CN112904243B - 一种高效集中微波磁场谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高效集中微波磁场谐振腔，属于微波测试技术领域。本发明谐振腔采用圆柱腔中部分填充介质结构，并且采用活塞使腔体主要工作在TE₀₁₁模式下，使得微波磁场高效集中在谐振腔的中心，输入较低功率就可以在谐振腔中心处得到较强的微波磁场，从而减小铁氧体材料自旋波线宽测试的成本。

Description

一种高效集中微波磁场谐振腔

技术领域

本发明属于微波测试技术领域，涉及一种高效集中微波磁场谐振腔，具体涉及一种用于测量铁氧体材料自旋波线宽的TE₀₁₁模谐振腔。

背景技术

微波铁氧体材料的旋磁性可以用来制作各种微波器件，常见的比如隔离器和环形器等微波方向性器件，以及移相器、转换开关和可调滤波器等微波控制器件。这些微波器件的工作频率覆盖了从米波、厘米波到毫米波频段，是微波、毫米波通信设备及电子系统中不可或缺的器件，广泛地被应用于雷达、电子对抗以及高能物理粒子加速器、移动通信、人造卫星、电视等军用和民用的各个方面。

在雷达系统中常用的高功率铁氧体器件的功率容量由材料的第一阶非稳定性限制，超过临阈功率后，会产生自旋波非线性激发，从而消耗电磁场能量。因此，自旋波线宽是微波铁氧体材料的重要参数，它不仅反映了材料的高功率性能，还反映了材料在远离共振区的损耗特性，所以测量自旋波线宽对于铁氧体器件的设计以及铁氧体材料的研究具有重要的意义。在测量铁氧体材料的自旋波线宽时，需要将材料置于较强的微波磁场的环境下，而高微波磁场值一般需要输入功率较高。如在文献《微波铁氧体材料自旋波线宽测试系统的研究》中采用大功率注入矩形腔的方法来完成铁氧体材料的自旋波线宽测试，该方法选用的是TE₁₀₄模矩形腔，腔体空气填充，对饱和磁化强度为1797Gs的铁氧体小球进行测试时，注入谐振腔功率为48.7dBm，测得自旋波线宽为4.48Oe。该方案测试腔体没有高效集中微波磁场，因此仍需要高功率微波源才可以测量较高自旋波线宽。但是高功率微波源以及相关器件非常昂贵，所以若能在相对低的输入功率下就可以获得高微波磁场值进而测量大范围自旋波线宽就显得尤为重要。

因此，如何实现微波磁场高效集中进而在低功率下测量大范围自旋波线宽就成为了一个亟待解决的问题。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种高效集中微波磁场谐振腔。该谐振腔采用圆柱腔中部分填充介质结构，并且配合活塞使腔体主要工作在TE₀₁₁模式下，使得微波磁场高效集中在谐振腔的中心，输入较低功率就可以在谐振腔中心处得到较强的微波磁场，从而减小铁氧体材料自旋波线宽测试的成本。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高效集中微波磁场谐振腔，包括主腔1、活塞2、填充介质3、固定环4、波导耦合结构5和耦合环结构6；所述主腔1为圆柱形腔体，其两开口端设置活塞2，所述活塞2在腔体竖直中心轴线上设置圆柱形通孔；所述填充介质3设置在主腔1内，为空心圆柱形并且与主腔1同心，其内径大于或等于圆柱形通孔的直径；所述固定环4设置于活塞2与填充介质3之间，用于固定填充介质3；所述活塞2与主腔1内壁形成阶梯状缝隙，靠近固定环的第一缝隙的直径小于第二缝隙的直径，第二缝隙内填充吸波材料；所述主腔1侧壁中心对称设置两个通孔，分别连接波导耦合结构5和耦合环结构6。

进一步地，所述固定环4的外径小于或等于主腔1的内径，内径与填充介质3的内径相等，且固定环4上设置有直径与填充介质厚度相同的圆柱形凹槽，该凹槽与填充介质的底面重合。

