CN1491449A - 低损耗宽带无辐射介质(nrd)波导循环器 - Google Patents

低损耗宽带无辐射介质(nrd)波导循环器 Download PDF

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申千雨
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Abstract

本发明涉及一种使用NRD波导的具有宽带特性的循环器，该循环器应用在绝缘体、注入式相位放大器、调节器等中。依据本发明的第一个最佳实施例，该循环器使用了一个永久磁铁；能够排除不必要模的模式抑制器插入该循环器以实现低损耗特性。依据本发明的第二个最佳实施例，NRD线安装成阶梯形式以实现宽带特性，该NRD线是具有NRD波导的循环器的端口。

Description

低损耗宽带无辐射介质(NRD)波导循环器
技术领域
NRD(无辐射介质)波导是一种毫米波集成电路，具有诸如低损耗率、无辐射等特性。
背景技术
NRD波导是一种装置，其中：平行导电板彼此相隔使用频率的半个波长或更短的距离排列其中；一个介质条插在两块平行导电板之间，该介质条的宽度是一个确定的恒定值，高度为两块平行导电板的间隙。
循环器，毫米波段中一种典型的非交互的电路设备，对绝缘体、注入式同步放大器、调节器等设备的应用来说是一种不可缺少的电路设备。
然而，这种循环器由于在NRD波导与铁氧体谐振器之间产生的不必要模(TE，LSE型)可能产生4dB～5dB的插入损耗。从而，它难以得到令人满意的输出特性。
同时，绝缘级超过20dB的频率范围的频率带宽最多为1GHz。包含高阶信号成分的频率范围会缩小，所以对于调节器来说，探测符合要求的信号将很困难。
相应地，如图2所示的使用了一个永久磁铁的NRD波导循环器有一个问题，即它不可能保持低损耗率，而低损耗率正是NRD波导的优点。因此，相关技术的这种循环器可能不能满足传输含有宽波段信号的大量信息的最新需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用永久磁铁的循环器装置，该循环器可以保持NRD波导低损耗特性，同时可以具有宽带特性。
具体来说，本发明通过在有一块永久磁铁的循环器中插入模式抑制器10，11，12以降低损耗来保持NRD波导低损耗特性。另外，本发明通过缩小模式抑制器13，14，15的宽度以加大20dB以上绝缘特性的频率范围的宽度来实现阶梯形态。
本发明的第一个最佳实施例是通过以下的方式实现的：在上层导电板1和下层导电板2之间安装一永久磁铁6；通过在沿永久磁铁的中心轴线依次安装的铁氧体、特氟纶管和铁氧体构成铁氧体谐振器(如图5所示)；如图1所示以120°的间隙围绕铁氧体谐振器安装NRD波导；在各NRD波导3，4，5和铁氧体谐振器之间分别插入模式抑制器10，11，12。
本发明的第二个最佳实施例，插入模式抑制器13、14、15以构成阶梯形状的循环器，该模式抑制器如第一个最佳实施例一样被插入，但其具有比NRD波导小的宽度。
附图说明
图1是第一个最佳实施例中循环器的透视图，插入模式抑制器以使循环器的传输损耗最小；
图2是相关技术的普通结构的循环器透视图；
图3是使用NRD波导的循环器的基本原理示意图；
图4是使用NRD波导的循环器中的模示意图；
图5是插在到循环器中心的铁氧体谐振器的透视图；
图6是NRD波导和分拆后的模式抑制器的透视图；
图7是模式抑制器插入循环器的三个终端和无模式抑制器的情况下的传输损耗曲线图；
图8是第二个最佳实施例中NRD波导循环器的透视图，通过缩小插入的模式抑制器的宽度使循环器具有阶梯形状以使其具有宽带特性；
图9是没有为使循环器具有阶梯形状而缩小模式抑制器的宽度时，测量阻抗随频率相应变化的曲线图；
图10是为使循环器具有阶梯形状而缩小模式抑制器的宽度时，测量阻抗随频率相应变化的曲线图；
图11是第二个最佳实施例中模式抑制器的宽度小于NRD波导的宽度以及在模式抑制器的宽度没缩小的情况下传输损耗曲线图。
