CN111816965A - 波导隔离器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波导隔离器及其控制方法，涉及电磁应用的技术领域，能够解决现有波导隔离器结构复杂、工作带宽有限的问题。所述波导隔离器包括：作为内芯的金属线，用于通以直流电；围绕所述金属线分布的介质层，由对微波低损耗或者无损耗的材料形成；围绕所述介质层分布的铁氧体层。
Description
技术领域
本发明涉及电磁应用技术领域，尤其是涉及一种波导隔离器及其控制方法。
背景技术
波导隔离器又称微波隔离器，一直是近年来的研究热点。体积小、高隔离的波导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，高性能的波导隔离器是不可或缺的器件，尤其是在两级功率器件之间，加入波导隔离器可以保护信号传输时前反向隔离以保护前级电路。但是现有的波导隔离器的结构复杂、工作带宽有限，而现在的通信系统对波导隔离器的工作带宽提出了更高的要求。现有轴隔离器结构复杂笨重，需要单独的永磁铁或电磁铁，对信号衰减较大。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种波导隔离器及其控制方法，以解决现有波导隔离器结构复杂、工作带宽有限的问题。
本发明为解决上述问题提供了一种波导隔离器，所述波导隔离器包括：作为内芯的金属线，用于通以直流电；围绕所述金属线分布的介质层，由对微波低损耗或者无损耗的材料形成；围绕所述介质层分布的铁氧体层。
优选地，所述的波导隔离器，还包括：金属材料层，包裹在所述铁氧体层的远离所述金属线的外表面上。
进一步地，所述铁氧体层为磁光材料制成。
进一步地，所述铁氧体层的材料为旋磁材料或者旋电材料。
进一步地，所述铁氧体层的材料为钇铁石榴石。
可选地，所述介质层和所述铁氧体层呈圆筒状，且围绕作为内芯的金属线同轴心设置。
可选地，所述介质层为空气层。
可选地，所述介质层的厚度为0.2cm-3cm。
可选地，所述介质层的厚度为0.1cm-6cm，所述铁氧体层的厚度为0.2cm-6cm，所述金属线的半径为0.05cm-0.2cm。
本发明还提供一种上述波导隔离器的控制方法，包括：
通过调节所述金属线上的电流方向控制微波的单向传播方向；
通过调节所述金属线上的电流大小控制磁场强度，以此来调控所述波导隔离器的工作频段。
与现有技术相比，本发明的波导隔离器将作为内芯的金属线通直流电，产生环形闭合磁场，该磁场作用于铁氧体层，激发磁光效应，调节介质层的材料和厚度，可以实现宽频带的隔离效果。本发明的波导隔离器结构简单、便于实现，体积小，便于集成，信号传输效率高。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1a为本发明实施例提供的一种波导隔离器的结构示意图；
图1b为本发明实施例提供的一种波导隔离器的截面示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种波导隔离器的截面示意图；
图3为本发明实施例提供的一种结构尺寸的波导隔离器的能带图；
图4为根据图3的结构尺寸的波导隔离器的色散曲线图；
图5为在图3的波导隔离器的基础上增大空气层厚度的波导隔离器的色散曲线图；
图6为另一结构尺寸的波导隔离器的色散曲线图；
图7在图6的波导隔离器的基础上增加空气层厚度的波导隔离器的色散曲线图；
图8为一种波导隔离器的仿真图；
图9为根据图8的波导隔离器的内部电场分布值(沿空气层中线位置延伸)；
图10为本发明的实施例提供的波导隔离器的控制方法的示意图。
附图标记
11-金属线，12-介质层，13-铁氧体层，14-金属材料层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1a、1b所示，本发明的实施例提供一种波导隔离器，所述波导隔离器包括作为内芯的金属线11，用于通以直流电；围绕所述金属线11分布的介质层12，由对微波低损耗或者无损耗的材料形成；围绕所述介质层12分布的铁氧体层13。
外界磁场的作用可以破坏磁性光子晶体中电磁波的时间反演对称性形成单向边界模式，可以使电磁波的单向传播。本发明利用上述物理机制提供一种新型非互易性器件。在一些实施例中，波导隔离器10呈圆柱状，所述介质层12和所述铁氧体层13呈圆筒状，且围绕作为内芯的金属线11同轴心设置，沿金属线的延伸方向有两个同轴端口，分别为输入端口和输出端口，且输入端口和输出端口可以互换。根据金属线的电流方向，输入和输出端口可以互换。在其它实施例中，本发明的波导隔离器10还可以是四棱柱、多棱状等形状，所述介质层12和所述铁氧体层13的结构形状随之适应性变化。
