CN115663427A

CN115663427A - 基于旋磁材料的高功率微波自适应防护装置

Info

Publication number: CN115663427A
Application number: CN202211347548.4A
Authority: CN
Inventors: 汪海洋; 黄龙海; 杨明嵛; 胡标; 李�浩; 周翼鸿; 李天明
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2022-10-31
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2023-01-31

Abstract

本发明公开了一种基于旋磁材料的高功率微波自适应防护装置，属于微波技术领域。该装置包括YIG铁氧体基板，覆盖铁氧体基板背面的接地板，设置于铁氧体基板正面且依次连接的输入微带线、N阶平行耦合微带谐振结构、输出微带线，设置于铁氧体基板两侧且平行于微波磁场的一对永磁体。本发明在YIG基板上加载多阶平行耦合微带谐振结构，使得该装置既具有带外频域滤波防护能力，又具备带内频率选择性功率限幅防护能力，实现了HPM防护技术中频域滤波模块和功率限幅模块的一体化，大幅减小了微波前端防护系统体积；同时，通过多阶平行耦合微带谐振结构大幅增强微波磁场，从而加强了微波磁场与铁氧体材料的磁能量耦合，降低了初始限幅功率。

Description

基于旋磁材料的高功率微波自适应防护装置

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种基于旋磁材料的高功率微波自适应防护装置。

背景技术

高功率微波(HPM)是一种持续时间短、频带窄、峰值功率高(超过100MW)，频率范围在300MHz～300GHz的强电磁脉冲。微波接收机模块是通信、雷达系统的核心部分。典型的微波接收机前端由接收天线、滤波器、限幅器、低噪放和混频器构成，其中低噪放和混频器很容易被“前门”(接收天线)耦合进来的HPM产生毁伤作用，因此需要对接收机进行HPM前门防护。

常规的HPM前门防护技术主要有：能量选择表面技术、波导等离子体限幅技术、固态限幅技术等。能量选择表面应用于天线罩，高频微波插损较大，会对接收机的正常信号收发工作产生影响，而波导等离子体限幅器和固态限幅器分别存在着限幅阈值高和功率承受能力不足的问题。基于旋磁材料(铁氧体)的限幅器不仅限幅阈值较低，功率承受能力强，还可小型化。此外，铁氧体限幅器还具有频率选择性限幅的特点，即只对高于阈值功率对应频点的信号进行限幅，而对于低于阈值功率对应频点的信号传输不产生影响。

为满足多数微波前端应用系统，需要较低限幅阈值功率。目前有两种方法可以降低铁氧体限幅器的功率限幅阈值，第一种从旋磁材料出发，基于铁氧体材料的自旋波线宽和临界磁场阈值成正比原理，采用自旋波线宽更低的铁氧体材料。目前已知YIG材料具有最低自旋波线宽，且单晶YIG材料相较于多晶YIG材料具有更低的自旋波线宽，可低至0.2Oe，但是单晶YIG的材料成本远远高于多晶YIG，不利于工程应用。第二种是改变微波传输结构来增强微波磁场强度，使得铁氧体材料能在更低的微波功率输入下激发非线性效应。通常做法是在带状或者微带传输线中加入低输入阻抗带状线或微带线，可以适当增强微波磁场，但会因匹配过渡段的增加而显著增大器件插入损耗。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种基于旋磁材料的高功率微波自适应防护装置，具有带外频域滤波防护、带内功率限幅防护的特点。本发明在旋磁多晶YIG基板上加载多阶平行耦合微带谐振结构，使得该保护结构既具有带外频域滤波防护能力，又具备带内频率选择性功率限幅防护能力。针对带内高功率防护，通过多阶平行耦合微带谐振结构大幅增强微波磁场，从而加强了微波磁场信号与铁氧体材料的磁能量耦合，降低了初始限幅功率。此外，本发明可有效调控初始限幅功率阈值，实现了HPM防护技术中频域滤波模块和功率限幅模块的一体化，大幅减小了微波前端防护系统体积，保护装置易与微波前端匹配应用。