附图中重要部件的代码说明：
1是上层导电板；2是下层导电板；3是输入端口的NRD波导；4是绝缘端口的NRD波导；5是输出端口的NRD波导；6是永久磁铁；7，8是铁氧体；9是特氟纶管；10是输入端口的模式抑制器；11是绝缘端口的模式抑制器；12是输出端口的模式抑制器；13是比NRD波导窄的输入端口的模式抑制器；14是比NRD波导窄的绝缘端口的模式抑制器；15是比NRD波导窄的输出端口的模式抑制器；16是NRD波导；17是细特氟纶传输线；18是金属(铜)薄膜；INPUT①：输入端口；OUTPUT②：输出端口；Isolated③：绝缘端口。
本发明的最佳实施方式
结合附图对本发明的最佳实施例做进一步阐述：
(第一个最佳实施例)
图1是本发明的第一个最佳实施例中循环器的透视图，模式抑制器10、11、12插在NRD波导3、4、5与铁氧体谐振器之间，铁氧体谐振器由铁氧体7、8和特氟纶管9组成。
因为本发明使用电容率为2.04的PTFE(特氟纶)为本发明的NRD波导及本发明在50GHz的范围内实现，传输线的高度为2.7mm，与上层导电板1与下层导电板2之间的间隙相同，宽度为2.4mm。另外，本发明的铁氧体7、8由TDK公司铁氧体超声波生产工艺制成，其电容率是15，重1800克，其正切损耗是0.0008。铁氧体是圆形的，直径是3.37mm，并被磨成适当的厚度。
NRD波导循环器的大体构造和操作原理将结合图2、3、4、5在以下详细阐述。
图2描述了相关技术中的NRD波导循环器结构。永久磁铁6插在到上层导电板1/下层导电板2的中心，铁氧体7、特氟纶管9和铁氧体8相继沿永久磁铁的中心轴线安装组成一个铁氧体谐振器。图5是铁氧体谐振器的透视图。
NRD波导3、4、5绕着铁氧体谐振器彼此间隙120°安装，构成3个端口。每个端口的作用将在图3、4中阐释。
因为如LSM型这样的不必要模产生于NRD波导的弯曲部分或非对称/不连续区域，影响回路，这种不必要模可以产生于非交互式设备如非对称式循环器。
相关技术中不必要模的产生原因将在随后中阐释。如图3所示的NRD波导循环器，其中port①是输入端口，port②是输出端口，port③是绝缘端口，只要LSM型波进入输入端口，初始传送波中的电磁场，LSM型波，仅存在于如图4所示的轴向横截面。因此，当循环器运行时，电磁场在谐振器中的分布显示LSM型波通过port②5输出，因为轴向横截面存在磁场。然而，在port③4，电磁场在横截面的水平方向而不是轴的方向形成一个环形回路。因此，可以断定，LSM型波在port③4不存在。另一个方面，因为LSE型波的电磁场分布在水平方向的横截面形成一个回路，所以对于LSE型波而言，很容易存在于port③4中。
因此，被输入的LSM型波没有从port③4输出而是如图3所示从port②5输出。而在同时，LSM型波在port③4产生，将引起插入损耗。因此，如果能抑制这种不必要模，则可降低插入损耗。
为了排除使用永久磁铁的循环器在运行时产生的这种不必要模，根据本发明，如图6所示，在铁氧体谐振器和各个端口的NRD波导之间插入模式抑制器10、11、12。
插入一个金属条18对LSM型波根本不会产生影响，因为NRD波导的中心部分是由导电壁作成的。相反，如果插入金属条，由于增加了截止频率LSM型波将会从可用频率范围中排除，因为LSM型波的电场与中心部分平行。但是，TEM型波可能因LSM型波反作用而产生。因此，本发明旨在通过将金属条18设计成λ/4扼流器来排除所有的不必要模。
模式抑制器，窄的部分的宽度是0.4mm，宽的部分的宽度是2.4mm。TEM波，它是一种平面波，其波长在绝缘材料中是相等的，因为电磁场浓密地分布在NRD波导中。相应地，扼感电流每一部分的长度是0.95mm，正是平面波在传输线中的波长3.8mm的1/4。
图7描述了图1和图2的传输特性。图2中使用了一个永久磁铁的循环器在50GHz的范围内平均有4dB的传输损耗；如图1中所述的第一个最佳实施例，使用了一个永久磁铁的循环器在50GHz的范围内平均有1dB的传输损耗。
