一泡沫靠近第一金属地平面的一面和所述第一铁氧体的对应表面平齐；

第二泡沫的中心嵌设有第二铁氧体；所述第二铁氧体的厚度小于第二泡沫厚度，第二泡沫靠近第二金属地平面的一面和所述第二铁氧体的对应表面平齐；

所述第一永磁体和第二永磁体用于为所述第一、第二铁氧体外加偏置磁场；所述第一永磁体、铁氧体、内部SSPP波导体和第二永磁体的中心轴线重合。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，所述内部SSPP波导体包括三个呈对称结构的梳状波导、中心结和六个金属叶片；

所述中心结为铜材质的正三角形结构，正三角形的边等于梳状波导的实际宽度；

三个所述梳状波导分别连接中心结的三角形边，用于将导波转化为SSPP波；

所述六个金属叶片弧度向外，两两对称排列在每个梳状波导的两侧。

进一步，所述第一泡沫与第二泡沫的厚度相等。

进一步，还包括柔性基板，所述三个梳状波导、中心结和六个金属叶片印刷在所述柔性基板上；

所述柔性基板的介电常数为3.5，正切损耗常数为0.01。

进一步，所述梳状波导的端口处焊接有电阻信号接头，用于输入或输出电磁波；

通过下述公式，根据梳状波导端口电阻，确定所述泡沫的厚度：

式中，Z₀表示梳状波导端口电阻的大小；b表示泡沫的厚度；ε_r表示泡沫的相对介电常数；W_e表示梳状波导的有效宽度；

所述梳状波导端口电阻的大小等于所述电阻信号接头的阻值。

进一步，所述梳状波导的有效宽度的计算公式如下：

式中，W_e表示梳状波导的有效宽度；W表示梳状波导的实际宽度。

进一步，所述金属叶片的长度为12±0.5mm，宽度为5±0.5mm。

进一步，所述梳状波导包括一体成型的梯度梳状导体和矩形梳状导体；

所述梯度梳状导体，向靠近所述中心结的方向倾斜，用于将导波转化为SSPP波；

所述梯度梳状导体与所述矩形梳状导体相接的凹槽端面与所述矩形梳状导体的凹槽尺寸一致；

所述矩形梳状导体，用于传输所述SSPP波至所述中心结；

所述梯度梳状导体的长度等于金属叶片的长度。

进一步，所述梯度梳状导体的倾斜角为：

式中，θ表示梯度梳状波导的倾斜角；L₂表示金属叶片的长度。

进一步，所述第一铁氧体和第二铁氧体均为钇铁石榴石型。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、通过泡沫，实现了对铁氧体的固定和支撑作用，减小了环形器的重量。同时，采用内部SSPP波导体，减少了电磁波的损耗，提高了环形器的传输效率。

2、通过梳状波导将导波转化为SSPP波，SSPP波有截止频率，随频率的增加波矢k不断增加，增加到一定频率时便不再增加，能很好地被约束在内部SSPP波导体内，实现了长距离传输，减少了损耗，提高了环形器的传输效率。

3、通过梳状波导的实际宽度来确定梳状波导的有效宽度，对应已知的梳状波导端口电阻和梳状波导的有效宽度可得到泡沫的厚度，该方法简单，易于实施，减小了错误率，提高了环形器的精确度。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为一个实施例中环形器仿真模型结构示意图；

图2为一个实施例中梳状波导结构示意图；

图3为一个实施例中梳状波导尺寸示意图；

图4为一个实施例中电磁波从端口port1入射时的电场分布图；

图5为一个实施例中电磁波从端口port2入射时的电场分布图；

图6为一个实施例中电磁波从端口port3入射时的电场分布图；

图7为一个实施例中电磁波从端口1入射时的S参量曲线图；

附图标记：1-第一永磁体；2-第一金属地平面；3-第一铁氧体；4-第一泡沫；5-内部SSPP波导体；6-第二泡沫；7-第二铁氧体；8-第二金属地平面；9-第二永磁体。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种基于人工表面等离激元波的环形器。如图1所示，包括依次层叠设置的第一永磁体、第一金属地平面、第一泡沫、内部SSPP波导体、第二泡沫、第二金属地平面和第二永磁体；

