CN113506969A - 一种x波段磁控耦合系数可调定向耦合器 - Google Patents

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畅甲维
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Abstract

本发明涉及微波技术，具体涉及一种X波段磁控耦合系数可调定向耦合器。本发明通过在双层基片集成波导的一介质层中，在耦合孔下方添加添加铁氧体结，然后通过施加外加磁场以磁场调控的方式影响铁氧体结调整耦合孔，从而实现对耦合系数的调节；其延迟低，不填加外接组件结构简单体积小，利于集成，并且在改变耦合系数的同时对驻波，隔离端影响较小。

Description

一种X波段磁控耦合系数可调定向耦合器
技术领域
本发明涉及微波技术，具体涉及一种X波段磁控耦合系数可调定向耦合器。
背景技术
随着科技发展进步，微波技术逐渐向小型化，集成化发展。耦合系数可调节的定向耦合器可以有效解决这一问题，相比于传统定向耦合器，耦合系数可调节的定向耦合器能够有效减少整个无线通信系统的耦合器数量，减轻无线通信系统的重量，便于小型化。
相比于传统波导结构，基片集成波导在尺寸上显著减小，结构近似平面结构利于集成，同时也兼具微带元件的特点。
现有机械调控的耦合系数可重构定向耦合器，延迟高，调节方式笨拙，且用在微带结构上，现有电场调控的方式对基片集成波导使用存在电势差的电偏置回路，电路复杂，不利于集成化。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有耦合系数可变的定向耦合器的不足，本发明提供了一种X波段磁控耦合系数可调定向耦合器，通过在采用基片集成波导结构的定向耦合器上加载铁氧体材料，使用磁场调控的方式实现对定向耦合器耦合系数的调节。
本发明的技术方案如下：
一种X波段磁控耦合系数可调定向耦合器，包括主基片集成波导、副基片集成波导和铁氧体结。
所述主基片集成波导的主模H面与副基片集成波导的主模H面相互适应平行设置，主基片集成波导和副基片集成波导采用相同的两行金属化通孔，并通过公共金属层实现主基片集成波导与副基片集成波导相互隔离，构成金属层-介质层-公共金属层-介质层-金属层的层间结构。
所述公共金属层沿波的传输方向设有两行互相平行(以孔心所属直线记)且与基片集成波导的两行金属化通孔平行的圆形耦合孔，两行耦合孔关于主基片集成波导传输方向的中线成对称图形，同一行的耦合孔以等孔心距设置，耦合孔贯穿整个公共金属层与其等高。
所述铁氧体结为圆柱体，位于主基片集成波导介质层中，其高度与主基片集成波导的介质层厚度相同，其数量与耦合孔相同，以耦合孔和铁氧体结共用同一圆柱中心线一一对应的方式设置在各耦合孔的正下方，且铁氧体结的圆面半径小于耦合孔的圆面半径。
所述主基片集成波导作为的微波主通道，副基片集成波导作为取样信号通道，耦合孔作为耦合通道。
进一步地，所述同一行相邻耦合孔的孔心间距为hd＝4-6mm；所述耦合孔的半径采用切比雪夫计算。
耦合孔的孔心间距是一个敏感参数，太小无法使用，太大整体器件尺寸会过大。单行耦合孔的数量越多，性能越好，尺寸也越大；耦合孔半径采用切比雪夫计算可以展宽带宽，增强定向性。
上述X波段磁控耦合系数可调定向耦合器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、根据基片集成波导和传统矩形波导的等效公式，在满足辐射损耗条件的情况下设计基片集成波导：选择介质基板，介质基板的厚度t、相对介电常数，确定基片集成波导的宽度w、长度、金属化通孔直径d和通孔孔心间距p。
步骤2、设计定向耦合器，确定耦合孔的孔心间距hd，耦合孔与基片集成波导的金属化通孔的孔心距离kw，各耦合孔半径。
步骤3、设计铁氧体结，确定铁氧体材料和饱和磁场强度，以及各铁氧体结的半径。
步骤4、根据步骤1-3得到的参数搭建加载铁氧体的定向耦合器，优化调参，使其在所需频带传输性能、隔离性能进一步的提升。
本发明器件在使用时，通过施加一个方向垂直于整个定向耦合器，磁场强度从零逐渐增大的外加磁场，实现在改变外加偏置磁场的情况下，改变定向耦合器的耦合系数。
本发明通过在双层基片集成波导的其一介质层中添加铁氧体结，然后通过磁场调控的方式影响铁氧体结调整耦合孔，从而实现对耦合系数的调节；其延迟低，不填加外接组件结构简单体积小，利于集成，并且在改变耦合系数的同时对驻波，隔离端影响较小。
附图说明
图1是本发明实施例中基片集成波导的结构示意图。
图2是本发明实施例中基片集成波导的S11参数曲线图
图3是本发明实施例中基片集成波导的S21参数曲线图；
图4是本发明实施例中定向耦合器的结构示意图；
图5是本发明实施例中定向耦合器的拆解示意图；
图6是本发明实施例中定向耦合器的俯视图；
图7是本发明实施例中定向耦合器的S参数曲线图；
图8是本发明实施例的结构透视示意图；
图9是本发明实施例的副导结构透视示意图；
图10是本发明实施例的俯视图；
图11是本发明实施例不同偏置场下耦合系数S31参数曲线图；
图12是本发明实施例不同偏置场下S11,S41参数曲线图；
图13是本发明实施例不同偏置场下S21参数曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
一种X波段磁控耦合系数可调定向耦合器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、根据基片集成波导和传统矩形波导的等效公式，在满足辐射损耗条件的情况下设计基片集成波导，介质基板厚度t＝0.50mm，相对介电常数εr＝2.1，确定基片集成波导的宽度w＝17.1mm、金属化通孔直径d＝0.55mm和通孔间距p＝0.68mm；在HFSS中建模分析基片集成波导的传输性能，得到在整个X波段(8-12GHz)内基片集成波导的回波损耗小于-48.12dB，插入损耗小于-0.057dB，传输性能良好；结构如附图1所示，S参数曲线图如附图2、3所示。
步骤2、根据设计指标设计定向耦合器：耦合孔的单行数量为5个，采用从中间至两侧逐渐减小的方式排布，共计3种孔径尺寸，中间耦合孔半径(最大)r3＝1.21mm，耦合孔的孔间距hd＝5.25mm，kw＝3.42mm，r1＝0.67mm,r2＝1.04mm,在HFSS中建模分析定向耦合的传输性能，得到在整个X波段(8-12GHz)内定向耦合器的回波损耗小于-45.62dB，插入损耗小于-0.14dB，隔离度小于-50dB,耦合度为-19.5±1dB传输性能良好；结构如附图4，5，6所示，S参数曲线图如附图7所示。
步骤3、设计铁氧体结：根据设计指标确定铁氧体材料和饱和磁场强度4πMS＝1780Guass，相对介电常数为15，铁氧体结半径R1＝0.40～0.41mm，R2＝0.63～0.64mm，R3＝0.75～0.76mm，厚度与步骤1所述介质基板厚度相同，R1对应r1，R2对应r2，R3对应r3；从附图11，12，13可以看出，调节外加偏置磁场，从H0＝0kA/m增加到H0＝11.94kA/m，耦合度增加了1.5dB，回波损耗，插入损耗，隔离度基本没有变化，结构如附图8，9，10所示；
由图11可知，本实施例中定向耦合器在中心频率10.00GHz，8GHz到12GHz的范围内，，H0＝0kA/m增加到H0＝11.94k+/m，回波损耗小于-35dB，插入损耗小于-0.3dB，隔离小于-55dB,耦合度增加了1.5dB。
综上所述，本发明通过在双层基片集成波导的主基片集成波导介质层中添加一一对应并正对耦合孔的铁氧体结，然后通过磁场调控的方式影响铁氧体结调整耦合孔，从而实现了对耦合系数的调节；其延迟低，不填加外接组件结构简单体积小，利于集成，并且在改变耦合系数的同时对驻波，隔离端影响较小。