进一步地，所述波导耦合结构5为谐振腔的输入端，波导耦合为强耦合，可以将大部分的能量馈入到圆柱腔中；所述耦合环结构6为谐振腔的输出端，用于提取输出信号。

进一步地，所述波导耦合结构5优选采用标准矩形波导BJ100，波导的窄边垂直于腔体的中心轴线；所述耦合环结构6优选为同轴线馈电的磁耦合环，环面垂直于腔体的中心轴线。

进一步地，所述主腔1和活塞2的材料为黄铜，并且在表面进行镀银处理，镀层厚度大于谐振腔工作频点电磁波的趋肤深度。

进一步地，所述填充介质3在其内径相同的条件下，厚度越大，TE₀₁₁模式的工作频率越低，高度越高，TE₀₁₁模式的工作频率越低；填充介质3的材料为蓝宝石，因为蓝宝石的介电常数较高，可以将电磁场聚集在蓝宝石环附近；同时，蓝宝石的损耗比较低，从而可以得到较高的品质因数。

进一步地，所述固定环4的材料优选为聚四氟乙烯。

作为优选方式，主腔1内壁直径为21mm，高度为21mm；填充介质3内径为4mm，外径为9mm，高度为20mm；固定环4内径为4mm，外径为20.8mm，高度为1.5mm，凹槽的高度为1mm。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明通过在圆柱形腔体内设置活塞，且活塞与圆柱形腔体内壁之间不接触，并与腔体内壁形成阶梯状缝隙的构造，使得TE₀₁₁模的壁电流不被切断，所以对TE₀₁₁模的场分布影响很小，但是会切断TM₁₁₁模的纵向电流，TM₁₁₁模和其他具有纵向壁电流的干扰模的能量通过小缝隙进入大缝隙中，因此，在大缝隙处填充吸波材料吸收这些模式的能量，使得干扰模难以产生谐振，进而很好地抑制了干扰模式TM₁₁₁，留下所需的工作模式TE₀₁₁模，保证了测试结果的准确性。

2.本发明在圆柱形腔体中心设置与其同心的填充介质，填充介质的内径较小，根据TE₀₁₁模式的电磁场分布特点，可以将微波磁场高效集中在圆柱腔中心处，使得输入较低的功率就可以在圆柱腔中心处得到较强的微波磁场，进而完成自旋波线宽测试。

3.本发明填充介质采用蓝宝石，其具有较低的损耗，从而可以得到较高的品质因数；并且，在圆柱腔的输入端采用波导耦合，波导耦合为强耦合，可以将大部分的能量馈入到圆柱腔中，从而减小铁氧体材料自旋波线宽测试的成本。

附图说明

图1为本发明高效集中微波磁场谐振腔的结构示意图。

图2为TE₀₁₁模下圆柱腔磁力线和电场线分布图。

图3为本发明谐振腔在输入功率30dBm时的腔体内水平中心轴线的纵向磁场强度分布。

图4本发明谐振腔的输入端反射特性曲线测试结果。

图5本发明谐振腔的传输特性曲线测试结果。

其中，1为主腔，2为活塞，3为填充介质，4为固定环，5为波导耦合结构，6为耦合环结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

一种高效集中微波磁场谐振腔，其结构示意图如图1所示，包括主腔1、活塞2、填充介质3、固定环4、波导耦合结构5和耦合环结构6；所述主腔1和活塞2构成圆柱腔，活塞2与主腔1的内壁之间形成阶梯状的缝隙，小缝隙(缝隙距离主腔内壁的间距小)靠近固定环，在大缝隙(缝隙距离主腔内壁的间距大)处填充吸波材料，主腔1内腔壁设置的台阶和活塞2设置的台阶用于配合固定活塞2，活塞2在圆柱腔的竖直中心轴线上设置有圆柱形通孔；

