CN114566777A - 非互易信号路由的人工spp电磁器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种小型化的多频非互易信号路由的人工SPP电磁器件，可以是人工SPP隔离器或环形器，主要由介质基板、人工SPP波导、人工LSP谐振器和铁氧体构成。通过外加合适场强大小的磁场，可以让人工SPP波导在工作频带内实现单向传输。人工LSP谐振器的引入不但有效地提高了隔离能力，而且可以通过改变外加磁场场强大小实现动态调控工作频带的功能。本发明有望在未来的无线通信领域拥有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及人工SPP器件领域，尤其是非互异性的隔离器和环形器。
背景技术
人工SPP微波器件具有小型化，场束缚力强和低串扰等特点。隔离器和环行器是在光子和微波电路中实现非互易信号路由的基本电磁器件，广泛应用于雷达、通信和探测系统中。近年来，人们希望将两者结合以设计出性能良好的SPP隔离器和环形器以满足未来无线通信系统的要求。但是，这些人工SPP隔离器和环行器通常由多层电介质基板、人工SPP波导和具有高体积的铁氧体板组成。而且，这些器件大部分只有一个工作频带。如何降低人工SPP隔离器和环形器的体积和拓宽它们的工作频带成为了这个领域的一个重要问题。
发明内容
技术问题：为克服现有技术的不足，本发明提供一种多频非互易信号路由的人工SPP电磁器件，所述电磁器件是人工SPP隔离器或环形器。人工LSP谐振器放在人工SPP波导有锯齿的一边，其圆心与人工SPP波导凹槽的中心在y方向对齐。铁氧体覆盖在人工LSP谐振器的上方，其圆心和人工LSP谐振器的圆心在z方向对齐。在外加了场强大小合适的磁场之后，人工SPP隔离器和环形器上的信号可以实现单向传输。通过改变外加磁场的场强大小，人工SPP隔离器可以在三个工作频段内展现出隔离器的效果；人工SPP环形器可以在两个工作频段内展现出两种不同传输方向的环形器的效果。
技术方案：本发明提供的多频人工SPP隔离器和环形器，在外加了合适场强大小的场强以后人工SPP隔离器和环形器上的信号可以实现单向传输。通过改变外加磁场的场强大小，人工SPP隔离器可以在三个工作频段内展现出隔离器的效果；人工SPP环形器可以在两个工作频段内展现出两种不同传输方向的环形器的效果。
人工SPP隔离器和环形器包括介质基板、位于介质基板上表面的人工SPP传输线和人工LSP谐振器，位于介质基板下表面的一层铜片和覆盖在人工LSP谐振器上方的铁氧体。人工SPP传输线是由周期性单元结构组成的，所述单元结构为单边锯齿状金属结构。人工LSP谐振器的结构是螺旋状的金属圆盘。人工LSP谐振器放在人工SPP波导有锯齿的一边，其圆心与人工SPP波导凹槽的中心在y方向对齐。覆盖在人工LSP谐振器上的铁氧体的结构是半径和人工LSP谐振器半径差不多大小的圆柱体，材料是G-610。铁氧体的圆心和人工LSP谐振器的圆心在z方向对齐。
外加磁场覆盖整个人工SPP隔离器或者环形器。在场强大小合适的情况下，人工SPP隔离器和环形器上的信号可以实现单向传输。具体表现为输入端口的能量会沿着特定的方向从输出端口输出。
通过改变外加磁场的场强大小，人工SPP隔离器可以在三个工作频段内展现出隔离器的效果；人工SPP环形器可以在两个工作频段内展现出两种不同传输方向的环形器的效果。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优势：
1.本发明利用了人工LSP谐振器深亚波长的特性，实现了器件小型化。
2.本发明引入了人工LSP谐振器大大提升了隔离器和环形器的隔离能力。
3.本发明可以通过改变外加磁场的场强大小，动态调控器件的工作频带。
附图说明
图1是人工SPP隔离器的结构示意图。
图2(a1)-(a5)是铁氧体高度是1mm时，人工SPP隔离器的仿真S参数和电场分布。
图2(b1)-(b5)是铁氧体高度是1.9mm时，人工SPP隔离器的仿真S参数和电场分布。
图2(c1)-(c5)是铁氧体高度是2.8mm时，人工SPP隔离器的仿真S参数和电场分布。
图3(a)是外加磁场场强是2600oe时，人工SPP隔离器的实验S参数。
图3(b)是外加磁场场强是2700oe时，人工SPP隔离器的实验S参数。
图3(c)是外加磁场场强是2800oe时，人工SPP隔离器的实验S参数。
图4是人工SPP环形器的结构示意图。
图5(a1)-(a3)是端口1激励时，人工SPP环形器的仿真S参数和电场分布。
图5(b1)-(b3)是端口2激励时，人工SPP环形器的仿真S参数和电场分布。
图5(c1)-(c3)是端口3激励时，人工SPP环形器的仿真S参数和电场分布。
图5(d1)-(d3)是端口4激励时，人工SPP环形器的仿真S参数和电场分布。
图6(a1)-(a4)是在5.5-5.9GHZ的工作频带内，人工SPP环形器的实验S参数。
图6(b1)-(b4)是在6.5-6.7GHZ的工作频带内，人工SPP环形器的实验S参数。
具体实施方式
现结合附图和实施例进一步阐述本发明的技术方案。