所述第一泡沫的中心嵌设有第一铁氧体，所述第一铁氧体的厚度小于第一泡沫的厚度，第一泡沫靠近第一金属地平面的一面和所述第一铁氧体的对应表面平齐；

第二泡沫的中心嵌设有第二铁氧体；所述第二铁氧体的厚度小于第二泡沫厚度，第二泡沫靠近第二金属地平面的一面和所述第二铁氧体的对应表面平齐；

所述第一永磁体和第二永磁体用于为所述第一、第二铁氧体外加偏置磁场；所述第一永磁体、铁氧体、内部SSPP波导体和第二永磁体的中心轴线重合。

优选的，所述第一泡沫与第二泡沫的厚度相等。

整体的环形器结构以内部SSPP波导体为中心形成对称结构。由于铁氧体均嵌在泡沫中，在永磁体的吸力下使铁氧体与金属地平面接触，以致于铁氧体不会随外部永磁体的偏移而左右移动，第一泡沫和第二泡沫分别对中心嵌入的铁氧体起固定和支撑作用。

通过泡沫，实现了对铁氧体的固定和支撑作用，减小了环形器的重量。同时，采用内部SSPP波导体，减少了电磁波的损耗，提高了环形器的传输效率。

优选的，如图2所示，所述内部SSPP波导体包括三个呈对称结构的梳状波导、中心结和六个金属叶片；所述中心结为铜材质的正三角形结构，正三角形的边等于梳状波导的实际宽度；三个所述梳状波导分别连接中心结的三角形边，用于将导波转化为SSPP波；所述六个金属叶片弧度向外，两两对称排列在每个梳状波导的两侧。

具体的，输入环形器输入端口的导波为TEM波，TEMb波是电磁波的电场和磁场都在垂直于传播方向的平面上的一种电磁波，该波没有截止频率，随着频率的增加色散严重，损耗逐渐加大。梳状波导能够将导波转化为SSPP波，SSPP波有截止频率，随频率的增加波矢k不断增加，增加到一定频率时便不再增加，能很好地被约束在内部SSPP波导体内，实现了长距离传输，减少了损耗，提高了环形器的传输效率。

优选的，还包括柔性基板，所述三个梳状波导、中心结和六个金属叶片印刷在所述柔性基板上；

所述柔性基板的介电常数为3.5，正切损耗常数为0.01。

具体的，本实施例中采用PCB印刷技术将三个梳状波导、中心结和六个金属叶片印刷在柔性基板上，制作简单、加工方便，同时柔性基板极薄以致于不影响环形器整体结构的对称性，提高了环形器的紧凑性。

优选的，如图3所示，所述金属叶片的长度为12±0.5mm，宽度为5±0.5mm。

在该实施例中，梳妆波导的实际宽度为W＝10mm，梳妆波导设置有多个凹槽，包括梯度凹槽和矩形凹槽，每个凹槽的宽度为a＝2mm，矩形凹槽的深度为h＝4mm，矩形凹槽的周期为p＝5mm。两个对称排列在梳状波导两侧的金属叶片之间的距离为L₁＝26mm，金属叶片的长度L₂＝12mm，金属叶片的宽度为L₃＝5mm。通过梯度凹槽和矩形凹槽，实现了电磁波的匹配过渡，将色散严重和损耗大的导波过渡为SSPP波，提高了环形器的传输性能。结合仿真模拟环形器的环形性能试验条件，若梳状波导和金属叶片的尺寸过大，不利于实现环形器的小型化和紧凑性优点；若上述尺寸太小，受实验条件的约束，精确度存在偏差，导致仿真实验误差较大。以上尺寸适宜，有利于仿真模拟实验对环形器的环形性能测试。

