CN112103602B - 一种宽带高频法拉第隔离器 - Google Patents

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    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/32—Non-reciprocal transmission devices
    • H01P1/36—Isolators
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Abstract

本发明公开了一种宽带高频法拉第隔离器，属于微波/毫米波器件技术领域，包括圆波导、矩形波导和扭波导组成的同轴腔体；圆波导腔体内设置同轴铁氧体；铁氧体两侧有匹配陶瓷；两侧匹配陶瓷中间设置电阻层；圆波导的内侧覆盖一层高损耗的吸收体；永磁体在圆波导的外侧；用有机玻璃或树脂类作为铁氧体、陶瓷的支撑。本发明利用法拉第旋转效应，实现铁氧体隔离器的全频段高隔离。相对于传统铁氧体隔离器，如波导、带线和微带隔离器，其优势在于能实现器件的全频段高隔离，应用频率更高，且频率不受铁氧体材料有限饱和磁化强度的限制。

Description

一种宽带高频法拉第隔离器
技术领域
本发明涉及一种隔离器，尤其涉及一种宽带高频法拉第隔离器。
背景技术
铁氧体隔离器是现代微波/毫米波系统中广泛应用的无源器件之一，其主要有两个端口，在正向传输方向上具有很小的损耗，而在反向传输时具有很大的损耗，这使其具有单向传输的特点。在系统中主要用作源和信号的隔离、功率放大器和负载的隔离、提高功率合成电路的隔离等，起隔离反射信号和保护源的作用。
传统的铁氧体隔离器带宽较窄，隔离度较低，且器件应用频率受铁氧体饱和磁化强度的限制，难以满足一些系统对器件带宽、隔离和应用频率的要求。法拉第隔离器具有隔离度高、带宽大的优点，即使在很高的频率其带宽也能达到45%，可满足一些特殊的系统对隔离器高宽带、高隔离、高频率的要求。目前，国内法拉第隔离器的需求全部依赖进口。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，解决传统的铁氧体隔离器在高频段相对带宽较窄，隔离度较低，在一些特定的系统中难以满足系统对隔离度和带宽的要求的一种宽带高频法拉第隔离器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种宽带高频法拉第隔离器，包括腔体和永磁体，所述腔体由依次同轴设置的矩形波导、圆波导和扭波导构成，其中矩形波导为输入端，扭波导为输出端；所述扭波导为45°扭波导，其两端相对旋转45°；
所述圆波导采用过模设计，其尺寸大于工作频率下标准圆波导尺寸，内壁覆盖有吸收体，所述吸收体用于对高次模进行吸收；
所述圆波导内同轴设置一铁氧体，所述铁氧体两端分别同轴设有匹配陶瓷，所述匹配陶瓷呈圆柱形，分别从圆波导两端伸出，且伸出的部分收缩呈圆锥形；
两匹配陶瓷内沿其长度方向分别设有一电阻层，两电阻层平面互成45°角，且靠近矩形波导的电阻层与矩形波导宽边平行，靠近扭波导的电阻层，与扭波导连接圆波导的一端的宽边平行；
所述永磁体位于圆波导外壁，且永磁体产生的磁场方向沿电磁波的传输方向。
作为优选：所述圆波导内设有支撑铁氧体和匹配陶瓷的支撑体，所述支撑体为位于圆波导两端的环形体，匹配陶瓷两端从支撑体中部穿过且通过支撑体支撑定位，所述支撑体采用有机玻璃或树脂材料制成。
作为优选：所述吸收体在应用频段上，其磁损耗和电损耗的损耗角正切值大于0.1，且吸收体厚度为0.1-0.3mm。
作为优选：所述圆波导、矩形波导和扭波导表面镀金处理。
作为优选：所述宽带高频法拉第隔离器的频段覆盖整个毫米波段。
本发明中：用圆波导、矩形波导和扭波导组成的同轴腔体，其中矩形波导为输入端，扭波导为输出端，主要起电磁波传输的作用；且为了减小损耗，对圆波导、矩形波导和扭波导表面进行镀金处理。
圆波导腔体内设置同轴铁氧体；铁氧体两侧用匹配陶瓷实现不同波导之间电磁波的过渡；匹配陶瓷的介电常数与铁氧体相近，形状为圆柱且一端收缩成圆锥，能实现更加良好的匹配。
本发明中，圆波导采用过模设计，具体方法为，圆波导尺寸大于工作频率下标准圆波导尺寸，且在其内壁设置吸收体，吸收体主要用于对高次模进行吸收。这种过模设计结合吸收体的方式，能有效降低高次模对器件性能的影响，吸收体在设计的时候没有特定的材料，只要在工作频段对电磁波吸收效果好就可以。在匹配陶瓷中间设置电阻层，两侧电阻层平面成45度，用于增加器件的隔离度。电阻层可以采用碳化硅、氮化钽、镍铬合金等材料。
支撑体用来支撑铁氧体和匹配陶瓷，用来保证本发明产品结构的同轴度、及稳定性。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明利用法拉第旋转效应，实现铁氧体隔离器的全频段高隔离。相对于传统铁氧体隔离器，能实现铁氧体隔离器的全频段高隔离，其隔离度普遍大于22 dB，插入损耗小于1.5 dB，且应用频率高。
同时，本发明不仅适用于实施例2的40-60GHz,也适用于其它频段，如30-50GHz，50-80GHz，60-90GHz，75-110GHz，90-140GHz，110-170GHz，140-220GHz，170-260GHz，220-325GHz等毫米波波段。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为实施例3中本发明插入损耗、隔离度、回波损耗的仿真结果；
图3为实施例3中本发明的驻波比。
图中：1、矩形波导；2、匹配陶瓷；3、支撑体；4、圆波导；5、永磁体；6、铁氧体；7、吸收体；8、电阻层；9、扭波导。
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1：参见图1，一种宽带高频法拉第隔离器，包括腔体和永磁体5，所述腔体由依次同轴设置的矩形波导1、圆波导4和扭波导9构成，其中矩形波导1为输入端，扭波导9为输出端；所述扭波导9为45°扭波导，其两端相对旋转45°；
所述圆波导4采用过模设计，其尺寸大于工作频率下标准圆波导尺寸，内壁覆盖有吸收体7，所述吸收体7用于对高次模进行吸收；
所述圆波导4内同轴设置一铁氧体6，所述铁氧体6两端分别同轴设有匹配陶瓷2，所述匹配陶瓷2呈圆柱形，分别从圆波导4两端伸出，且伸出的部分收缩呈圆锥形；
两匹配陶瓷2内沿其长度方向分别设有一电阻层8，两电阻层8平面互成45°角，且靠近矩形波导1的电阻层8与矩形波导1宽边平行，靠近扭波导9的电阻层8，与扭波导9连接圆波导4的一端的宽边平行；
所述永磁体5位于圆波导4外壁，且永磁体5产生的磁场方向沿电磁波的传输方向。
本实施例中，我们将矩形波导1、圆波导4和扭波导9按从左到右的顺序设置，则本发明的工作原理为：
（1）电磁波经左端的矩形波导1输入，为TE10模，也就是主模；
（2）通过匹配陶瓷2左侧的圆锥形进入铁氧体6，在圆波导4内电磁波由TE10转变为TE11，由于在通过匹配陶瓷2左侧的的圆锥形时，电磁波电场方向与电阻层8垂直，无衰减通过；
（3）经过铁氧体6的电磁波旋转45°进入匹配陶瓷2右侧的的圆锥形，最后经过右端的扭波导9输出，在扭波导9中，TE11模转变为TE10模。在通过匹配陶瓷2右侧的圆锥形时，电磁波电场方向与电阻层8垂直，无衰减通过。
（4）当电磁波存在反向传输时，电磁波无衰减通过匹配陶瓷2右侧的的圆锥形，经过铁氧体6时，电磁波沿着正向传输旋转方向继续旋转45°，此时电场方向与左端电阻层8平行，通过左侧的圆锥形时，信号强烈衰减，即反向隔离。
实施例2：本实施例在实施例1的基础上进一步进行改进，其中，所述圆波导4内设有支撑铁氧体6和匹配陶瓷2的支撑体3，所述支撑体3为位于圆波导4两端的环形体，匹配陶瓷2两端从支撑体3中部穿过且通过支撑体3支撑定位，所述支撑体3采用有机玻璃或树脂材料制成。所述吸收体7在应用频段上，其磁损耗和电损耗的损耗角正切值大于0.1，且吸收体7厚度为0.1-0.3mm。所述圆波导4、矩形波导1和扭波导9表面镀金处理。
实施例3：在实施例1和2结构的基础上，我们给出一具体实施例，对应图2-图3，本实施例的法拉第隔离器应用频段为40-60 GHz，其中铁氧体6选择饱和磁化强度5200 Gs，铁磁共振线宽90 Oe的铁氧体材料。本实施例的法拉第隔离器插入损耗、隔离度、回波损耗和驻波比如图2、图3所示。从图中可知，本实施例产品工作带宽为全满带，传输损耗小于1.5dB,隔离度大于22 dB,驻波比小于1.45。
表1为本实施例3和传统的波导隔离器的性能对比，传统的带线和微带隔离器使用的频率较低，这里没有纳入对比。如表1所示，本实施例中带宽更宽，隔离度更高，这些都是传统的波导隔离器所无法比拟的。
表1：本实施例3和传统的波导隔离器的性能对比
Figure 65376DEST_PATH_IMAGE001
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 (2)

