CN202111205U - 一种t型端口平面集成波导环行器 - Google Patents
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Abstract
一种T型端口平面集成波导环行器，属于微波、毫米波器件技术件领域。环行器由两面沉积金属层的介质材料整体加工而成，包括一个正三角形介质腔、三段平面集成波导、一个中心结旋磁铁氧体；所述三段平面集成波导包括两段弧线形和一段直线形平面集成波导，环行器的三个端口呈T型结构；所述中心结旋磁铁氧体位于正三角形介质腔中心。本实用新型提供的环行器具有T型端口结构，无需牺牲更大的芯片面积用于增加微带到集成波导的过渡连接，从而使得整体器件小型化和集成度得到进一步改善；同时具有隔离性能高、插入损耗低和端口驻波小的特点，能够满足小型化、集成式微波/毫米波通信系统的应用要求。
Description
技术领域
本实用新型属于微波、毫米波器件技术件领域，涉及平面集成波导(SIW)环行器。
背景技术
环行器是将进入其任一端口的入射电磁波，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口的多端口器件。由于环行器具有单向(顺时针或逆时针)传输特性，即某一端口的输入信号只能按照顺时针或逆时针方向从下一个端口输出，而其他端口没有输出信号，因此环行器通常也叫做隔离器。
环行器的单向传输特性是由于采用了铁氧体旋磁材料，这种材料在外加高频波场和恒定直流磁场共同作用下，产生旋磁特性(又称张量磁导率特性)。正是这种旋磁特性，使在铁氧体中传播的电磁波发生极化旋转(法拉第效应)，以及电磁波能量强烈吸收(铁磁共振)，正是利用这个旋磁现象，制作出结型隔离器或环行器。它具有体积小、频带宽、插损小等特点，广泛用于各类微波通信系统中。
常见的环行器为三端口器件，具有三个输入或输出端口，三个端口之间互成120度夹角。随着通信收发系统的发展，各种环形器应运而生，小型化的以微带为主，但功率不高；高功率的以波导为主，但不易集成。
对于频率而言，毫米波段具有信息容量大，方向性好，并且在毫米波段的微波器件具有体积小重量轻的优势，成为当今通信领域的发展方向，因此毫米波段的环行器已成为微波通信器件中的一个研究热点。
在各类电子元器件向小型化、集成化方向发展的今天，许多微波、毫米波器件开始采用平面集成波导作为信号传输载体。所谓平面集成波导包括两面沉积金属的介质层，以及连接两面金属层、且相互平行的金属化过孔，由两面金属层和连接两面金属层、且相互平行的金属化过孔形成波导结构，波导谐振腔内部填充物为介质层(同时作为金属层的载体支撑物)。
现有技术中，最具典型意义的一种小型化、可集成的环行器为平面集成波导结构的环行器。平面集成波导环行器是采用平面集成波导作为电磁波传输通道，在平面集成波导的中心位置设置旋磁铁氧体(中心结铁氧体)，并在中心结铁氧体处同时设置一个偏置磁场铁氧体，利用中心结铁氧体和偏置磁场铁氧体的共同作用，为环行器提供旋磁效应(单向传输特性)。
现有的一种平面集成波导环行器结构如图1所示，它采用了传统环行器的Y型中心结结构，其三个端口之间互成120度夹角。该平面集成波导环行器虽然自身体积小，但由于采用Y型中心结结构，在实现波导输入/输出端口与微带线连接时，需要牺牲更大的芯片面积用于增加微带到集成波导的过渡连接，其小型化和集成度有待进一步改善。
发明内容
本实用新型提供一种T型端口平面集成波导环行器，该环行器具有镜面对称的结构特点，镜面对称的两个端口相互平行并垂直于第三端口，使得三个端口之间形成T型结构；由于该环行器的三个端口呈T型结构，无需牺牲更大的芯片面积用于增加微带到集成波导的过渡连接，从而使得整体器件小型化和集成度得到进一步改善。
本实用新型技术方案如下：