本发明采取的技术方案是：

一种基于旋磁材料的高功率微波自适应防护装置，其特征在于，包括铁氧体基板、接地板、微带结构、一对永磁体。

所述铁氧体基板的材料为多晶钇铁石榴石铁氧体(YIG)；具有共振线宽低、自旋波阻尼低、介电损耗低的特点。

所述接地板，为覆盖铁氧体基板背面的金属导电层。

所述一对永磁体设置于铁氧体基板的左右两侧且平行于微波磁场，提供稳定的偏置磁场。

所述微带结构，设置于铁氧体基板的正面；所述微带结构包括从左至右依次连接的输入微带线、N阶平行耦合微带谐振结构、输出微带线。

所述N阶平行耦合微带谐振结构，由N段谐振单元依次连接构成；其中，每段谐振单元由上下两个平行设置的矩形微带线组成；第一阶谐振单元的上侧矩形微带线连接输入微带线，第二阶～第N-1阶谐振单元的上侧矩形微带线均连接前级谐振单元的下侧矩形微带线，第N阶谐振单元的下侧矩形微带线连接输出微带线。

进一步地，所述输入微带线与输出微带线分别连接SMA型射频同轴连接器。

本发明采用的N阶平行耦合微带谐振结构，每阶谐振单元均由两根等长的微带线平行排列组成，调节两根微带线之间的间距产生耦合效应；多晶YIG基板具有高等效介电常数，平行耦合微带谐振结构的谐振单元能够大幅增大射频磁场的幅度和射频微波磁场与旋磁多晶YIG基板的耦合，从而有效降低HPM电磁环境下的非线性效应阈值，即相较于均匀微带传输线结构，本发明能够在更低的功率下开始限幅，改善微带谐振结构旋磁限幅器的限幅电平。除了增强射频磁场之外，N阶平行耦合微带谐振结构还具备带通滤波特性，因此可以同时完成带外滤波和带内限幅。

本频域滤波、功率限幅集成式自适应高功率微波限幅保护装置的工作原理如下：

当高功率微波通过接收天线进入接收机系统并作用到该装置时，通带内，谐振结构将利用阻带对通带外的高功率微波进行反射；带内，本发明的频率选择限幅特性如图1所示，在偏置磁场和高功率微波的作用下，根据铁氧体高功率损耗的非线性效应，高于限幅阈值功率对应的频率分量将被吸收(如图1中的f₁)，而低于阈值功率的频率分量(如图1中的f₂)不会被衰减，从而实现带内的频率自适应限幅，因此本发明在可以等效于一个自适应可调谐的陷波滤波器，根据信号功率大小自动调谐以对该信号附近窄频带内的高功率微波进行能量损耗，如图1所示。具体能量损耗的机理是铁氧体高功率下由自旋波不稳定性所带来的非线性损耗效应。铁氧体自旋波不稳定性过程如图2所示，刚开始时，铁氧体处于热平衡状态，自旋波幅值为

通带内的高功率微波将激发铁氧体基板上的半频自旋波(自旋波频率为入射微波频率的一半)，在弛豫时间之后自旋波幅值增大到一定幅值

半频自旋波与晶格耦合，通过晶格振动，将能量以热的形式耗散出去。

本发明与现有技术相比优点是：

1.本发明的选择性限幅是基于铁磁材料自身的高功率损耗的非线性实现的，电磁波的能量以频率选择的方式耦合到自旋波当中，根据信号功率水平自动识别信号。利用简单的结构便可实现了对高于限幅阈值功率对应频率分量的定向衰减，在大功率信号存在下，能够保持接收机的正常工作。

2.在旋磁材料基板上加载N阶平行耦合微带谐振结构，不需要改善材料的自旋波线宽就可大幅降低HPM电磁环境下的非线性效应阈值；且可以根据实际应用所需调整谐振结构，从而匹配接收机系统所需的限幅功率阈值。

3.通过在旋磁多晶YIG基板上加载N阶平行耦合微带谐振结构，实现了HPM防护技术中的限幅模块和滤波模块的结构集成化。

4.保护装置为无源结构，利用铁磁材料非线性损耗机制进行无源限幅，峰值功率容量高。

附图说明

图1为本发明的频率选择限幅特性示意图。

图2为自旋波不稳定性过程。

图3为本发明实施例的结构示意图。

图4为本发明实施例中频域散射参数的三维电磁仿真结果。

图5为本发明实施例中限幅隔离度仿真结果。

附图标号说明：1表示YIG基板；2表示SMA连接器；3表示输入微带线；4表示N阶平行耦合微带谐振结构；5表示输出微带线。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的、优点以及技术思路，以下结合具体实施例，对本发明作进一步阐述。应当说明，以下给出的具体实例仅仅起到详细解释说明本发明的作用，并不限定本发明。

