CN114256574B - 一种高可靠波导环行隔离组件结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型高可靠波导环行隔离组件结构，包括接有负载的环行器，环行器包括2个相同结构的波导导行半腔体，波导导行半腔体包括壳体，匹配台，铁氧体基座，铁氧体和永磁体；壳体内侧设有Y形波导槽，2个Y型波导槽组成Y形波导腔；匹配台安装于壳体上且匹配台中心；Y形波导槽的中心设有焊接槽，匹配台中心设有安装孔，铁氧体基座第一端穿过安装孔，并与铁氧体焊接，铁氧体基座第二端固定于焊接槽中，永磁体设于壳体外侧。本发明通过金属焊接将铁氧体固定在波导腔体中，设计了新型分离式腔体高可靠性固定方法，具有高可靠、热传导效率高等特点，巧妙解决了连接强度低与导热能力差的问题，对提高环行器和隔离器的可靠性具有重要意义。

Description

一种高可靠波导环行隔离组件结构

技术领域

本发明涉及一种高可靠波导环行隔离组件结构，具体涉及一种铁氧体与金属台阶焊接方法，属于微波元器件技术领域。

背景技术

目前，现有波导环行器和隔离器中，为了保证铁氧体与金属腔体之间的位置连接固定，主要采用有机粘接剂粘接的方式进行。有机粘接剂对于温度的变化比较敏感，随着受热温度的升高，受热时间的延长，胶粘剂的剪切强度呈下降趋势。其一，当工作温度为120℃-150℃时，粘接剂发生不可逆劣化，粘接强度显著下降，导致铁氧体脱落。铁氧体为波导隔离器关键部件，铁氧体脱落会导致环行器和隔离器的性能发生不可逆失效。其二，有机粘剂热传导性能较差，当产品温度上升时，有机粘剂无法及时传导热量，将引起铁氧体的温度升高，导致铁氧体材料性能产生非线性效应，严重影响环行器和隔离器性能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种高可靠波导环行隔离组件结构，包括接有负载的环行器，环行器包括2个相同结构的波导导行半腔体，波导导行半腔体包括壳体，匹配台，铁氧体基座，铁氧体和永磁体；壳体内侧设有Y形波导槽，2个波导导行半腔体组合后，2个Y型波导槽组成Y形波导腔；匹配台安装于壳体上且匹配台中心与所述Y形波导槽的中心重合；Y形波导槽的中心设有焊接槽，匹配台中心设有安装孔，铁氧体基座第一端穿过所述安装孔，并与铁氧体焊接，铁氧体基座第二端固定于所述焊接槽中，永磁体设于壳体外侧。本发明通过金属焊接方式将铁氧体固定在波导腔体中，同时设计了分离式腔体高可靠性固定方法，具有高可靠、热传导效率高等特点，巧妙地解决了连接强度低与导热能力差的问题，对提高环行器和隔离器的可靠性具有重要意义。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种高可靠波导环行隔离组件结构，包括接有负载的环行器；