优选地，所述的波导隔离器10还可以包括金属材料层14，包裹在所述铁氧体层13的远离所述金属线11的外表面上。波导隔离器10的外壳包裹金属材料层14，则铁氧体层13的厚度可以减少，从而可以减小尺寸、降低成本并避免电磁泄露。
上述介质层12由对微波低损耗或者无损耗的材料形成。在一些实施例中，所述介质层12为空气层。在其它实施例中，介质层12还可以是聚四氟乙烯，例如teflon，PTFE等对微波无损耗或低损耗材料。
上述铁氧体层13为磁光材料制成，可以为旋磁材料或者旋电材料。在一些实施例中，所述铁氧体层13的材料为钇铁石榴石。
如图2所示，在一种具体实施例中，所述波导隔离器10包括：作为内芯的金属线11；围绕所述金属线11分布的介质层12为空气层；围绕所述介质层12分布的铁氧体层13，该铁氧体层13位钇铁石榴石(Yttrium Iron Garnet，简称YIG)；金属材料层14为PEC材料，包裹在所述YIG铁氧体层13的远离所述金属线的外表面上。
YIG铁氧体层可以在首尾端口处固定在内芯金属线上。
为便于理解，下面就本方案的原理进行阐述。磁光材料是一种具有磁各向异性的材料，由外加磁场导致磁光材料内部的磁偶极子按同一方向排列，进而产生磁偶极矩。磁偶极矩将和光信号发生强烈的相互作用，进而产生光的非互易性传输。在方向为垂直纸面向外的偏置磁场H0的作用下，磁光材料的相对磁导率张量为(圆柱坐标系)：
其中，
ω0＝γH0，ωm＝4πγMs。γ为旋磁比，H0为内芯金属线通直流电产生的磁场，Ms为饱和磁化强度，ω为工作频率。可见，通过改变内芯金属线的电流的大小和方向，可以改变H0的大小和正负号，从而影响
的值。利用麦克斯韦方程组，可以得到不同磁光材料和对应内芯直流电值的能带关系，从而确定工作频段。图3中虚线之间的部分，就是所谓的禁带，也就是波导隔离器可能存在的工作频段，通过调节磁场大小，可以改变这个工作频段的位置和宽度。
图3中上下两部分阴影是磁光材料的能带，这里以钇铁石榴石为例，说明对应的这个频段的电磁波可以在钇铁石榴石里传播。两条虚线之间的频段的电磁波不能在钇铁石榴石里传播，所以两条虚线之间的部分对应的电磁波只能在介质层传播。由于图3中两条虚线之间的部分对应频段的电磁波在钇铁石榴石里面是无法传播或者快速衰减的，说明这部分频段是波导隔离器潜在的工作频段。波导隔离器的工作频段是两条虚线之间的部分中的其中一部分。
下面通过具体实验进行验证，寻找波导隔离器具体的工作频段。
利用模式分析法，分析图1所示的同轴波导隔离器的截面场分布模式，可以得到传输模式的色散曲线，根据结构尺寸的不同和填充介质的不同，由铁氧体材料，以及空气，或其他低损耗介质决定，色散曲线如图4和图5所示。
图4和图5中对应的同轴波导隔离器的铁氧体层13都是钇铁石榴石，外面有金属材料层包裹，图4对应的同轴波导隔离器中的介质层为空气层，其厚度为20mm。图5对应的同轴波导隔离器中的介质层为空气层，其厚度为30mm。图4和图5中的色散曲线如图中圆点构成的曲线所示。图4和图5中的禁带区域有两条色散曲线，且是不对称的。在横虚线上有一段区域，频段约为3.7GHz到6.5GHz，只有一条色散曲线存在，意味着该频段是单向传输的，即该频段可以是波导隔离器的工作频段。并且如果空气层即介质层增大，在这个频段的上端可能会出现一个互易的色散曲线，如图5所示。这时波导隔离器的工作频段为3.7GHz到6.3GHz，即波导隔离器的工作频段缩小了。也就是说通过改变波导隔离器的几何结构例如介质层的材料和厚度，可以调整波导隔离器的性能。
图6和图7中所示，色散曲线用点状线来表示，图上纵坐标为归一化频率。图6中只有一段色散曲线，显然这段对应为单向传输的频段。此时波导隔离器的工作频段为3.8GHz-5GHz。如图7所示，如果空气层即介质层增大，在这个频段的上端也会出现一个互易的色散曲线，这时此时波导隔离器的工作频段为3.8GHz-4.7GHz，即波导隔离器的工作频段会缩小。
如果改变同轴内芯电流的方向，图4-图7中的色散曲线会左右互换，也就是微波传导隔离的方向会互换，增加了通信系统的灵活性。
图8为图5中对应的波导隔离器的仿真图，示出了隔离器的剖面，其中电场分布在图中E所指的区域。图9是该波导隔离器的电场分布示意图。信号源放在波导隔离器的中间位置，即图中O点，也就是坐标轴原点对应位置，内芯通了直流电，产生偏置磁场。由仿真图可见，信号源产生的信号只往一个方向传输，说明这个隔离器具有隔离功能，即只能往一个方向传输信号。图9中的曲线是演示隔离效果。可以看到零点位置左边电场信号很弱，衰减很快，右边电场信号较强，这展示了波导隔离器的单向传播的隔离效果。