本发明实施例的通带中心频率为9.4GHz，带宽为800MHz，图3为本发明实施例的结构示意图，包括铁氧体基板、接地板、微带结构、SMA型射频同轴连接器。

所述铁氧体基板采用多晶YIG材料，其饱和磁化强度4πMs＝1800Gauss，居里温度T_c＝280℃，自旋波线宽ΔH_k≤2Oe，相对介电常数ε_r＝14.5，损耗正切角tanδ≤0.0002。铁氧体基板厚度为0.5mm，长度为24.14mm，宽度为15mm。

YIG基板背面镀金，便于接地。YIG基板正面设置有中心对称的微带结构，微带结构包括依次连接的输入微带线、七阶平行耦合微带谐振结构、输出微带线，用于增强磁场，增大高功率微波和YIG材料的磁耦合。YIG基板宽边左右两侧放置永磁体提供直流偏置磁场。

所述微带结构的中心导体为金，导体厚度为7μm，输入微带线与输出微带线进行50Ω匹配设计，导体宽度为0.35mm；7阶平行耦合微带谐振结构从左至右依次为第一～第七谐振单元，每个谐振单元均由两根平行放置的矩形微带线构成，每个谐振单元的两个矩形微带线长度和宽度一致，7个谐振单元矩形微带线的长度分别为L1＝L7＝2.22mm，L2＝L6＝3.35mm，L3＝L5＝2.58mm，L4＝2.43mm；宽度分别为W1＝W7＝0.35mm，W2＝W6＝0.35mm，W3＝W5＝0.35mm，W4＝0.35mm；间距分别为S1＝S7＝0.14mm，S2＝S6＝0.13mm，S3＝S5＝0.4mm，S4＝0.84mm。

图4展示了本发明实施例的频域散射参数计算结果，通带内(8.85GHz-9.83GHz)回波损耗大于20dB，插损小于0.2dB。

在带外，由图3可知40dB阻带抑制频带上限达10.9GHz，即该阻带内的HPM信号由于频域上的反射无法通过本保护结构，实现频域滤波防护。

在带内，本发明实施例通过铁氧体的非线性损耗效应，对高功率微波进行吸收式限幅。在不同偏置磁场和不同脉宽的高功率微波入射信号下铁氧体非线性磁场阈值都是不同的，因此限幅功率阈值也是不同的。为了说明本实例的限幅特性，图5给出了本实例在偏置磁场为800Gauss时，不同脉宽HPM信号入射时的限幅水平随着输入功率的变化趋势，入射微波脉宽越宽，初始限幅阈值越小，饱和限幅隔离度越大，以200ns为例，本发明的初始限幅功率约为0.53W，在输入功率为270W时，饱和限幅隔离度为14dB。这说明本发明在HPM电磁环境下可以达到比较低的初始限幅阈值，开启前门防护，且具有较好的限幅效果。

上述实例只为说明本发明的技术构思和特点，只用于对本发明进行具体的描述，使熟悉该项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明内容所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于旋磁材料的高功率微波自适应防护装置，其特征在于，包括铁氧体基板、接地板、微带结构、一对永磁体；

所述铁氧体基板的材料为多晶钇铁石榴石铁氧体；

所述接地板，为覆盖铁氧体基板背面的金属导电层；

所述一对永磁体设置于铁氧体基板的左右两侧且平行于微波磁场，提供稳定的偏置磁场；

2.如权利要求1所述的一种基于旋磁材料的高功率微波自适应防护装置，其特征在于，所述N阶平行耦合微带谐振结构，由N段谐振单元依次连接构成；其中，每段谐振单元由上下两个平行设置的矩形微带线组成；第一阶谐振单元的上侧矩形微带线连接输入微带线，第二阶～第N-1阶谐振单元的上侧矩形微带线均连接前级谐振单元的下侧矩形微带线，第N阶谐振单元的下侧矩形微带线连接输出微带线。

3.如权利要求2所述的一种基于旋磁材料的高功率微波自适应防护装置，其特征在于，所述输入微带线与输出微带线分别连接SMA型射频同轴连接器。