所述环行器包括2个相同结构的波导导行半腔体，波导导行半腔体包括壳体，匹配台，铁氧体基座，铁氧体和永磁体；

壳体内侧设有Y形波导槽，2个波导导行半腔体组合后，2个Y型波导槽组成Y形波导腔；

匹配台安装于壳体内侧且匹配台中心与所述Y形波导槽的中心重合；

Y形波导槽的中心设有焊接槽，匹配台中心设有安装孔；

铁氧体基座第一端穿过所述安装孔，并与铁氧体焊接，铁氧体基座第二端固定于所述焊接槽中；

永磁体设于壳体外侧。

进一步的，所述焊接槽为Y形；

所述铁氧体基座第一端为圆柱形，第二端为Y形。

进一步的，所述环行器还包括卡簧，焊接槽中还设有环形的卡簧槽，卡簧设于卡簧槽中，卡簧套于铁氧体基座第二端外壁，实现对铁氧体基座的卡紧固定。

进一步的，壳体外侧设有永磁体槽，永磁体设于所述永磁体槽中。

进一步的，所述铁氧体基座设有避空槽，用于实现焊接过程中的散热；所述铁氧体基座第一端的端面上设有焊锡槽，所述焊锡槽为环形槽；

所述避空槽设于铁氧体基座中心，为通孔；焊锡槽≥1个，焊锡槽与避空槽同轴。

进一步的，所述铁氧体一端的端面设有焙银层，铁氧体一端通过焙银层实现与铁氧体基座第一端的焊接；

所述焙银层的制备方法为，将银胶涂在铁氧体一端的端面，焙烤后得到。

进一步的，所述焙银层的厚度为8～10μm。

进一步的，所述铁氧体基座为可伐合金或钛合金；

所述铁氧体基座第一端与铁氧体利用铅焊料焊接。

进一步的，所述铁氧体基座所用材料为含镍合金时，对铁氧体基座第一端的端面采用金或银进行镀覆处理。

进一步的，所述Y形波导槽的截面为矩形；

所述匹配台为三层平板结构，每层平板均为Y型结构，以靠近壳体的平板为下层平板，其余两层平板分别为中层平板和上层平板，下层平板尺寸＞中层平板尺寸＞上层平板尺寸；

所述负载包括金属腔体和设于腔体内部的吸收体，所述吸收体为碳化硅。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明采用高可靠的金属化焊接技术取代有机粘接剂粘接工艺，实现了铁氧体的固定，使接触面热阻相对于缩醛烘干胶粘接减少50％，即热耗散效率提高了2倍，可有效降低隔离器温升，巧妙地解决了连接强度低与导热能力差的问题，对提高环行器和隔离器的可靠性具有重要意义；

(2)本发明采用高可靠的金属化焊接技术取代有机粘接剂粘接工艺，显著提高了波导导行腔体中，铁氧体与壳体之间的附着力，附着力从120N提高至370N，提高3倍以上；

(3)本发明在焊接位置设计了焊锡槽和避空槽，既能保证焊料均匀分布于焊接接触面，又能有效控制多余焊料的溢出，避免影响性能参数；

(4)本发明采用与铁氧体线膨胀系数匹配的合金材料，如：可伐合金(Kovar合金)、钛合金等，与铁氧体进行焊接，解决金属锡焊带来的铁氧体基片与壳体材料(铝合金材料)线胀系数差距导致的铁氧体基片破碎的问题；

(5)本发明设计了一种卡簧方式进行分离式波导腔体的机械式固定搭接，提高了铁氧体基座与壳体二者之间的搭配稳定性，实现无缝连接，对提高环行器和隔离器的可靠性具有重要意义。

附图说明

图1为本发明高可靠波导环行隔离组件结构的外形图；

图2为本发明环行器剖面结构示意图；

图3为本发明环行器内部结构示意图；

图4为本发明铁氧体基座示意图；其中图(a)为俯视图，图(b)为剖面图；

图5为本发铁氧体基座安装示意图；其中图(a)为铁氧体基座的整体安装示意图，图(b)为铁氧体基座与卡簧的配合示意图；

图6为本发明卡簧示意图，其中图(a)为卡簧正面图，图(b)为卡簧侧视图；

图7为接触热阻试验流程图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

环行隔离组件是利用铁氧体材料在外加偏置磁场诱导下产生的磁各向异性，使射频信号在各端口之间按一定方向环行单向传播的非互易性微波无源器件。引入隔离器能够实现微波各级各个匹配点相互隔离，保证单向传输，避免相互串扰，保证微波系统的正常工作。在射频微波领域，凡是大功率射频器件诸如通信卫星，地面雷达等，均需要隔离器和环行器，射频环行隔离组件在射频微波领域起着重要的作用。通过本发明可以显著降低铁氧体材料脱落与失效带来的一系列问题，提高环行隔离组件可靠性与使用寿命，对于提高通讯卫星、地面雷达等的可靠性具有重要意义。