如图8所示，为通过数值计算得到的同轴波导隔离器内部场分布图，可见图8电磁波是表面波，在铁氧体材料层和内层的空气介质层的交界面上传播，是表面波，且仅仅向一个方向传播。图8中的电磁场分布如图9所示，可见在信号源左边，电磁波无法传播。同轴波导隔离器的隔离方向，即哪个端口为输入口或输出口由同轴线内芯金属线上的电流方向控制。
从图9右边的电场强度图可以看出，在允许传输的方向上，电场随着传输距离，几乎没有衰减，这比传统的隔离器优秀。
优选的，所述介质层的厚度为0.1cm～6cm，所述铁氧体层的厚度r2＝0.2cm～6cm，所述金属线的半径为0.05cm～0.2cm。在本发明的一些实施例中，参考图1所示，介质层距离中心的半径r1＝2cm，铁氧体层的最外侧距离中心的半径r2＝4cm，同轴隔离器长度为10cm，用于通直流电的同轴内芯半径1mm。波导隔离器的尺寸也可以根据实际需要来改动，例如也可以是半径r1＝2mm，r2＝4mm，同轴隔离器长度为3cm，同轴内芯半径1mm。
本发明所公开的波导隔离器，结构简单，体积小，可以减小微波系统中的回波与散射噪声，改善信号传输质量。本发明所提供的波导隔离器，可以应用于大规模信号系统集成。本发明中所述波导隔离器的工作频段还可以通过改变电流的大小，即控制磁场强度进行调谐。
如图10所示，为上述波导隔离器的控制方法，包括：
S21、通过调节所述金属线上的电流方向控制微波的单向传播方向；
S22、通过调节所述金属线上的电流大小控制磁场强度，以此来调控所述波导隔离器的工作频段。
波导隔离器的隔离方向，即哪个端口为输入口或输出口，由同轴线内芯金属线上的电流方向控制。通过调节所述金属线上的电流大小可以控制磁场强度，以此来调控所述波导隔离器的工作频段。
在一些实施例中，介质层的半径r1、铁氧体层的半径r2以及内芯金属线的半径都可以根据实际需求可以设计。
金属线半径为1mm，如果某些场合需要比较大的磁场，那么电流就要增大，则金属线的对应半径为2mm-5mm。比如，r1是5mm，r2是15mm，内芯金属线的电流5A左右。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种波导隔离器，其特征在于，所述波导隔离器包括：
作为内芯的金属线，用于通以直流电；
围绕所述金属线分布的介质层，由对微波低损耗或者无损耗的材料形成；
围绕所述介质层分布的铁氧体层。
2.根据权利要求1所述的波导隔离器，其特征在于，还包括：
金属材料层，包裹在所述铁氧体层的远离所述金属线的外表面上。
3.根据权利要求1所述的波导隔离器，其特征在于，所述铁氧体层为磁光材料。
4.根据权利要求3所述的波导隔离器，其特征在于，所述铁氧体层的材料为旋磁材料或者旋电材料。
5.根据权利要求4所述的波导隔离器，其特征在于，所述铁氧体层的材料为钇铁石榴石。
6.根据权利要求1所述的波导隔离器，其特征在于，所述介质层和所述铁氧体层呈圆筒状，且围绕作为内芯的金属线同轴心设置。
7.根据权利要求1所述的波导隔离器，其特征在于，所述介质层为空气层。
8.根据权利要求7所述的波导隔离器，其特征在于，所述介质层的厚度为0.2cm-3cm。
9.根据权利要求6所述的波导隔离器，其特征在于，所述介质层的厚度为0.1cm-6cm，所述铁氧体层的厚度为0.2cm-6cm，所述金属线的半径为0.05cm-0.2cm。
10.一种权利要求1-9任一项所述波导隔离器的控制方法，其特征在于：
通过调节所述金属线上的电流方向控制微波的单向传播方向；
通过调节所述金属线上的电流大小控制磁场强度，以此来调控所述波导隔离器的工作频段。
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|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008312028A (ja) * | 2007-06-15 | 2008-12-25 | Hitachi Kokusai Electric Inc | 受信機の過入力保護回路 |
| CN104577281A (zh) * | 2015-01-21 | 2015-04-29 | 南京大学 | 基于基片集成波导加载铁氧体的微波隔离器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ZHUOYUAN WANG等: "Unidirectional and robust propagating surface magnetoplasmon in magneto-optical coaxial waveguides", 《JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS》 * |
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