CN115295994B - 一种基于人工表面等离激元的双波段隔离器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于人工表面等离激元的双波段隔离器，属于微波器领域。该结构包括两片金属板、铁氧体圆片阵和人工表面等离激元波导。在施加不同方向磁场的作用下，铁氧体圆片的表面可存在两种传播方向相反的非互易电磁波模式。利用“人工表面等离激元”与“非互易电磁模式”之间的耦合效应，实现了一种新型的等离激元双波段隔离器。该结构能够在不同的频段范围内，实现电磁能量的非互易传输与定向隔离，在双波段电磁隔离器及电磁信号的单向传输应用上具有明显的优势，为设计具有工作频率可切换、信号传输方向可切换、小型化、重量轻、易于平面集成、双波段定向传输与隔离特点的非互易器件提供了一种新的设计方案。
Description
技术领域
本发明涉及微波器件技术领域，尤其涉及一种基于人工表面等离激元的双波段隔离器。
背景技术
隔离器作为一种非互易单向传输电磁器件，它能够实现电磁波从一个端口到另一个端口的单向传输且损耗很小；而反向传输时电磁能量被隔离。隔离器是现代微波和无线通信系统等电子设备中不可缺少的重要组成部分，最常应用于电磁信号源与负载之间，以保护信号源、避免传输通道间电磁信号的干扰和实现电磁信号的定向传输。近年来，随着微波通信技术的发展，对隔离器的性能指标等方面提出了更高的要求。
目前，国内外研究人员主要采用特定的导波结构与磁性介质相结合来研制电磁隔离器。在微波段，常见的有微带隔离器、波导隔离器。对于波导隔离器通常用加载铁氧体材料的矩形波导来构成，虽然该隔离器具有较高的功率容量和低损耗的特点，但一般结构复杂、造价昂贵，在微波通信应用中不能满足平面微波电路集成化的要求。微带隔离器是一种平面结构的电磁器件，容易与平面微波电路集成，但高频段的微带器件存在较大的电磁辐射损耗，使得微带隔离器的损耗较大；最近，基片集成波导隔离器的设计已经被提出，基片集成波导隔离器兼容了微带隔离器与波导隔离器等诸多优点，但其在结构设计上较为复杂，不易散热，且工作频率较为单一，只能实现单一频段范围内的传输与隔离特性。除此之外，低温宽带隔离器的设计也引起了人们的关注，这种宽带的设计要求对其工作环境十分苛刻，且在低成本，易于实现和散热等设计方面还有待于进一步的改进和提升。因此设计结构简单，小型化，易散热，低损耗，高隔离，低成本和具有平面集成能力的单向传输隔离器件更值得人们的思考和研究。此外，随着智能化的迅猛发展，智能通信面临极大的应用需求，如何在一个隔离器上实现不同工作频率切换、信号传输方向切换也是非常值得研究的问题。
通过以上的技术分析可以看出：不同类型电磁隔离器具有不同的优缺点，但智能化是电磁隔离器的发展趋势。如何设计出工作频率可切换、传输方向可切换且结构简单、损耗低、隔离度高、易集成的电磁隔离器具有重要意义。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于人工表面等离激元的双波段隔离器，其具有工作频率可切换、信号传输方向可切换、结构简单、小型化、易散热、低损耗、易平面集成等特点，用以解决电磁信号在双波段定向隔离且器件设计结构复杂等问题。
为解决背景技术所存在的问题，本发明采用如下设计方案：一种基于人工表面等离激元的双波段隔离器，包括包括第一金属板、SSPPs波导和第二金属板，所述SSPPs波导包括共面波导、对称设置在共面波导上的第一铁氧体圆片阵与第二铁氧体圆片阵，所述第一铁氧体圆片阵和第二铁氧体圆片阵均分别由三个铁氧体圆片间隔一定距离呈直线排列组成，且嵌入SSPPs波导中，所述SSPPs波导设置在所述第一金属板与所述第二金属板中间。
所述第一铁氧体圆片阵、所述第二铁氧体圆片阵的厚度相等且大于共面波导的厚度。
所述第一铁氧体圆片阵与所述第二铁氧体圆片阵的顶部与所述第一金属板底部抵接，所述第一铁氧体圆片阵与所述第二铁氧体圆片阵的底部与所述第二金属板顶部抵接。