如图1所示，本发明一种高可靠波导环行隔离组件结构，包括负载13和环行器，负载13的一端通过环行器的第二波导口14连接在环行器的输出端。

如图2、图3，环行器包括：2个相同结构的波导导行半腔体(波导导行上腔体和波导导行下腔体)；

波导导行半腔体包括：匹配台2、铁氧体基座4、铁氧体5、壳体9、卡簧6和永磁体；

壳体9外轮廓为长方体，内侧表面设有凹陷的Y形结，即Y形波导槽，波导导行上腔体的Y形结与波导导行下腔体的Y形结相对设置，形成三个波导口，其中包括两个第一波导口12和一个第二波导口14；

焊接槽1设于壳体9上，为Y型槽；

如图4，铁氧体基座4上半部分为圆柱结构，下半部分为Y型结构，圆柱结构中心加工有通孔，作为避空槽10；圆柱结构端面还加工有环行槽，作为焊锡槽11；

铁氧体5为圆柱形；铁氧体5的一端的端面设有焙银层7，铁氧体5利用焙银层7与铁氧体基座4的圆柱结构的端面焊接；

Y形结内设置匹配台2；匹配台2包括三层台阶，外围台阶最低，内层台阶最高，此处以靠近壳体9的方向为低；匹配台2的中心设置圆柱通孔，能够放入铁氧体基座4；

壳体9的外侧设置一个圆柱形通孔，作为永磁体槽8；

如图5和图6，铁氧体基座4的Y型结构通过卡簧6卡在焊接槽1中，实现铁氧体基座4和壳体9的无缝装配，圆柱结构位于匹配台2中心所设通孔内，卡簧6放置卡簧槽3内，靠近永磁体槽8，铁氧体基座4的Y型结构外壁与永磁体槽8的内壁通过卡簧6配合连接。

优选的，波导导行上腔体和波导导行下腔体相对设置，并用螺钉连接。

优选的，焊锡槽11为环行槽；

优选的，避空槽10与焊锡槽11同轴，避空槽10为圆柱通孔；

优选的，焙银层7形成的过程为：将银胶涂在铁氧体5的一端的端面，焙烤后，得到焙银层7。

优选的，Y形结(Y形波导槽)，包括：三段矩形凹槽；三段矩形凹槽的一端交于一点；三段矩形凹槽中，每相邻两个凹槽的中心轴线之间呈120°角。

优选的，匹配台2为Y型结构，每个分支具有三层台阶状平板，台阶高度从外至内依次递增，高度由微波参数决定；具体的说，以靠近壳体9的方向为低，每层平板均呈Y形，且每层中心同轴；下层的Y形平板的三个方向的长度大于中层的Y形平板的三个方向的长度，中层的Y形平板的三个方向的长度大于上层的Y形平板的三个方向的长度；下层的Y形平板的三个方向的伸出端与凹陷的Y形结底部，形成外围台阶，下层与中层的Y形平板的三个方向的伸出端长度差，形成中间层台阶，中层与上层的Y形平板的三个方向的伸出端长度差，形成内层台阶。

优选的，三层Y形的平板与凹陷的Y形结形状匹配，均嵌在凹陷的Y形结内。

优选的，匹配台2的中心所设圆柱通孔贯穿三层台阶。

优选的，负载13为中空长方体，中空部分设置吸收体。

优选的，负载13包括：一端开口的腔体和盖板；一端开口的腔体内放置吸收体，盖板与腔体的开口端螺钉配合。

优选的，吸收体为碳化硅。

优选的，负载13中的腔体为金属，优选为铝。

优选的，负载13通过螺钉与第二波导口14相连。环行隔离组件工作时，电磁波由第一波导口12中的一个波导口进入，从第一波导口12中的另一个波导口正向导出；当电磁波从第二波导口14反方向进入时，电磁波会被反向导入第二波导口14，从而进入负载13，进而被负载13所吸收。