圆柱腔侧壁中心对称位置上设置有两个通孔分别作为微波输入、输出耦合孔；所述填充介质3为空心圆柱形，填充介质与圆柱腔同心；在填充介质3的上、下方各有一个固定环4，固定环中心轴与圆柱腔中心轴共线，外径小于或等于主腔内壁直径，内径与填充介质的内径相同，且固定环上设置有一个直径与填充介质厚度相同的圆柱形凹槽，该凹槽底面与填充介质的底面重合；所述波导耦合结构5为谐振腔的输入端，波导耦合为强耦合，可以将大部分的能量馈入到圆柱腔中；所述耦合环结构6为谐振腔的输出端，用于提取输出信号。

其中，主腔1和活塞2的材料为黄铜，并且在其内外表面均进行了5μm的镀银处理。主腔的尺寸经过仿真优化，最终确定为内壁直径21mm，高度43mm。本发明填充介质材料选用蓝宝石，因为蓝宝石的介电常数比较高，可以将电磁场聚集在蓝宝石的附近，同时，蓝宝石的损耗比较低，从而可以实现较高的品质因数。经过仿真优化，得到蓝宝石环的尺寸为：内径4mm，外径9mm，高度20mm。固定环的材料为聚四氟乙烯，固定环的内径为4mm，外径为20.8mm，高度为1.5mm，凹槽的高度为1mm。微波输入端口采用波导耦合结构，具体选用标准矩形波导BJ100，其窄边平行于圆柱腔的上下底面；微波输出端口采用耦合环结构，具体选用同轴线馈电的磁耦合环，其环面平行于圆柱腔的上下底面。

本发明提供的谐振腔采用圆柱腔中填充介质结构，由于填充介质的介电常数较高，电磁场主要集中在填充介质附近，而填充介质与圆柱腔同心，并且填充介质的内径较小，根据TE₀₁₁模式的电磁场分布特点，其磁力线和电场线分布图如图2所示，因此可以将微波磁场高效集中在圆柱腔中心处，输入较低的功率就可以在圆柱腔中心处得到较强的微波磁场，进而可以将待测样品通过活塞处的圆柱形通孔放置到圆柱腔中心处进行自旋波线宽的测试。图3为本发明谐振腔在输入功率30dBm时的腔体内水平中心轴线的纵向磁场强度分布。如图3所示，输入功率为30dBm时，HFSS仿真得到的谐振腔中心处的磁场强度为1323.3524A/m。

图4本发明谐振腔的输入端反射特性曲线测试结果。如图4所示，在谐振点9.36334GHz，S₁₁为-20.9dB，反射较小，因此可以将大部分能量注入谐振腔中；同时，填充介质的损耗较低，可以得到较高的品质因数。用矢量网络分析仪测量的传输特性曲线如图5所示，根据传输特性曲线，可以由下式求出有载品质因数Q_L，

其中，f₀为谐振频率，Δf_1/2为传输功率下降一半时的频率宽度。

图5中A、B、C的坐标分别为(9.36334，-31.497)、(9.36291，-34.497)、(9.36382，-34.497)，所以在谐振点9.36334GHz时，半功率带宽为0.00091GHz，可以求出有载品质因数为10289。

如图1所示，谐振腔中区域近似划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域(忽略固定环的影响)，谐振腔中的总储能为：

W＝2(W_eI+W_eП+W_eШ) (2)

其中，W_eⅠ、W_eⅡ、W_eⅢ分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域的电场储能，表达式为：

其中，ε₀为空气的介电常数，ε_r为填充介质的复介电常数，E_φI、E_φП和E_φШ分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域TE₀₁₁模式的电场分布，表达式为：

其中，ω为角频率，μ₀为真空磁导率，k_c1、k_c2和k_c3分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域中的截止波数，J₀为0阶贝塞尔函数，Y₀为0阶纽曼函数，L为谐振腔的高度，A和B为系数，r为径向的变量，z为纵向的变量。