所述SSPPs波导还包括固设在共面波导上的F4B介质基板，所述共面波导上刻蚀有两排周期性圆孔，所述F4B介质基板顶端两侧均印制有金属地，所述F4B介质基板顶端还印制有中心金属条带，该中心金属条带处于两块金属地中间，该金属条带上开设有六个圆孔，该圆孔用于嵌入铁氧体圆片。
每个铁氧体圆片的中心轴线与金属条带上对应的圆孔的中心轴线重合。
所述铁氧体圆片的材料为钇铁石榴石型(YIG)材料。
每个铁氧体圆片的半径相等且均小于金属条带上每个圆孔的半径。
本发明方案突出的特点和明显的优势主要体现在：
1.结构设计新颖，金属板、铁氧体和SSPPs波导之间形成牢固的稳定结构，确保等离激元双波段隔离器件具有结构简单、易于平面集成、小型化、重量轻、易散热、可靠的机械和电磁性能等特点。
2.本发明提供了一种具有双波段定向隔离、工作频率可切换、信号传输方向可切换、传输效率高、隔离度高等优点的新型电磁隔离器。
3.采用现有的PCB工艺技术，加工方便，成本低廉；在微波通信系统中，实现了电磁信号的非互易传输与定向隔离特性，在保护信号源、调控信号的定向传输等方面有着极大的应用前景。
附图说明
图1为一个实施例中双波段隔离器的结构示意图；
图2为一个实施例中双波段隔离器的内部结构(俯视图)；
图3为一个实施例中双波段隔离器的金属板和铁氧体圆片的结构尺寸示意图；
图4为一个实施例中电磁波分别从端口1和端口2入射时的S参量曲线图；
图5为一个实施例中在频率为25.13GHz处，电磁能量从端口port1入射时的电场分布图；
图6为一个实施例中在频率为25.13GHz处，电磁能量从端口port2入射时的电场分布图；
图7为一个实施例中在频率为26.56GHz处，电磁能量从端口port1入射时的电场分布图；
图8为一个实施例中在频率为26.56GHz处，电磁能量从端口port2入射时的电场分布图。
上述附图中：1-第一金属板；2-SSPPs波导；3-第一铁氧体圆片阵(图1中后排，图2中上排)；4-第二铁氧体圆片阵(图1中前排，图2中下排)；5-第二金属板。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
如图1所示，一种基于人工表面等离激元的双波段隔离器，包括第一金属板(1)、SSPPs波导2和第二金属板5，所述SSPPs波导2包括共面波导、对称设置在共面波导上的第一铁氧体圆片阵3与第二铁氧体圆片阵4，所述第一铁氧体圆片阵3和第二铁氧体圆片阵4均分别由三个铁氧体圆片间隔一定距离呈直线排列组成，且嵌入SSPPs波导2中，所述SSPPs波导2设置在所述第一金属板1与所述第二金属板5中间，所述第一铁氧体圆片阵3与所述第二铁氧体圆片阵4的顶部与所述第一金属板1底部抵接，所述第一铁氧体圆片阵3与所述第二铁氧体圆片阵4的底部与所述第二金属板5顶部抵接。
SSPPs波导2采用PCB印刷技术，将带圆孔的金属铜条带印刷在F4B基板上，加工工艺方便、制作简单，该SSPPs波导2具有宽频带和高效率传输的特点，同时极薄的介质基板和铁氧体圆片，提高了等离激元双波段隔离器的集成性。
图2左图为图1的俯视透视图(除去最上层金属板)，示出了铁氧体圆片结构、偏置磁场的方向和SSPPs波导2的结构金属板，对两排铁氧体圆片阵施加不同方向的磁场，对应图1中的第一铁氧体圆片阵3施加正向(从上指向下)磁场，对应图1中的第二铁氧体圆片阵4施加反向(从下指向上)磁场；图2右图为第一金属板1、第二金属板5、SSPPs波导2上的圆孔和铁氧体圆片的结构尺寸和示意图；铁氧体圆片可以利用材料加工和激光切割等技术制作而成。
当外加偏置磁场作用于铁氧体圆片上时，在两种不同的频段范围内其表面可支持方向相反的非互易表面波模式；当外加磁场的方向改变时，铁氧体圆片上可支持的非互易表面波模式具有相反的传输方向。
