CN114204238A - 一种高可靠大功率的微波隔离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高可靠大功率的微波隔离器，包括：N个环行结构、第一功分器、第二功分器、N个负载和支架；其中，第一功分器和第二功分器均为一分N功分器，N≥2；N个环行结构、第一功分器、第二功分器和N个负载连接紧固，形成腔体A；一个负载对应连接一个环行结构；第一功分器和第二功分器通过支架分别与N个负载的安装面连接；第一功分器和第二功分器分别与N个环行结构连接。本发明所述的高可靠大功率的微波隔离器，连续波功率可达500W以上，弥补了现有技术的空白。

Description

一种高可靠大功率的微波隔离器

技术领域

本发明属于微波无源器件技术领域，尤其涉及一种高可靠大功率的微波隔离器。

背景技术

高可靠大功率的微波隔离器是一种二端口微波无源器件，可实现大功率微波信号的正向传输、反向隔离，用于微波功率放大器输出匹配和保护微波功率放大器，在微波系统中应用十分广泛，是卫星通讯、雷达设备、精确制导和微波测试系统中重要的无源器件。微波隔离器一般由三端口微波环行器和负载组成，其工作原理是旋磁铁氧体在偏置恒磁场和高频电磁波的共同作用下，表现出张量磁导率效应，使得穿越其中的电磁波偏转特定的角度，沿顺时针(或逆时针)环行传输，在其中一个端口端接匹配负载，从而实现微波能量单向导通的功能。

随着我国雷达、通信和卫星导航等技术的快速发展，微波链路传输功率不断提高，对高可靠大功率微波隔离器的需求愈发明显。目前已有卫星通信系统明确提出连续波功率500W以上的微波隔离器需求，而国内外已有高可靠微波隔离器的平均功率容量均在300W以下，不能满足当前技术发展的需要。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种高可靠大功率的微波隔离器，连续波功率可达500W以上，弥补了现有技术的空白。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种高可靠大功率的微波隔离器，包括：N个环行结构、第一功分器、第二功分器、N个负载和支架；其中，第一功分器和第二功分器均为一分N功分器，N≥2；

N个环行结构、第一功分器、第二功分器和N个负载连接紧固，形成腔体A；

一个负载对应连接一个环行结构；

第一功分器和第二功分器通过支架分别与N个负载的安装面连接；

第一功分器和第二功分器分别与N个环行结构连接。

在上述高可靠大功率的微波隔离器中，反射至各环行结构的微波信号功率由对应的负载吸收。

在上述高可靠大功率的微波隔离器中，各环行结构的结构相同，包括：上腔体B、下腔体B、旋磁铁氧体、恒磁体、磁钢介质环、轭铁和温度补偿片；

上腔体B和下腔体B连接，形成具有阻抗匹配台的腔体B；

旋磁铁氧体固定在阻抗匹配台上，与阻抗匹配台的外接圆圆心重合；

恒磁体固定在上腔体B和下腔体B外侧；其中，恒磁体和旋磁铁氧体同心；

磁钢介质环设置在恒磁体外围，与恒磁体胶接固定；

轭铁固定在上腔体B和下腔体B上；

温度补偿片设置在恒磁体和轭铁之间，并涂胶固定。

在上述高可靠大功率的微波隔离器中，旋磁铁氧体为三角形或圆形。

在上述高可靠大功率的微波隔离器中，阻抗匹配台的台阶数至少为一，形状为三角形或圆形或“Y”字形。

在上述高可靠大功率的微波隔离器中，第一功分器和第二功分器的结构相同，包括：上腔体C和下腔体C；

上腔体C和下腔体C连接紧固，形成腔体C。

在上述高可靠大功率的微波隔离器中，各负载的结构相同，包括：负载吸收体、负载上腔体D和负载下腔体D；

负载上腔体D和负载下腔体D连接紧固，形成腔体D；

负载吸收体设置在腔体D内，涂胶固定。

在上述高可靠大功率的微波隔离器中，负载吸收体形状为：楔形。

在上述高可靠大功率的微波隔离器中，负载吸收体材料为：碳化硅。

在上述高可靠大功率的微波隔离器中，腔体A外部设置有若干个加强筋，降低了器件本身的重量，同时增大了器件整体的力学稳定性。

本发明具有以下优点：

(1)本发明公开了一种高可靠大功率的微波隔离器，N个环行结构、第一功分器、第二功分器和N个负载形成腔体A，可将输入连续波功率一分为N，单个环行结构只承受输入功率和反射功率的1/N，有效提高了微波隔离器的功率容量。

(2)本发明公开了一种高可靠大功率的微波隔离器，环行结构其中一个端口端接负载，微波信号功率被负载吸收，从而实现微波能量单向导通的功能，保护微波功率放大器。

(3)本发明公开了一种高可靠大功率的微波隔离器，负载吸收体采用碳化硅材料，具有较好的微波吸收特性、许用温度高(850℃)、性能稳定，同时，负载吸收体的设置增大了负载的安装面面积，有助于减小反向功率下负载的温升，进一步提高了微波隔离器的功率容量。

