CN113690556B - 一种d波段环行器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种D波段环行器，属于微波无源器件领域。包括：位于环形器中心的铁氧体中心结、与铁氧体中心结相连且形成“Y”型结构的三个基片集成波导；三个基片集波导各自对应环形器的三个端口，三个基片集成波导结构相同，各基片集波上均设有从端部位置沿基片集成波导长度方向延伸至铁氧体中心结的凹槽；所述铁氧体中心结为圆柱体；铁氧体中心结上施加一方向垂直于环行器的偏置磁场。本发明采用基片集成波导作为传输线，有效减小了环行器的体积；通过在基片集成波导上开设的凹槽，增大了基片集成波导的有效宽边，降低了基模的截止频率，使其具有更低的波阻抗，提升了环行器的带宽。

Description

一种D波段环行器
技术领域
本发明涉及微波技术，具体为一种D波段环行器。
背景技术
在无线通信发展百余年后的今天，军事通信领域500MHz～5GHz频段资源已日趋稀缺，未来量子通信技术虽值得憧憬，但目前仍有些遥不可及。而太赫兹这一曾被“遗忘”的波段，集成了微波通信与光通信的优点，具有传输速率高、容量大、方向性强、安全性高及穿透性好等诸多特性，在军事通信应用上的前景诱人，已成为各国挖掘开发的热点。D波段频段为：110-170GHz，位于太赫兹频段；而其中的140GHz作为大气窗口之一，具有波束窄，大功率干扰源实现相对困难的特点，因此该频段在通信过程受到的干扰和拦截可能性很小，故该频段通信系统具有非比寻常的战略意义和研究价值。
环行器又叫隔离器，具有单向传输高频信号能量的特性，它控制电磁波沿某一环行方向传输，多用于高频功率放大器的输出端与负载之间，起到各自独立，互相“隔离”的作用。它作为一种重要的微波铁氧体器件广泛应用于无线收发系统中。随着通信技术的发展，低成本、小型化、高性能及高集成化已成为通信设备重要发展趋势，而应用在其设备上的环形器的设计也日趋要求其低成本、小型化、高性能及高集成化。
现有的D波段环形器主要为金属波导环行器，采用矩形波导作为传输线，由于标准波导尺寸大(a×b＝1.65x0.8255mm)、且在太赫兹频段环行器的带宽也受到限制，因此不符合器件小型化、集成化趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种D波段环行器，以解决现有D波段环形器标准波导尺寸大、且在太赫兹频段环行器的带宽受到限制的问题，实现D波段环行器的小型化、集成化和高性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种D波段环行器，该环行器采用三端口结构，包括：位于环形器中心的铁氧体中心结、与铁氧体中心结相连且形成“Y”型结构的三个基片集成波导；
三个基片集波导各自对应环形器的三个端口，三个基片集成波导结构相同，各基片集波上均设有从端部位置沿基片集成波导长度方向延伸至铁氧体中心结的凹槽；
所述铁氧体中心结为圆柱体；铁氧体中心结上施加一方向垂直于环行器的偏置磁场。
进一步的，所述凹槽靠近铁氧体中心结处的侧壁与铁氧体中心结不接触，两者之间间隙为0.01～0.04mm。
进一步的，所述铁氧体中心结的半径R为0.22～0.24mm，铁氧体中心结的厚度与基片集成波导厚度相等。
进一步的，所述基片集成波导的尺寸参数为：w＝1.4～1.42mm，D＝0.18～0.2mm，p＝0.24～0.25mm，t＝0.18～0.2mm，t1＝0.01～0.02mm，h1＝0.08～0.1mm，w1＝0.25～0.29mm；其中w表示基片集成波导的宽度，D表示金属化通孔直径，p表示相邻两通孔间距，t表示介质基板厚度，t1表示金属层厚度，h1表示凹槽高度，w1表示凹槽的宽度。
上述D波段环行器的设计方法，包括如下步骤：
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，确定基板的厚度t、相对介电常数εr，确定基片集成波导的宽度w、金属化通孔直径D、通孔间距p和金属层厚度t1；