Claims (6)

1.一种X波段磁控耦合系数可调定向耦合器，其特征在于：包括主基片集成波导、副基片集成波导和铁氧体结；
所述主基片集成波导的主模H面与副基片集成波导的主模H面相互适应平行设置，主基片集成波导和副基片集成波导采用相同的两行金属化通孔，并通过公共金属层实现主基片集成波导与副基片集成波导相互隔离，构成金属层-介质层-公共金属层-介质层-金属层的层间结构；
所述公共金属层沿波的传输方向设有两行互相平行且与基片集成波导的两行金属化通孔平行的圆形耦合孔，两行耦合孔关于主基片集成波导传输方向的中线成对称图形，同一行的耦合孔以等孔心距设置，耦合孔贯穿整个公共金属层与其等高；
所述铁氧体结为圆柱体，位于主基片集成波导介质层中，其高度与主基片集成波导的介质层厚度相同，其数量与耦合孔相同，以耦合孔和铁氧体结共用同一圆柱中心线一一对应的方式设置在各耦合孔的正下方，且铁氧体结的圆面半径小于耦合孔的圆面半径；
所述主基片集成波导作为的微波主通道，副基片集成波导作为取样信号通道，耦合孔作为耦合通道。
2.如权利要求1所述X波段磁控耦合系数可调定向耦合器，其特征在于：所述同一行相邻耦合孔的孔心间距为hd＝4-6mm。
3.如权利要求1所述X波段磁控耦合系数可调定向耦合器，其特征在于：所述耦合孔的半径采用切比雪夫计算，以展宽带宽，增强定向性。
4.如权利要求1所述X波段磁控耦合系数可调定向耦合器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据基片集成波导和传统矩形波导的等效公式，在满足辐射损耗条件的情况下设计基片集成波导：选择介质基板，介质基板的厚度t、相对介电常数，确定基片集成波导的宽度w、长度、金属化通孔直径d和通孔孔心间距p；
步骤2、设计定向耦合器，确定耦合孔的孔心间距hd，耦合孔与基片集成波导的金属化通孔的孔心距离kw,各耦合孔半径；
步骤3、设计铁氧体结，确定铁氧体材料和饱和磁场强度，以及各铁氧体结的半径。
5.如权利要求4所述X波段磁控耦合系数可调定向耦合器的设计方法，其特征在于：
还包括步骤4：根据步骤1-3得到的参数搭建加载铁氧体的定向耦合器，进一步优化调参，使其在所需频带传输性能、隔离性能进一步的提升。
6.如权利要求1所述X波段磁控耦合系数可调定向耦合器，其特征在于：
使用时，施加一个方向垂直于整个定向耦合器，磁场强度从零逐渐增大的外加磁场，实现在改变外加偏置磁场的情况下，改变定向耦合器的耦合系数。
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