铁氧体材料为钇铁石榴石(YIG)，其饱和磁化强度为1850Gs，谐振线宽为15Oe，相对介电常数为15；通过在铁氧体上施加恒定的磁场H＝2000Oe，利用其非互易表面波模式及其与SSPPs波导的耦合效应，来实现电磁波从不同端口入射时的单向传输与隔离；所述SSPPs波导2还包括固设在共面波导上的F4B介质基板，所述共面波导上刻蚀有两排周期性圆孔，所述F4B介质基板顶端两侧均印制有金属地，所述F4B介质基板顶端还印制有中心金属条带，该中心金属条带处于两块金属地中间，该金属条带上开设有六个圆孔，该圆孔用于嵌入铁氧体圆片，SSPPs波导由厚度为0.035mm的金属条带和厚度为0.3mm的介质基板F4B构成；F4B基板的相对介电常数为2.65，正切损耗为0.001；隔离器的内部结构、金属板与铁氧体圆片的结构尺寸如图2所示，所述第一铁氧体圆片阵3、所述第二铁氧体圆片阵4的厚度相等且大于共面波导的厚度，铁氧体圆片之间相距d＝3.9mm，W1＝4.2mm，其厚度为0.5mm，金属条带的尺寸W2＝1mm，W3＝9.2mm，W4＝7mm，每个铁氧体圆片的半径相等且均小于金属条带上每个圆孔的半径，铁氧体圆片与圆孔的半径分别r1＝0.9mm和r2＝1.3mm，每个铁氧体圆片的中心轴线与金属条带上对应的圆孔的中心轴线重合。
将六个相同的铁氧体圆片对称地放置在SSPPs波导2的两侧，对每一侧的铁氧体圆片施加不同方向的磁场，用以提供耦合电磁能量的非互易电磁模式——两侧电磁模式的旋向相反；每一侧的三个铁氧体圆片以一定的间距排列在一起，以加强电磁能量的耦合、减小电磁能量的传输损耗和提高隔离；地平面(金属铜)放置在铁氧体圆片上以增强传输通道的稳健性。
在共面波导的中心金属条带上刻蚀两排共6个圆形孔以支撑SSPPs波导2传播，该设计不需要做模式转化结构，具有宽带，高效和小型化等特点。每个圆孔的中心与每个铁氧体圆片的中心对齐，圆孔的半径稍大于铁氧体圆片的半径。当外加偏置磁场沿正、反方向分别作用于两侧的铁氧体圆片阵上时，在两个不同的频段范围内，两侧铁氧体圆片阵上具有两种不同旋向的非互易电磁模式；当电磁能量从双波段隔离器的左(右)侧端口输入时，基于SSPPs模式与非互易表面模式之间的耦合效应，在不同的频段范围内，能够实现电磁能量单向传输与隔离特征。
为了直观的说明电磁能量的传输性能，我们用商业软件CST微波工作室数值模拟了所提出隔离器的S参数曲线和电磁信号沿不同端口输入时Ez的场强分布，图3至图7所示更加清晰的展示其工作原理，其中箭头表示电磁能量输入和输出时的方向；SSPPs波导的两个终端构成两个端口port1和port2，非互易表面波模式的传播方向随外加磁场的方向变化而改变，当电磁波分别从port1和port2输入时，其传播情况分别展示在图4至图7中。
图3显示了电磁波分别从port1和port2输入时S参量曲线的变化情况，从图中可以看出25.13GHz和26.56GHz两个频率范围内，具有超高的隔离比和相反的传输特性。在25.13GHz处，回波损耗大于10dB，隔离度大于35dB，插入损耗小于1dB；在26.56GHz处，插入损耗小于0.5dB，而回波损耗大于20dB，隔离度大于25dB，这表明双波段等离激元隔离器具有低插损、高效率传输和隔离的优异性能。
图4至图5为在25.13GHz处，Ez的场强分布；当电磁能量从port1输入时，波导中传输的SSPPs模式能够与铁氧体圆片上的表面模式(上排为顺时针旋转，下排为逆时针旋转)发生耦合，故SSPPs波导2上的绝大部分电磁能量都耦合在铁氧体圆片上，因此从port1输入的电磁信号，几乎不能够传输至port2，也就是说port2处于隔离状态，如图4所示；然而，当电磁信号从port 2输入时，由于反向传输的SSPPs模式的波矢与铁氧体圆片上所支持的波矢方向相反，两种模式不能发生耦合，故从port2输入的电磁信号沿SSPPs波导传输至port1输出，如图5所示；同理，图6至图7为在26.56GHz处，Ez的场强分布；当电磁波从port1输入时，此时的SSPPs模式的波矢与铁氧体圆片上所支持的波矢反向，两种模式不能发生耦合，故电磁信号沿SSPPs波导2传输至port2输出，如图6所示；然而，从port2输入的电磁波，能够与铁氧体圆片上的表面模式(上排为逆时针旋转，下排为顺时针旋转)发生耦合，导致绝大部分电磁能量耦合在铁氧体圆片上，因此从port2输入的电磁信号，不能传输至port1，使port1处于隔离状态，如图7所示。