优选的，所述梳状波导的端口处焊接有电阻信号接头，用于输入或输出电磁波；

通过下述公式，根据梳状波导端口电阻，确定所述泡沫的厚度：

式中，Z₀表示梳状波导端口电阻的大小；b表示泡沫的厚度；ε_r表示泡沫的相对介电常数；W_e表示梳状波导的有效宽度；

所述梳状波导端口电阻的大小等于所述电阻信号接头的阻值。

具体的，通过梳状波导的实际宽度来确定梳状波导的有效宽度，对应已知的梳状波导端口电阻和梳状波导的有效宽度可得到泡沫的厚度，在实验研究中发现，泡沫的厚度和梳状波导端口电阻存在以上固定关系，基于该关系，通过调整泡沫厚度，能够方便调整梳状波导端口电阻的大小，该调整方式简单，易于实施，减小了错误率，提高了环形器的精确度。同时，采用上述公式计算得到的泡沫厚度制作的环形器，具有错误率低、精确度高、体积小和重量轻等优点。

优选的，所述梳状波导的有效宽度的计算公式如下：

式中，W_e表示梳状波导的有效宽度；W表示梳状波导的实际宽度。

具体的，梳状波导端口处焊接的电阻信号接头的阻值为50欧姆，实际应用中，需要将梳状波导端口电阻的大小与电阻信号接头的阻值调节相等，从而减小电磁波的反射损耗，提高电磁波的传输质量和效率，若梳状波导端口电阻的大小与电阻信号接头的阻值不匹配，电磁波在传输过程中会产生振荡和辐射干扰，影响电磁波的传输质量和传输效率。通过调整泡沫厚度，进而使得梳状波导端口电阻的大小与电阻信号接头的阻值匹配，提高了环形器的抗干扰能力，提升了电磁波的传输质量和传输效率。

梳状波导端口电阻大小与泡沫的相对介电常数ε_r和泡沫的高度b有关，对于给定的梳状波导端口电阻和介电常数ε_r＝1和内部SSPP波导体的实际宽度W＝10mm，可以求得泡沫的厚度b＝7mm，相关数据如下表1所示：

优选的，所述梳状波导包括一体成型的梯度梳状导体和矩形梳状导体；所述梯度梳状导体，向靠近所述中心结的方向倾斜，用于将导波转化为SSPP波；所述梯度梳状导体与所述矩形梳状导体相接的凹槽端面与所述矩形梳状导体的凹槽尺寸一致；所述矩形梳状导体，用于传输所述SSPP波至所述中心结；所述梯度梳状导体的长度等于金属叶片的长度。

优选的，所述梯度梳状导体的倾斜角θ为：

式中，θ表示梯度梳状波导的倾斜角；L₂表示金属叶片的长度。

通过梯度梳状导体，解决了导波随着频率的增加色散严重和损耗大的问题，实现了将导波转化为SSPP波，SSPP波能很好地被约束在内部SSPP波导体内，可实现长距离传输，减少了电磁波的损耗。

优选的，所述第一铁氧体和第二铁氧体均为钇铁石榴石型，其饱和磁化强度为1850Gs，谐振线宽为15Oe，相对介电常数ε_r为15。

通过第一铁氧体和第二铁氧体，解决了外部信号对环形器性能的干扰问题，提高了环形器的可靠性。

为了直观的说明一种基于人工表面等离激元波的环形器性能，用商业软件CST2015检测了8GHz处电场强度分布，不同端口入射时电场的分布情况如图4、图5和图6所示，当电磁波从端口port1入射时，端口port1和端口port2处的电场强度几乎相同，说明与铁氧体相互作用的场加强了输入场。相反，从端口port1到端口port3的能量非常少是因为铁氧体显示出了旋磁特性，这表明与铁氧体相互作用的场基本上抵消了入射场。从场的分布情况来看，从不同端口入射时表现出高度的对称性，在1→2→3→1顺序下实现完美循环。从端口port1入射时S参量曲线的变化情况如图7所示，从图中可以看出6.0GHz到10.0GHz之间，回波损耗(S₁₁)和隔离度(S₃₁)基本上达到-12dB和-15dB以下，插入损耗(S₂₁)小于0.5dB。即该环形器具有低损耗和良好的隔离特性，充分证明三角形结的SSPP波的环行器具有宽带环行性能。