步骤2、设计铁氧体中心结，确定铁氧体材料和饱和磁场强度4πMS，确定中心结半径R和高度h和从圆心到环形器边沿的垂直距离L1，环形器为低场器件，通过调节外加偏置磁场H0改变归一化磁化强度，使其产生环行效果；
步骤3、根据步骤1-2得到的参数搭建基片集成波导环行器，并在基片集成波导上设凹槽，微调个别参数，使其在所需频带传输性能、隔离性能良好。
本发明的有益效果为：本发明D波段环行器中采用基片集成波导作为传输线，有效减小了环行器的体积；实施例得到的环行器呈正六边形，高为0.26～0.29mm(包括上下两面的金属层各0.02mm，介质基板高度为0.22～0.25mm)，且高度对称，边长约为1.75～1.85mm，实现了环行器的小型化集成化、宽频带。本发明通过在基片集成波导上开设的凹槽，增大了基片集成波导的有效宽边，降低了基模的截止频率，使其具有更低的波阻抗，提升了环行器的带宽。在本发明的结构中，为获得更好的传输性能，凹槽靠近铁氧体中心结的侧壁与铁氧体中心结不接触，这就相当于器件中增加了一个高阻装置，从而抵消了部分铁氧体的阻抗，有助于改善整个器件的阻抗匹配，从而获得更良好的传输性能。且本发明D波段环行器场图均匀，其功率容量大，耐高压，不易击穿。场图参阅附图图8。
附图说明
图1是本发明D波段环行器中基片集成波导的结构示意图。
图2是本发明D波段环行器中基片集成波导的S11参数曲线图；
图3是本发明D波段环行器中基片集成波导的S21参数曲线图；
图4是本发明D波段基片集成波导环行器的结构示意图；
图5是本发明D波段基片集成波导环行器的S参数曲线图；
图6是本发明D波段基片集成波导环行器的结构示意图；
图7是本发明D波段基片集成波导环行器的S参数曲线图；
图8是本发明D波段基片集成波导环行器的场图。
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D波段环行器，包括：三端口基片集成波导结构由三个互成120°角的基片集成波导构成，三个基片集成波导结构相同且各自对应环形器的三个端口。每个基片集成波导由两排平行的金属化通孔、位于两排平行的金属化通孔之间的介质基板、及该介质基板上下表面的金属层组成；两列金属化通孔之间的介质基板上设有从端部位置沿基片集成波导长度方向延伸至铁氧体中心结的凹槽，凹槽靠近铁氧体中心结处的侧壁与铁氧体中心结不接触。三端口基片集成波导结构的中心开有一贯穿介质基板及介质基板两面的圆形窗口，圆形窗口用于放置铁氧体中心；铁氧体中心结为圆柱形，其直径与圆形窗口的直径相匹配，铁氧体中心结上施加一方向垂直于环行器的偏置磁场。通过调节外加偏置磁场H0改变归一化磁化强度，使其产生环行效果，完成在更高频率的应用。
本发明采用铁氧体材料的旋磁特性，在高频波场和外加磁场的共同作用下，使传输的电磁波方向发生旋转，在特定极化旋转角下即可实现三端口环行效果。
所述铁氧体中心结为圆柱体，其半径R＝0.22～0.24mm；铁氧体中心结的厚度与基片集成波导厚度相等。三个基片集成波导结构相同，单个基片集成波导的尺寸参数为：w＝1.42mm，D＝0.2mm，p＝0.24mm，t＝0.18～0.2mm，t1＝0.02mm，h1＝0.1mm，w1＝0.29mm；其中w表示基片集成波导的宽度，D表示金属化通孔直径，p表示相邻两通孔间距，t表示介质基板厚度，t1表示金属层厚度，h1表示凹槽高度，w1表示凹槽宽度；在本实施中，所述金属层采用材料为铜。
针对上述D波段环行器，本实施例还提供了其设计方法，包括如下步骤：
