CN113206362B - 基于人工表面等离激元传输线的非互易铁氧体移相器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种非互易铁氧体移相器。一种基于人工表面等离激元传输线的非互易铁氧体移相器，包括：介质基板，上层金属覆铜层，下层金属覆铜层以及铁氧体块；其中上层金属覆铜层覆于介质基板上表面，下层金属覆铜层覆于介质基板下表面；所述铁氧体块放置于所述上层金属覆铜层之上，铁氧体块中心与所述介质基板中心重合。本发明的非互易铁氧体移相器具有小型化，易与传统微带电路集成，相移可调的优点，并且实现了微波信号前向与后向输入时相移量不同的非互易移相。

Description

基于人工表面等离激元传输线的非互易铁氧体移相器
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种非互易铁氧体移相器。
背景技术
铁氧体移相器为微波通信器件，通过改变铁氧体的偏置磁场可以提供可变的相移。铁氧体移相器因其相移量大,插入损耗小等优点被广泛应用于相控阵雷达中。然而随着微波组件小型化,集成化的发展趋势,铁氧体移相器的体积已成为制约其发展的关键问题。
非互易性是微波技术中的用语，指电磁波在某物体中沿相反的两个方向传输会呈现不同的电磁损耗、相移等特性，把这一种现象称为非互易性。非互易移相器即可以实现前向和后向输入时，实现不同相移量的微波功能器件。
表面等离激元存在于远红外以上的频段，在金属与电介质分界面，表面电荷在与其共振频率相同的电磁场作用下发生集体振荡，显现出独特的电磁特性：沿着分界面导行的表面等离激元波可以将电磁能量束缚在很小的亚波长范围内进行传播；而在垂直于分界面的方向， 电磁场能量呈指数衰减。独特的传播特性使其成为实现小型化、高集成电路的重要希望。
发明内容
为了弥补现有的铁氧体移相器存在不足和缺陷，本发明提供了一种基于人工表面等离激元传输线的非互易铁氧体移相器，具有低损耗、对信号高束缚的优点，并且实现了微波信号前向与后向输入时相移量不同的非互易移相，同时解决了铁氧体移相器尺寸大、难以集成的问题。
本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：一种基于人工表面等离激元传输线的非互易铁氧体移相器，包括：介质基板，上层金属覆铜层，下层金属覆铜层以及铁氧体块；其中上层金属覆铜层覆于介质基板上表面，下层金属覆铜层覆于介质基板下表面；铁氧体块放置于上层金属覆铜层之上，铁氧体块中心与介质基板中心重合。
作为本发明的一种优选方式，所述的上层金属覆铜层包括依次相连的微带线输入/输出结构、微带线/人工表面等离激元传输线耦合结构、凹槽深度渐变的过渡结构以及人工表面等离激元传输线结构；所述上层金属覆铜层为轴对称结构。
进一步优选地，所述的下层金属覆铜层包括依次连接的微带线输入/输出结构、凹槽深度渐变的过渡结构以及人工表面等离激元传输线结构；所述下层金属覆铜层为轴对称结构。
进一步优选地，所述的人工表面等离激元传输线结构为周期性凹槽金属线，单元结构为凹形开口正方形结构。
进一步优选地，所述下层金属覆铜层的人工表面等离激元传输线结构的凹槽开口方向与上层金属覆铜层的人工表面等离激元传输线结构凹槽开口方向相反。
进一步优选地，所述微带线/人工表面等离激元传输线耦合结构为等腰梯形。
进一步优选地，所述过渡结构为凹槽深度等差渐变的金属线，从微带线端到人工等离激元传输线端凹槽深度由浅至深。
进一步优选地，所述铁氧体块材料为钇铁石榴石铁氧体YIG。
与现有技术相比，本发明基于人工表面等离激元传输线的非互易铁氧体移相器，具有的有益效果为：