本发明中的环形器插入损耗小于0.5dB，回波损耗大于12dB，隔离度大于15dB，在工作频率6—10GHz处实现良好的环形性能，具有良好的带宽能力，结构简单、易于设计，同时具有小型化和重量轻的优点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于人工表面等离激元波的环形器，其特征在于，包括依次层叠设置的第一永磁体、第一金属地平面、第一泡沫、内部SSPP波导体、第二泡沫、第二金属地平面和第二永磁体；

所述第一泡沫的中心嵌设有第一铁氧体，所述第一铁氧体的厚度小于第一泡沫的厚度，第一泡沫靠近第一金属地平面的一面和所述第一铁氧体的对应表面平齐；

第二泡沫的中心嵌设有第二铁氧体；所述第二铁氧体的厚度小于第二泡沫厚度，第二泡沫靠近第二金属地平面的一面和所述第二铁氧体的对应表面平齐；

所述第一永磁体和第二永磁体用于为所述第一、第二铁氧体外加偏置磁场；所述第一永磁体、铁氧体、内部SSPP波导体和第二永磁体的中心轴线重合；

所述内部SSPP波导体包括三个呈对称结构的梳状波导、中心结和六个金属叶片；所述中心结为铜材质的正三角形结构，正三角形的边等于梳状波导的实际宽度；三个所述梳状波导分别连接中心结的三角形边，用于将导波转化为SSPP波；所述六个金属叶片弧度向外，两两对称排列在每个梳状波导的两侧；

还包括柔性基板，所述三个梳状波导、中心结和六个金属叶片印刷在所述柔性基板上。

2.根据权利要求1所述的环形器，其特征在于，所述第一泡沫与第二泡沫的厚度相等。

3.根据权利要求2所述的环形器，其特征在于，所述柔性基板的介电常数为3.5，正切损耗常数为0.01。

4.根据权利要求3所述的环形器，其特征在于，所述梳状波导的端口处焊接有电阻信号接头，用于输入或输出电磁波；

通过下述公式，根据梳状波导端口电阻，确定所述泡沫的厚度：

式中，Z₀表示梳状波导端口电阻的大小；b表示泡沫的厚度；ε_r表示泡沫的相对介电常数；W_e表示梳状波导的有效宽度；

所述梳状波导端口电阻的大小等于所述电阻信号接头的阻值。

5.根据权利要求4所述的环形器，其特征在于，所述梳状波导的有效宽度的计算公式如下：

式中，W_e表示梳状波导的有效宽度；W表示梳状波导的实际宽度。

6.根据权利要求5所述的环形器，其特征在于，所述金属叶片的长度为12±0.5mm，宽度为5±0.5mm。

7.根据权利要求6所述的环形器，其特征在于，所述梳状波导包括一体成型的梯度梳状导体和矩形梳状导体；

所述梯度梳状导体，向靠近所述中心结的方向倾斜，用于将导波转化为SSPP波；

所述梯度梳状导体与所述矩形梳状导体相接的凹槽端面与所述矩形梳状导体的凹槽尺寸一致；

所述矩形梳状导体，用于传输所述SSPP波至所述中心结；

所述梯度梳状导体的长度等于金属叶片的长度。

8.根据权利要求7所述的环形器，其特征在于，所述梯度梳状导体的倾斜角为：

式中，θ表示梯度梳状波导的倾斜角；L₂表示金属叶片的长度。

9.根据权利要求1所述的环形器，其特征在于，所述第一铁氧体和第二铁氧体均为钇铁石榴石型。

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