铁氧体5材料的线胀系数为8.5～9.5×10^-6/K，金属铝的线胀系数为2.3×10^-5/K，如果直接将铁氧体5焊接在壳体9上，热量传递引起的形变量差异很大，容易导致铁氧体5材料破裂。为了解决金属锡焊带来的铁氧体5与壳体9材料(铝合金材料)线胀系数差距导致的铁氧体5材料破碎的问题，本发明采用与铁氧体5线膨胀系数匹配的合金材料(如：可伐合金(Kovar合金)、钛合金等，以下简称焊接匹配材料、匹配材料)与铁氧体5进行焊接，即将壳体9焊接位置的铝合金材料替换为焊接匹配材料，室温下，不同牌号的Kovar合金的线膨胀系数范围为7.1～10×10^-6/K，钛合金的线膨胀系数范围为8.3～10.5×10^-6/K与环行器和隔离器所使用的镍系铁氧体5接近，可以避免焊接过程中热量带来的铁氧体5破碎。如图3-图5所示，焊接匹配材料与壳体9为分离式结构，不仅避免了壳体9尺寸太大而影响焊接的精度，而且显著地降低了焊接定位工装和加固工装设计的复杂程度，且有效避免焊接过程对壳体9镀层造成的损伤。本发明铁氧体基座4可作为环行器Y形结的一部分，使壳体9谐振频率满足工作频段。根据铁氧体5材料的磁性能参数以及温度形变特性选用合适的焊接匹配材料，用于补偿铁氧体5内部的剩磁场，使引入的焊接匹配材料既统一于电磁场整体设计，又融合在整体的偏置磁路设计之中。

铁氧体5为非金属材料，因此必须对铁氧体5进行镀覆处理，才能使得铁氧体5材料与焊接匹配材料焊接。根据焊接材料的锡可焊性确定铁氧体基座4所采用的焊接匹配材料是否需要镀覆处理，如果采用含镍材料则需要镀覆处理，即对铁氧体基座4第一端进行镀覆处理，镀层材料一般使用金属银，铁氧体基座4为其他材料时不需要镀覆处理。镀层金属与镀件金属(即铁氧体基座4)的电磁参数不同，如果镀层金属的厚度较薄使得电磁波能够穿透镀层金属到达镀层与镀件界面就会引起界面散射从而影响微波参数，因此需要调整镀层金属厚度来避免电磁波进入铁氧体基座4。

为了防止匹配焊接材料影响环行器和隔离器的微波通路，铁氧体基座4与壳体9采用分体设计。如图3-图6所示，首先采用回流焊的方式将铁氧体5与铁氧体基座4的圆柱形端面固定，然后将该组合件通过卡簧6与壳体9紧密配合。

如图4所示，针对焊接工艺带来的焊料过多破坏壳体9清洁度或焊料过少产生的气体孔洞影响焊接强度问题，本发明提出在铁氧体基座4焊接面处设置了焊锡槽11与避空槽10，结合回流焊工艺参数设置，既能保证焊料均匀分布于焊接接触面，又能有效控制多余焊料的溢出，避免影响性能参数。

本发明根据铁氧体材料的磁性能参数以及温度、形变特性选用合适的焊接匹配材料，用于补偿铁氧体5内部的剩磁场，使引入的焊接匹配材料既统一于电磁场整体设计，又融合在整体的偏置磁路设计之中。使得所有部件能够满足电磁匹配，实现微波性能。

实施例1：

本发明利用金属焊接的方式将铁氧体5与铁氧体基座4进行焊接，再将铁氧体基座4中的Y型结构放置焊接槽1内，利用卡簧6放置卡簧槽3内进行铁氧体基座4的固定，同时为了兼顾焊接的牢固程度和腔体9清洁度，设计了避空槽10。

铁氧体5材料与铁氧体基座4焊接接触面应平整、均匀，不能出现缝隙或者零件翘起，否则会导致环行隔离组件微波参数劣化。由于多余的焊料会影响电磁波正常传输，因此整个隔离器需要严控多余焊料。

如图2，4所示，铁氧体5为圆柱体形状，焊接面有焙银层7，为了保证电磁性能，铁氧体5需要几何匹配同时表面无明显磕碰划伤。同时铁氧体5具备必要的旋磁特性。

当铁氧体基座4材料为含镍材料时，铁氧体基座4表面需要镀覆金属，本实施例选择金属银；当铁氧体基座4材料为其他金属材料时，不需要镀覆金属，可以直接焊接，本实施例中选择钛合金作为铁氧体基座4材料。