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＝0.18～0.2mm，相对介电常数εr＝2.1，根据近似公式：w＝a-1.08D^2/p+0.1D^2/a并做实验调整，确定基片集成波导的宽度w＝1.4～1.42mm、金属化通孔直径D＝0.1.8～0.2mm和通孔间距p＝0.24～0.25mm，其中a指的是背景技术中矩形波导的宽边；在HFSS中建模分析基片集成波导的传输性能，得到在整个D波段(110-170GHz)内基片集成波导的回波损耗小于-36.94dB，插入损耗小于-0.054dB，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、设计铁氧体中心结：根据归一化饱和磁化强度的公式可知，材料本身的磁化强度越高，越容易产生旋磁作用，当应用频率升高，需要选用具有更高的磁化强度的材料，因此，选取市面上可购买得到的铁氧体，铁氧体材料的饱和磁场强度4πMS＝5200Guass，相对介电常数为13，铁氧体中心结半径R＝0.16～0.17mm，厚度(也可以理解为高度)与步骤1所述介质基板厚度相同。由于外加偏置磁场使环行器呈现较好的环行效果，因此可以优先对外加偏磁场进行调节，通过调节外加偏磁场使环行器所呈现的良好环形效果，确定外加偏置磁场H0＝3250kA/m；铁氧体中心结半径R以及基片集成波导的宽度w对中心频率的影响较大，调节R和w，当R＝0.215mm，w＝1.38～1.39mm时，可得到较好的环行性能；经过调试确定从圆心到环形器边沿的垂直距离为L1＝1.43mm。观察其S参数图可得：此时在138.69-140.5GHz频段内隔离度为20dB，回波损耗小于-20dB，插入损耗小于-0.3dB，效果良好。所述铁氧体中心结和基片集成波导组成的结构如附图4所示，S参数如附图5所示。
步骤3、根据步骤1-2得到的参数搭建片状环行器，并通过开设凹槽对基片集成波导进行，微调个别参数，使其在所需频带传输性能、隔离性能良好。由于基板厚度有限，因此选用凹槽来扩展带宽，经过调试，所确定的性能较优时，w＝1.42mm，D＝0.2mm，p＝0.24mm，t＝0.18～0.2mm，R＝0.22～0.24mm，覆铜厚度t1＝0.02mm，凹槽h1＝0.1mm，凹槽宽为w1＝0.0.29mm.最后，所述环行器的结构如图6所示，S参数曲线图如附图7所示。
综上所述，由于本发明的环行器采用了基片集成波导与铁氧体结合的方式，实现了器件的小型化，并通过基片集成波导凹槽靠近铁氧体中心结处的侧壁与铁氧体中心结之间形成的缝隙改善了整个器件的阻抗匹配，提升了传输效率，实现了中心频率140.00GHz，138.43GHz到141.60GHz范围内达到20dB隔离，回波损耗小于-20dB，插入损耗大于-0.26dB。

Claims (4)

1.一种D波段环行器，该环行器采用三端口结构，包括：位于环形器中心的铁氧体中心结、与铁氧体中心结相连且形成“Y”型结构的三个基片集成波导；
三个基片集成波导各自对应环形器的三个端口，三个基片集成波导结构相同，各基片集成波导上均设有从端部位置沿基片集成波导长度方向延伸至铁氧体中心结的凹槽；凹槽靠近铁氧体中心结处的侧壁与铁氧体中心结不接触；
所述铁氧体中心结为圆柱体；铁氧体中心结上施加一方向垂直于环行器的偏置磁场。
2.根据权利要求1所述一种D波段环行器，其特征在于：所述凹槽与铁氧体中心结之间间隙为0.01～0.04mm。
3.根据权利要求1所述一种D波段环行器，其特征在于：所述铁氧体中心结的半径R为0.22～0.24mm，铁氧体中心结的厚度与基片集成波导厚度相等。
4.根据权利要求2所述一种D波段环行器，其特征在于：所述基片集成波导的尺寸参数为：w＝1.4～1.42mm，D＝0.18～0.2mm，p＝0.24～0.25mm，t＝0.18～0.2mm，t1＝0.01～0.02mm，h1＝0.08～0.1mm，w1＝0.25～0.29mm；其中w表示基片集成波导的宽度，D表示金属化通孔直径，p表示相邻两通孔间距，t表示介质基板厚度，t1表示金属层厚度，h1表示凹槽高度，w1表示凹槽的宽度。
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