(4)本发明公开了一种高可靠大功率的微波隔离器，考虑到各环行结构输出的微波信号可能存在相位、驻波间的差异，导致第二功分器输出信号相位不一致，插损恶化，本发明在各环行结构恒磁体外围设置有磁钢介质环，通过调整磁钢介质环的设置位置可改变恒磁体的磁场分布，可有效改善环行结构输出信号的相位、驻波和插损等指标，保证第二功分器输出信号的相位一致性，减小损耗。

(5)本发明公开了一种高可靠大功率的微波隔离器，通过温度补偿片实现了温度补偿：将温度补偿片设置在恒磁体和轭铁之间，利用温度补偿片(即铁镍合金)磁导率的负温度系数特性，使外加偏置磁体提供的磁场强度随温度的变化做相应改变，以补偿旋磁铁氧体的磁化状态，保证微波隔离器宽温域工作性能的稳定，使微波隔离器的微波性能在极限温度下不发生恶化。

附图说明

图1是本发明实施例中一种高可靠大功率微波隔离器的结构示意图；

图2是本发明实施例中一种高可靠大功率微波隔离器的环行结构的剖面图；

图3是本发明实施例中一种高可靠大功率微波隔离器的第一功分器或第二功分器的结构示意图；

图4是本发明实施例中一种高可靠大功率微波隔离器的负载的剖面图；

图5是本发明实施例中一种高可靠大功率微波隔离器的磁钢介质环的结构示意图。

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，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

为了满足快速发展的雷达、通信和卫星导航等技术对微波隔离器提出的更高功率容量的要求，本发明提出了一种高可靠大功率的微波隔离器。如图1，在本实施例中，该高可靠大功率的微波隔离器，包括：N个环行结构1、第一功分器201、第二功分器202、N个负载3和支架4；其中，第一功分器201和第二功分器202均为一分N功分器，N≥2；N个环行结构1、第一功分器201、第二功分器202和N个负载3连接紧固，形成腔体A5；一个负载3对应连接一个环行结构1；第一功分器201和第二功分器202通过支架4分别与N个负载3的安装面连接；第一功分器201和第二功分器202分别与N个环行结构1连接。器件结构紧凑，尺寸较小。

在本实施例中，反射至各环行结构1的微波信号功率由对应的负载3吸收。如图2，各环行结构1的结构相同，包括：上腔体B7、下腔体B8、旋磁铁氧体12、恒磁体13、磁钢介质环14、轭铁15和温度补偿片17。

上腔体B7和下腔体B8连接，形成具有阻抗匹配台16的腔体B6；旋磁铁氧体12固定在阻抗匹配台16上，与阻抗匹配台16的外接圆圆心重合。其中，上腔体B7、下腔体B8和旋磁铁氧体12构成环行结构1的微波导行部分。

恒磁体13固定在上腔体B7和下腔体B8外侧，恒磁体13和旋磁铁氧体12同心；磁钢介质环14设置在恒磁体13外围，与恒磁体13胶接固定；轭铁15固定在上腔体B7和下腔体B8上；温度补偿片17设置在恒磁体13和轭铁15之间，并涂胶固定。其中，恒磁体13、磁钢介质环14、轭铁15和温度补偿片17构成环行结构1的磁路结构部分，形成通过旋磁铁氧体12的偏置磁场，使旋磁铁氧体12在高频电磁场和偏置恒磁场的作用下，呈现张量磁导率特性，对传输于其中的电磁波具有非互易性，从而实现环行的功能。

优选的，通过高频电磁场仿真软件分析可知，分别经过各环行结构1的微波信号可能会存在相位、驻波间的差异，导致第二功分器202输出信号相位不一致，插损恶化。因此，在恒磁体13外围放置磁钢介质环14，如图5所示，磁钢介质环14的一侧去掉两个恒磁体13形状的圆柱体，形成类似“月牙”形状，并在磁钢介质环14的另外一侧中间位置留一个通孔，便于调整磁钢介质环14的位置以改变恒磁体13的磁场分布，从而改善环行结构1输出信号的相位、驻波和插损等指标，保证第二功分器202输出信号的相位一致性。

优选的，为保证微波隔离器的微波性能在极限温度下不发生恶化，使外加偏置磁体提供的磁场强度随温度的变化做相应改变，以补偿旋磁铁氧体12的磁化状态，维持旋磁铁氧体12内部磁场稳定，在恒磁体13与轭铁15之间增加温度补偿片17的方式来实现温度补偿。根据温度补偿片17即铁镍合金在极端高低温度下的不同磁导率确定其磁性参数，利用Maxwell仿真设计平台建立闭合磁路完整模型，确定温度补偿片17的厚度与位置参数。