本发明的人工SPP隔离器和环形器包括介质基板、位于介质基板上表面的人工SPP传输线和人工LSP谐振器，位于介质基板下表面的一层铜片和覆盖在人工LSP谐振器上方的铁氧体。
介质基板的节点常数是6.15，正切损耗是0.0015。人工SPP隔离器的长度是60mm，宽度是17mm，厚度是1.72mm。人工SPP环形器的长度是74mm，宽度是39mm，厚度是1.72mm。介质板上表面的人工SPP传输线是由周期性单元结构组成的，所述单元结构为单边锯齿状金属结构。单元结构的几何参数是i＝1.13mm,j＝2.34mm,k＝2.43mm,p＝4.3mm。人工LSP谐振器的结构是螺旋状的金属圆盘，其几何参数是r1＝2.8mm,r2＝0.28mm,θ＝60°。人工LSP谐振器放在人工SPP波导有锯齿的一边，其圆心与人工SPP波导凹槽的中心在y方向对齐，距离是4.94mm。覆盖在人工LSP谐振器上的铁氧体的材料是G-610，其介电常数是15，正切损耗是0.0002，饱和磁化强度是1780Gauss，线宽是45oe。铁氧体的结构是半径和人工LSP谐振器半径差不多大小的圆柱体，其几何参数是r＝2.84mm，h＝1.9mm。铁氧体的圆心和人工LSP谐振器的圆心在z方向对齐。
外加磁场覆盖整个人工SPP隔离器或者环形器。在场强大小合适的情况下，人工SPP隔离器和环形器上的信号可以实现单向传输。具体表现为输入端口的能量会沿着特定的方向从输出端口输出。
通过改变外加磁场的场强大小，人工SPP隔离器可以在三个工作频段内展现出隔离器的效果；人工SPP环形器可以在两个工作频段内展现出两种不同传输方向的环形器的效果。
图1展示的是人工SPP隔离器的结构，图2展示了人工SPP隔离器的仿真结果，三个子图展示了铁氧体的高度对人工SPP隔离器性能的影响，结果表示铁氧体的高度是1.9mm时，隔离器的仿真效果最佳，隔离性能至少可以达到-27dB。图3展示了人工SPP隔离器的实验结果，在不同的外加磁场的场强下，隔离器可以在5.8-6.4GHz，6-6.8GHz和6.4-7GHz这三个频带展现出良好的效果：传输皆在-3dB左右，隔离效果均小于-10dB。
图4展示的是人工SPP环形器的结构，图5展示了人工SPP环形器的仿真结果，各个端口的传输皆在-2dB左右，隔离效果皆在-15dB左右。图6展示了人工SPP环形器的实验结果，在不同的外加磁场的场强下，环形器可以在5.6-5.8GHz和6.5-6.7GHz这两个频带展现出不同传输方向的单向传输效果，隔离效果均小于-10dB。
本发明的人工SPP隔离器和环形器主要区别在于：人工SPP隔离器用到了一条人工SPP传输线，是两端口器件，而人工SPP环形器用到了两条人工SPP传输线，是四端口器件；通过改变外加磁场的场强大小，人工SPP隔离器拥有三个工作频带，而人工SPP环形器只有两个工作频带。
Claims (10)
1.一种非互易信号路由的人工SPP电磁器件，其特征在于，包括介质基板、位于介质基板上表面的人工SPP传输线和人工LSP谐振器，位于介质基板下表面的一层铜片和覆盖在人工LSP谐振器上方的铁氧体。
2.根据权利要求1所述的非互易信号路由的人工SPP电磁器件，其特征在于，所述介质基板的节点常数是6.15，正切损耗是0.0015。
3.根据权利要求1所述的非互易信号路由的人工SPP电磁器件，其特征在于，所述人工SPP传输线是由周期性单元结构组成的，所述单元结构为单边锯齿状金属结构。
4.根据权利要求1所述的非互易信号路由的人工SPP电磁器件，其特征在于，所述人工LSP谐振器的结构是螺旋状的金属圆盘。
5.根据权利要求1所述的非互易信号路由的人工SPP电磁器件，其特征在于，所述人工LSP谐振器放在人工SPP波导有锯齿的一边，其圆心与人工SPP波导凹槽的中心在y方向对齐。
6.根据权利要求1所述的非互易信号路由的人工SPP电磁器件，其特征在于，覆盖在人工LSP谐振器上的铁氧体的结构是半径和人工LSP谐振器半径相等的圆柱体。
7.根据权利要求6所述的非互易信号路由的人工SPP电磁器件，其特征在于，所述铁氧体的材料是G-610，其介电常数是15，正切损耗是0.0002，饱和磁化强度是1780Gauss，线宽是45oe。
8.根据权利要求6所述的非互易信号路由的人工SPP电磁器件，其特征在于，所述铁氧体的圆心和人工LSP谐振器的圆心在z方向对齐。
9.根据权利要求1所述的非互易信号路由的人工SPP电磁器件，其特征在于，所述电磁器件外加磁场，能够覆盖整个所述电磁器件；在场强大小合适的情况下，所述电磁器件上的信号可实现单向传输，具体表现为输入端口的能量会沿着特定的方向从输出端口输出。
10.根据权利要求1-9任一所述的非互易信号路由的人工SPP电磁器件，其特征在于，所述电磁器件为人工SPP隔离器和环形器；通过改变外加磁场的场强大小，人工SPP隔离器可在三个工作频段内展现出隔离器的效果；人工SPP环形器可在两个工作频段内展现出两种不同传输方向的环形器的效果。
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