(第二个最佳实施例)
图8是本发明第二个最佳实施例的透视图。在第二个最佳实施例中，第一个最佳实施例中位于NRD波导3、4、5与铁氧体谐振器间的模式抑制器10、11、12的宽度被缩小了，使得第二个实施例中的循环器呈现阶梯形状。
在第二个最佳实施例中，铁氧体厚0.342mm，偏磁场(永久磁铁的强度)是13200e。
在50GHz的频率中心，阻抗是完全匹配的，因为阻抗位于如图9所示的smith图的正中心。如图10所示，在带有一个永久磁铁的循环器中，插入宽度被缩小且长度为中心频率半个波长的模式抑制器13、14、15并不显著地影响中心频率的特性。
然而，电抗部分随中心频率相应变化。尽管被缩小的模式抑制器13、14、15的电抗部分随中心频率相应变化，要实现宽带还是可能的，因为在宽频范围能满足阻抗匹配条件。模式抑制器13、14、15的宽度最好为1.9mm，这比NRD波导的宽度2.4mm要小。模式抑制器的长度是5.8mm，等于50GHz半个波长的奇数倍。
图9和图10通常涉及到的情形是，永久磁铁(偏磁场)的强度是13200e；铁氧体7、8直径为3.37mm，厚度为0.342mm；特氟纶管9高度为2.016mm，直径为3.37mm，内径为3mm。图9描述了当模式抑制器10、11、12的宽度与NRD波导的宽度相同时与中心频率相应的阻抗轨道。图10表示当模式抑制器13、14、15的宽度为1.9mm、小于NRD波导的宽度时与中心频率相应的阻抗轨道。
图11描述了本发明的第一个最佳实施例和第二个最佳实施例的插入损耗/绝缘特性。如果模式抑制器与NRD波导的宽度相同，绝缘特性超过20dB的波宽约为1GHz。根据第二个最佳实施例，如果模式抑制器窄于具有永久磁铁的循环器中的NRD波导，绝缘特性大于20dB的带宽便超过2GHz，第一个最佳实施例的低损耗特性保持不变。
总的来说，在相关技术中具有一个普通永久磁铁的循环器，如图2，由于不均匀性其损耗是4dB。然而，在第一个最佳实施例中的插入了模式抑制器的循环器由于排除了因使用了有永久磁铁的循环器造成的不对称性产生的不必要模而能保持NRD波导低损耗特性。第二个最佳实施例中循环器能保持NRD波导低损耗特性是因为插入了模式抑制器，并在同时通过缩小模式抑制器的宽度使循环器具有宽波特性。
前述的本发明的最佳实施例和优点仅供参考，不能被用来解释本发明仅限于此，本发明的构思还可以适用于其他类型的设备。本发明的描述试图有说明性，而不是限制权利范围。许多选择、修改和变化对本技术领域的熟练技术人员来说是明显的。权利要求旨在覆盖在此描述的实现陈述功能的结构，以及不仅包括结构性的等同物而且包括等同的结构。
工业实用性
如上所阐释的，本发明的循环器使用了一个永久磁铁，可以消除相关技术领域中使用的电磁石产生的热散发现象，排除消耗电的需要从而使其不需要使用在电磁石使用时需要增加的电源电路。
本发明的循环器使用了一个永久磁铁，也可以实现理想的输出特性，因为它通过在各个NRD波导和铁氧体谐振器间插入模式抑制器降低了电波的插入损耗。
此外，本发明通过缩小模式抑制器的宽度以使其小于NRD波导的宽度来扩大可使用频率的带宽。

Claims (2)

1、一种使用永久磁铁的适用于NRD波导的低损耗循环器，其特征是：在上层导电板和下层导电板间安装一永久磁铁；通过在沿永久磁铁的中心轴线依次安装的铁氧体、特氟纶管和铁氧体构成铁氧体谐振器；以120°的间隙围绕铁氧体谐振器安装NRD波导；在各NRD波导和铁氧体谐振器之间分别插入模式抑制器。
2、一种使用永久磁铁的适用于NRD波导的低损耗宽带循环器，其特征是：在上层导电板和下层导电板间安装一永久磁铁；通过在沿永久磁铁的中心轴线依次安装的铁氧体、特氟纶管和铁氧体构成铁氧体谐振器；以120°的间隙围绕铁氧体谐振器安装NRD波导；在各NRD波导和铁氧体谐振器之间分别插入比NRD波导的宽度小的模式抑制器。
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