本发明将人工表面等离激元结构同传统微带线系统结合，人工表面等离激元结构通过凹槽金属条带结构，成功实现了表面等离激元优异性能在微波、毫米波段的应用。人工等离激元传输线具有亚波长宽度，其厚度仅有工作波长的几百分之一，在与电磁表面波传输方向垂直的两个维度上电场都按指数规律衰减，实现了的亚波长束缚传输；这种超薄结构构成的功能器件可以突破衍射极限，把电磁波有效地局域在一个很小的亚波长区域内传播，与传统波导铁氧体移相器相比，很大程度上缩减了尺寸；由于上下结构开口相反，微波信号前向与后向输入时产生不同的相移量，实现了非互易的移相器；从加工工艺而言，这是一种2维表面结构，可采用现有的PCB加工技术，加工方便；实现了微带线/表面等离激元传输线的可靠过渡，可实现高集成度，直接与现有微波电路集成；更进一步，可以通过采用柔性电路板实现不规则表面共形，实现、沿任意弯曲表面的高效微波器件。
附图说明
图1为本发明实施例提供的非互易铁氧体移相器的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的非互易铁氧体移相器沿A-A方向的剖面图；
图3为本发明实施例提供的非互易铁氧体移相器的上层金属覆铜层结构示意图；
图4为本发明实施例提供的非互易铁氧体移相器的下层金属覆铜层结构示意图；
图5为本发明实施例提供的非互易铁氧体移相器的插入损耗仿真结果图；
图6为本发明实施例提供的非互易铁氧体移相器的回波损耗仿真结果图；
图7为本发明实施例提供的非互易铁氧体移相器的驻波比仿真结果图；
图8为本发明实施例提供的非互易铁氧体移相器的相移量仿真结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，但本发明的实施方式不限于此，可通过改变结构尺寸以及偏置磁场强度实施不同方法。
如图1、2所示，本发明实施例提供了一种基于人工表面等离激元传输线的铁氧体非互易移相器，该移相器包括：介质基板1，上层金属覆铜层2，下层金属覆铜层3以及铁氧体块4。其中，上层金属覆铜层2覆于介质基板1上表面，下层金属覆铜层3覆于介质基板1下表面，铁氧体块4放置于上层金属覆铜层2之上，铁氧体块4中心与介质基板1中心重合。通过永磁体对铁氧体块4添加偏置磁场，对前向和后向传播的表面波产生作用，从而导致非互易相移的出现。
图3为本发明实施例提供的非互易铁氧体移相器的上层金属覆铜层2的结构示意图，如图3所示，上层金属覆铜层2包括依次相连的第一微带线输入/输出结构5，线性梯度的微带线/人工表面等离激元传输线耦合结构6，凹槽深度渐变的第一过渡结构7，由凹槽单元结构8构成的第一人工表面等离激元传输线9。上层金属覆铜层2中的第一微带线输入输出结构5长8mm，宽5mm。微带线/人工表面等离激元传输线耦合结构6为等腰梯形，上底1.5mm，下底8mm，高15mm，为微带线到人工表面等离激元传输线之间实现了阻抗匹配。
凹槽单元结构8为轴对称凹形开口结构，该单元结构的尺寸可以决定第一人工表面等离激元传输线结构9的通带范围，本发明实施例采用的尺寸为基础形状为边长1.5mm的正方形，开口宽度0.6mm，开口深度1.2mm。第一人工表面等离激元传输线结构9由35个凹槽单元结构构成，总长度52.5mm。
凹槽深度渐变的第一过渡结构7，由10个凹槽深度梯度渐变的开口单元构成，开口深度由0.2mm至1.2mm，渐变步长为0.12mm，总长度15mm。由于微带线支持的模式与人工表面等离激元传输线支持的表面波模式有很大的波矢失配，采用过渡结构7可以实现波矢匹配。
如图4所示，下层金属覆铜层3包括第二微带线输入/输出结构10，凹槽深度渐变的第二过渡结构11以及由凹槽单元结构构成的第二人工表面等离激元传输线结构12。
下层金属覆铜层3中的第二微带线输入/输出结构10长20mm，宽1.5mm，凹槽深度渐变的第二过渡结构11的结构尺寸同第一过渡结构7，第二人工表面等离激元传输线结构12的尺寸同第一人工表面等离激元传输线结构9，但凹槽开口方向相反。