从场的分布情况来看，在两个不同的频段范围内，电磁波具有不同的非互易传输特性；较低频段(在25.13GHz处附近)只能实现从port2到port1的传输，而从port1到port2处于隔离状态；而较高频段(在26.56GHz处附近)只能实现从port1到port2的传输；而从port2到port1处于隔离状态；可见，所提出的结构实现了双波段非互易传输与定向隔离的特性；当切换两排铁氧体圆片所施加的偏置磁场的方向时，电磁波的非互易传输与定向隔离特性正好与上述情况相反。
本发明提出的等离激元双波段隔离器，利用带有圆孔结构的金属条带和F4B介质基板，来实现传输SSPPs波导2，该SSPPs波导2具有超薄、基于集成，传输效率高和宽带等特点，不需要模式转化结构来实现了小型化的特性；SSPPs波导2具有亚波长尺寸，能够把场强很好的束缚在介质的表面而实现高效传输，其优异性能在毫米波、太赫兹波段有着重要的应用；这种平面化的导波结构，有利于设计小型化的电磁器件，在很大程度上缩减了器件的尺寸；利用铁氧体圆片的非互易特性，来调控电磁波的非互易传输。由于两排铁氧体圆片结构在两个不同频段可支持不同方向的非互易表面波模式，可使电磁信号从两个不同端口输入时产生不同的传输与隔离特性，实现了双波段频率可切换、传输方向可切换的定向传输与隔离；从加工工艺而言，这种平面导波结构，可采用现有的PCB技术加工，加工方便。通过实施例验证，在两个不同的工作波段，当电磁波从不同端口输入时，展示出良好的非互易传输与隔离特性，说明了所提出的新型隔离器结构具备一定智能化的频率可切换、传输方向可切换、传输损耗小、隔离度高、小型化、易集成等特点。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种基于人工表面等离激元的双波段隔离器，其特征在于：包括第一金属板(1)、SSPPs波导(2)和第二金属板(5)，所述SSPPs波导(2)包括共面波导、对称设置在共面波导上的第一铁氧体圆片阵(3)与第二铁氧体圆片阵(4)，所述第一铁氧体圆片阵(3)和第二铁氧体圆片阵(4)均分别由三个铁氧体圆片间隔一定距离呈直线排列组成，且嵌入SSPPs波导(2)中，所述SSPPs波导(2)设置在所述第一金属板(1)与所述第二金属板(5)中间；
所述第一铁氧体圆片阵(3)、所述第二铁氧体圆片阵(4)的厚度相等且大于共面波导的厚度；
所述第一铁氧体圆片阵(3)与所述第二铁氧体圆片阵(4)的顶部与所述第一金属板(1)底部抵接，所述第一铁氧体圆片阵(3)与所述第二铁氧体圆片阵(4)的底部与所述第二金属板(5)顶部抵接；
所述SSPPs波导(2)还包括固设在共面波导上的F4B介质基板，所述共面波导上刻蚀有两排周期性圆孔，所述F4B介质基板顶端两侧均印制有金属地，所述F4B介质基板顶端还印制有中心金属条带，该中心金属条带处于两块金属地中间，该金属条带上开设有六个圆孔，该圆孔用于嵌入铁氧体圆片。
2.根据权利要求1所述的一种基于人工表面等离激元的双波段隔离器，其特征在于：每个铁氧体圆片的中心轴线与金属条带上对应的圆孔的中心轴线重合。
3.根据权利要求2所述的一种基于人工表面等离激元的双波段隔离器，其特征在于：所述铁氧体圆片的材料为钇铁石榴石型(YIG)材料。
4.根据权利要求3所述的一种基于人工表面等离激元的双波段隔离器，其特征在于：每个铁氧体圆片的半径相等且均小于金属条带上每个圆孔的半径。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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