根据无载品质因数Q₀与储能W的关系可知：

其中，P_loss为损耗功率，表达式为：

其中，P_in为输入功率；

Ⅰ区域中的纵向磁场为：

样品加载处即谐振腔中心处的磁场强度为：

联立公式(2)～(7)，即可求出样品加载处的磁场强度h_rf。

自旋波激发的临阈功率值对应的磁场强度h_rf为临阈磁场h_c，得到临阈磁场h_c后就可以根据下式求出自旋波线宽ΔH_k，

其中，ω_m＝γM_s，γ为待测材料的旋磁比，M_s为待测材料的饱和磁化强度。

使用本发明谐振腔对饱和磁化强度为1800Gs的铁氧体材料进行测试，输入功率为17.77dBm，测得自旋波线宽为2.3Oe。

因此，本发明设计的高效集中微波磁场谐振腔可以实现在较低输入功率下完成自旋波线宽的测试，极大地节约了测试成本。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (8)

1.一种高效集中微波磁场谐振腔，其特征在于，包括主腔（1）、活塞（2）、填充介质（3）、固定环（4）、波导耦合结构（5）和耦合环结构（6）；所述主腔（1）为圆柱形腔体，其两开口端设置活塞（2），所述活塞（2）在腔体竖直中心轴线上设置圆柱形通孔；所述填充介质（3）设置在主腔（1）内，为空心圆柱形并且与主腔（1）同心，其内径大于或等于圆柱形通孔的直径；所述固定环（4）设置于活塞（2）与填充介质（3）之间，用于固定填充介质（3）；所述活塞（2）与主腔（1）内壁形成阶梯状缝隙，所述阶梯状缝隙包括靠近固定环的第一缝隙和远离固定环的第二缝隙，所述靠近固定环的第一缝隙的宽度小于第二缝隙的宽度，第二缝隙内填充吸波材料；所述主腔（1）侧壁中心对称设置两个通孔，分别连接波导耦合结构（5）和耦合环结构（6）。

2.如权利要求1所述的高效集中微波磁场谐振腔，其特征在于，所述固定环（4）的外径小于或等于主腔（1）的内径，内径与填充介质（3）的内径相等，且固定环（4）上设置有直径与填充介质厚度相同的圆柱形凹槽，该凹槽与填充介质的底面重合。

3.如权利要求1所述的高效集中微波磁场谐振腔，其特征在于，所述波导耦合结构（5）为谐振腔的输入端，波导耦合为强耦合；所述耦合环结构（6）为谐振腔的输出端。

4.如权利要求3所述的高效集中微波磁场谐振腔，其特征在于，所述波导耦合结构（5）采用标准矩形波导BJ100，波导的窄边垂直于腔体的中心轴线；所述耦合环结构（6）为同轴线馈电的磁耦合环，环面垂直于腔体的中心轴线。

5.如权利要求1所述的高效集中微波磁场谐振腔，其特征在于，所述主腔（1）和活塞（2）的材料为黄铜，并且在表面进行镀银处理，镀层厚度大于谐振腔工作频点电磁波的趋肤深度。

6.如权利要求1所述的高效集中微波磁场谐振腔，其特征在于，所述填充介质（3）在其内径相同的条件下，厚度越大，TE₀₁₁模式的工作频率越低；高度越高，TE₀₁₁模式的工作频率越低。

7.如权利要求1所述的高效集中微波磁场谐振腔，其特征在于，所述固定环（4）的材料为聚四氟乙烯。

8.如权利要求1所述的高效集中微波磁场谐振腔，其特征在于，主腔（1）的内壁直径为21mm，高度为43mm；填充介质（3）的内径为4mm，外径为9mm，高度为20mm；固定环（4）的内径为4mm，外径为20.8mm，高度为1.5mm，凹槽的高度为1mm。

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