本实施例中，上层金属覆铜层2以及下层金属覆铜层3厚度为0.018mm，上层金属覆铜层2和下层金属覆铜层3均为轴对称结构。上层金属覆铜层2的整体结构为：输入/输出结构-耦合结构-过渡结构-人工表面等离激元传输线结构-过渡结构-耦合结构-输出/输入结构。下层金属覆铜层3的整体结构为：输入/输出结构-过渡结构-人工表面等离激元传输线结构-过渡结构-输出/输入结构。
本实施例中，介质基板1的介质材料为聚四氟乙烯玻纤布覆铜箔板F4B，介电常数2.65，损耗正切角0.001，基板厚度0.17mm，板面尺寸长122mm，宽16mm。
铁氧体块4的材料为钇铁石榴石铁氧体YIG，型号为YG17，介电常数13.8，损耗正切角0.0002，饱和磁化强度1620Gs，铁磁共振线宽30Oe，长30mm，宽4mm，高0.6mm。
铁氧体块4通过永磁体施加偏置磁场，偏置磁场方向为平行于介质基板1，垂直于微波信号传输方向，偏置磁场的大小可以造成不同的相移量，本发明实施例的偏置磁场磁感应强度为0.17T。
微带输入/输出结构通过焊接在端口的SMA接口输入或输出微波信号。
如图5、6、7、8所示，为本发明实例提供的非互易铁氧体移相器的仿真结果图，分别为插入损耗、回波损耗、驻波比、相移量的仿真结果。由图5可知，本发明实施例提供的非互易铁氧体移相器工作频率在9.5GHz～11GHz，带宽1.5GHz。图中虚线为正向传输系数S21，实线为反向传输系数S12，可知带宽内正向和反向插入损耗小于1.5dB。由图6可知，图中虚线为正向回波损耗S11，实现为反向回波损耗S22，带宽内正向和反向回波损耗小于-12dB。由图7可知，本发明实施例提供的非互易铁氧体移相器驻波比1.1<VSWR<1.6。由图8可知，本发明实施例提供的非互易铁氧体移相器实现了非互易的移相功能，图中虚线为正向传输系数S21的角度，实线为反向传输系数S12的角度，可知正向和反向传输时有着不同的相移量，本发明实施例在工作带宽内可实现84°至174°的非互易移相。

Claims (4)

1.一种基于人工表面等离激元传输线的非互易铁氧体移相器，包括：介质基板，上层金属覆铜层，下层金属覆铜层以及铁氧体块；其中上层金属覆铜层覆于介质基板上表面，下层金属覆铜层覆于介质基板下表面；其特征在于：所述铁氧体块放置于所述上层金属覆铜层之上，铁氧体块中心与所述介质基板中心重合；所述的上层金属覆铜层包括依次相连的微带线输入/输出结构、微带线/人工表面等离激元传输线耦合结构、凹槽深度渐变的过渡结构以及人工表面等离激元传输线结构；所述上层金属覆铜层为轴对称结构；所述的下层金属覆铜层包括依次连接的微带线输入/输出结构、凹槽深度渐变的过渡结构以及人工表面等离激元传输线结构；所述下层金属覆铜层为轴对称结构；所述的人工表面等离激元传输线结构为周期性凹槽金属线；所述下层金属覆铜层的人工表面等离激元传输线结构的凹槽开口方向与上层金属覆铜层的人工表面等离激元传输线结构凹槽开口方向相反。
2.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元传输线的非互易铁氧体移相器，其特征在于：所述微带线/人工表面等离激元传输线耦合结构为等腰梯形。
3.根据权利要求2所述的基于人工表面等离激元传输线的非互易铁氧体移相器，其特征在于：所述过渡结构为凹槽深度等差渐变的金属线，从微带线端到人工等离激元传输线端凹槽深度由浅至深。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于人工表面等离激元传输线的非互易铁氧体移相器，其特征在于：所述铁氧体块材料为钇铁石榴石铁氧体YIG。
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