优选的，旋磁铁氧体12为三角形或圆形。阻抗匹配台16的台阶数至少为一，形状为三角形或圆形或“Y”字形。

在本实施例中，如图3，第一功分器201和第二功分器202的结构相同，包括：上腔体C10和下腔体C11。其中，上腔体C10和下腔体C11连接紧固，形成腔体C9。

在本实施例中，如图4，各负载3的结构相同，包括：负载吸收体18、负载上腔体D20和负载下腔体D21。其中，负载上腔体D20和负载下腔体D21连接紧固，形成腔体D19；负载吸收体18设置在腔体D19内，涂胶固定。

优选的，负载吸收体18形状为：楔形，其楔形面长度为波导波长的1/2的整数倍，增大了负载3安装面的面积，反射的微波信号功率被负载3吸收后转化为热能，增大负载3安装面面积，易于散热。负载吸收体18材料为：碳化硅。

在本实施例中，腔体A5外部设置有若干个加强筋，降低了器件本身的重量，同时增大了器件整体的力学稳定性。

综上所述，本发明公开了一种高可靠大功率的微波隔离器，N个环行结构、第一功分器、第二功分器和N个负载形成腔体A，可将输入连续波功率一分为N，单个环行结构只承受输入功率和反射功率的1/N，有效提高了微波隔离器的功率容量。若微波信号由P1端口输入，连续波功率被第一功分器一分为N，分别经过环行结构后，各路信号由第二功分器汇聚在一起，由P2端口输出。若微波信号由P2端口输入，连续波功率被第二功分器一分为N，分别经过环行结构后，环行至各自的负载被完全吸收，吸收的能量转化为热量通过负载底部的安装面耗散。可见，该高可靠大功率的微波隔离器有效提高微波传输链路的耐受功率，且器件结构紧凑、稳定可靠，具有优良的宽温域工作性能，能够经受冲击、振动等机械试验，解决了现有微波隔离器功率容量低的问题。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种高可靠大功率的微波隔离器，其特征在于，包括：N个环行结构(1)、第一功分器(201)、第二功分器(202)、N个负载(3)和支架(4)；其中，第一功分器(201)和第二功分器(202)均为一分N功分器，N≥2；

N个环行结构(1)、第一功分器(201)、第二功分器(202)和N个负载(3)连接紧固，形成腔体A(5)；

一个负载(3)对应连接一个环行结构(1)；

第一功分器(201)和第二功分器(202)通过支架(4)分别与N个负载(3)的安装面连接；

第一功分器(201)和第二功分器(202)分别与N个环行结构(1)连接。

2.根据权利要求1所述的高可靠大功率的微波隔离器，其特征在于，反射至各环行结构(1)的微波信号功率由对应的负载(3)吸收。

3.根据权利要求1所述的高可靠大功率的微波隔离器，其特征在于，各环行结构(1)的结构相同，包括：上腔体B(7)、下腔体B(8)、旋磁铁氧体(12)、恒磁体(13)、磁钢介质环(14)、轭铁(15)和温度补偿片(17)；

上腔体B(7)和下腔体B(8)连接，形成具有阻抗匹配台(16)的腔体B(6)；

旋磁铁氧体(12)固定在阻抗匹配台(16)上，与阻抗匹配台(16)的外接圆圆心重合；

恒磁体(13)固定在上腔体B(7)和下腔体B(8)外侧；其中，恒磁体(13)和旋磁铁氧体(12)同心；

磁钢介质环(14)设置在恒磁体(13)外围，与恒磁体(13)胶接固定；

轭铁(15)固定在上腔体B(7)和下腔体B(8)上；

温度补偿片(17)设置在恒磁体(13)和轭铁(15)之间，并涂胶固定。

4.根据权利要求3所述的高可靠大功率的微波隔离器，其特征在于，旋磁铁氧体(12)为三角形或圆形。

5.根据权利要求3所述的高可靠大功率的微波隔离器，其特征在于，阻抗匹配台(16)的台阶数至少为一，形状为三角形或圆形或“Y”字形。

6.根据权利要求1所述的高可靠大功率的微波隔离器，其特征在于，第一功分器(201)和第二功分器(202)的结构相同，包括：上腔体C(10)和下腔体C(11)；

上腔体C(10)和下腔体C(11)连接紧固，形成腔体C(9)。

7.根据权利要求1所述的高可靠大功率的微波隔离器，其特征在于，各负载(3)的结构相同，包括：负载吸收体(18)、负载上腔体D(20)和负载下腔体D(21)；

负载上腔体D(20)和负载下腔体D(21)连接紧固，形成腔体D(19)；

负载吸收体(18)设置在腔体D(19)内，涂胶固定。

8.根据权利要求7所述的高可靠大功率的微波隔离器，其特征在于，负载吸收体(18)形状为：楔形。

9.根据权利要求7所述的高可靠大功率的微波隔离器，其特征在于，负载吸收体(18)材料为：碳化硅。

10.根据权利要求1所述的高可靠大功率的微波隔离器，其特征在于，腔体A(5)外部设置有若干个加强筋，降低了器件本身的重量，同时增大了器件整体的力学稳定性。

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