对比例1：

本对比例中，采用有机粘接剂粘接工艺实现铁氧体与壳体9的结合，本实施例中的有机粘接剂为缩醛烘干胶。

搭建接触热阻试验平台，如图7所示，测试直接接触、焊接与粘接三种不同方式的界面换热系数，通过计算得到实测数据如表1所示：

表1不同方式的接触热阻对比

接触热阻测试结果表明，铁氧体5与壳体9间采用锡铅焊料焊接，接触面热阻相对于缩醛烘干胶粘接减少50％，即热耗散效率提高了2倍，同时焊接方案的界面换热系数相对于胶接方案的界面换热系数也有了明显提升，可有效降低隔离器温升。通过推力计测量，对比例1中传统的粘接方式能够承受的力在120N左右，而实施例1采用本发明的环行隔离组件能够承受的力可以达到370N以上，即本发明显著提高了铁氧体5与壳体9的附着力。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种高可靠波导环行隔离组件结构，其特征在于，包括接有负载(13)的环行器；

所述环行器包括2个相同结构的波导导行半腔体，波导导行半腔体包括壳体(9)，匹配台(2)，铁氧体基座(4)，铁氧体(5)和永磁体；

壳体(9)内侧设有Y形波导槽，2个波导导行半腔体组合后，2个Y型波导槽组成Y形波导腔；

匹配台(2)安装于壳体(9)上且匹配台(2)中心与所述Y形波导槽的中心重合；

Y形波导槽的中心设有焊接槽(1)，匹配台(2)中心设有安装孔；

铁氧体基座(4)第一端穿过所述安装孔，并与铁氧体(5)焊接，铁氧体基座(4)第二端固定于所述焊接槽(1)中；

永磁体设于壳体(9)外侧；

所述铁氧体基座(4)第一端为圆柱形，第二端为Y形；

所述环行器还包括卡簧(6)，焊接槽(1)中还设有环形的卡簧槽(3)，卡簧(6)设于卡簧槽(3)中，卡簧(6)套于铁氧体基座(4)第二端外壁，实现对铁氧体基座(4)的卡紧固定；

壳体(9)外侧设有永磁体槽(8)，永磁体设于所述永磁体槽(8)中；

所述铁氧体基座(4)的第一端设有避空槽(10)，用于实现焊接过程中的散热；所述铁氧体基座(4)第一端的端面上设有焊锡槽(11)，所述焊锡槽(11)为环形槽；

所述避空槽(10)设于铁氧体基座(4)中心，为通孔。

2.根据权利要求1所述的一种高可靠波导环行隔离组件结构，其特征在于，所述焊接槽(1)为Y形。

3.根据权利要求1所述的一种高可靠波导环行隔离组件结构，其特征在于，焊锡槽(11)≥1个，焊锡槽(11)与避空槽(10)同轴。

4.根据权利要求1所述的一种高可靠波导环行隔离组件结构，其特征在于，所述铁氧体(5)一端的端面设有焙银层(7)，铁氧体(5)一端通过焙银层(7)实现与铁氧体基座(4)第一端的焊接；

所述焙银层(7)的制备方法为，将银胶涂在铁氧体(5)一端的端面，焙烤后得到。

5.根据权利要求4所述的一种高可靠波导环行隔离组件结构，其特征在于，所述焙银层(7)的厚度为8～10μm。

6.根据权利要求1所述的一种高可靠波导环行隔离组件结构，其特征在于，所述铁氧体基座(4)为可伐合金或钛合金；

所述铁氧体基座(4)第一端与铁氧体(5)利用铅焊料焊接。

7.根据权利要求6所述的一种高可靠波导环行隔离组件结构，其特征在于，所述铁氧体基座(4)所用材料为含镍合金时，对铁氧体基座(4)第一端的端面采用金或银进行镀覆处理。

8.根据权利要求1所述的一种高可靠波导环行隔离组件结构，其特征在于，所述Y形波导槽的截面为矩形；

所述匹配台(2)为三层平板结构，每层平板均为Y型结构，以靠近壳体(9)的平板为下层平板，其余两层平板分别为中层平板和上层平板，下层平板尺寸＞中层平板尺寸＞上层平板尺寸；

所述负载(13)包括金属腔体和设于腔体内部的吸收体，所述吸收体为碳化硅。