1.一种宽带高频法拉第隔离器，包括腔体和永磁体，其特征在于：所述腔体由依次同轴设置的矩形波导、圆波导和扭波导构成，其中矩形波导为输入端，扭波导为输出端；所述扭波导为45°扭波导，其两端相对旋转45°；
所述圆波导采用过模设计，其尺寸大于工作频率下标准圆波导尺寸，内壁覆盖有吸收体，所述吸收体用于对高次模进行吸收；
所述圆波导内同轴设置一铁氧体，所述铁氧体两端分别同轴设有匹配陶瓷，所述匹配陶瓷呈圆柱形，分别从圆波导两端伸出，且伸出的部分收缩呈圆锥形；
两匹配陶瓷内沿其长度方向分别设有一电阻层，两电阻层平面互成45°角，且靠近矩形波导的电阻层与矩形波导宽边平行，靠近扭波导的电阻层，与扭波导连接圆波导的一端的宽边平行；
所述永磁体位于圆波导外壁，且永磁体产生的磁场方向沿电磁波的传输方向；
所述圆波导内设有支撑铁氧体和匹配陶瓷的支撑体，所述支撑体为位于圆波导两端的环形体，匹配陶瓷两端从支撑体中部穿过且通过支撑体支撑定位，所述支撑体采用有机玻璃或树脂材料制成；
所述吸收体在应用频段上，其磁损耗和电损耗的损耗角正切值大于0.1，且吸收体厚度为0.1-0.3mm；
所述电阻层采用碳化硅、氮化钽、或镍铬合金材料制成；
所述宽带高频法拉第隔离器的频段覆盖整个毫米波段。
2.根据权利要求1所述的一种宽带高频法拉第隔离器，其特征在于：所述圆波导、矩形波导和扭波导表面镀金处理。
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