一种T型端口平面集成波导环行器，如图2所示，具有镜面对称结构；包括一个正三角形介质腔、三段平面集成波导、一个中心结旋磁铁氧体；所述三段平面集成波导包括两段弧线形平面集成波导和一段直线形平面集成波导，三段平面集成波导的三个内部端口分别与正三角形介质腔的三个边相连、另外三个外部端口作为环行器的输入或输出端口；所述三段平面集成波导的三个外部端口形成T型端口结构，即两段弧线形平面集成波导的外部端口相互平行且垂直于直线形平面集成波导的外部端口；所述正三角形介质腔和三段平面集成波导由两面沉积金属层的介质材料整体加工而成，其中三段平面集成波导的侧壁由连接两面金属层的金属化通孔形成；所述中心结旋磁铁氧体的形状为圆柱体，位于正三角形介质腔中心、其两个圆形表面与介质材料两面的金属层平行、且高度不超过介质层厚度。
上述技术方案所提供的T型端口平面集成波导环行器还可以包括一个偏置磁化铁氧体；所述偏置磁化铁氧体位于所述中心结旋磁铁氧体的正上方或正下方。
本实用新型提供的T型端口平面集成波导环行器，在具体设计时，应当遵循：
1、设本实用新型所述环行器中平面集成波导的等效宽边尺寸为aeff，根据矩形波导基膜TE10的截止频率
和拟设计的环行器中心工作频率f0(要求f0＞fc10)，可以确定平面集成波导的宽边尺寸范围
其中μ是平面集成波导内介质材料的磁导率、ε是平面集成波导内介质材料的介电常数。
2、所述环行器中平面集成波导两排金属化通孔圆心之间的距离a、金属通孔的直径d和相邻两个金属通孔圆心之间的距离p满足有效宽度的经验公式
3、采用介质共振子的理论，按照铁氧体圆盘结模TM111共振子，可知中心结旋磁铁氧体应当满足一面为磁壁而另一面为电壁的λ/4开路介质共振模式
其中K0＝2π/λ0，中心结旋磁铁氧体半径为R、高度为h、介电常数为εf。
4、所述两段弧形平面集成波导的弧度为30°，即与正三角形介质腔其中两边分别相连的两段弧形平面集成波导，分别向外转过30°的弧度正好实现两段弧形平面集成波导的外部端口相互平行且垂直于直线型平面集成波导的外部端口(即T型端口结构)
5、为满足本实用新型所述平面集成波导环行器与微带线之间的匹配连接，在所述平面集成波导环行器三个端口与外部微带线电路之间采用渐变微带线作为过渡连接结构，本实用新型同时提供了两种过渡连接结构：外延式过渡连接结构和内嵌式过渡连接结构。内嵌式过渡连接结构相对于外延式过渡连接结构具有更小的体积、但是环行器整体性能会略微下降。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型提供的T型端口平面集成波导环行器，由于将环行器三个端口设计成非常紧凑的T端口结构，无需牺牲更大的芯片面积用于增加微带到集成波导的过渡连接，从而使得整体器件小型化和集成度得到进一步改善；同时本实用新型提供的T型端口平面集成波导环行器具有隔离性能高、插入损耗低和端口驻波小的特点，能够满足小型化、集成式微波/毫米波通信系统的应用要求。
附图说明
图1是现有的一种Y型端口平面集成波导环行器结构示意图。
图2是本实用新型提供的T型端口平面集成波导环行器结构示意图。
图3是平面集成波导结构及几何参数示意图。
图4是本实用新型提供的具有外延式过渡连接结构的T型端口平面集成波导环行器结构示意图。
图5是本实用新型提供的具有内嵌式过渡连接结构的T型端口平面集成波导环行器结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一
一种T型端口平面集成波导环行器，如图2所示，具有镜面对称结构；包括一个正三角形介质腔、三段平面集成波导、一个中心结旋磁铁氧体和一个偏置磁化铁氧体；所述三段平面集成波导包括两段弧线形平面集成波导和一段直线形平面集成波导，三段平面集成波导的三个内部端口分别与正三角形介质腔的三个边相连、另外三个外部端口作为环行器的输入或输出端口；所述三段平面集成波导的三个外部端口形成T型端口结构，即两段弧线形平面集成波导的外部端口相互平行且垂直于直线形平面集成波导的外部端口；所述正三角形介质腔和三段平面集成波导由两面沉积金属层的介质材料整体加工而成，其中三段平面集成波导的侧壁由连接两面金属层的金属化通孔形成；所述中心结旋磁铁氧体的形状为圆柱体，位于正三角形介质腔中心、其两个圆形表面与介质材料两面的金属层平行、且高度不超过介质层厚度；所述偏置磁化铁氧体位于所述中心结旋磁铁氧体的正上方或正下方。
针对35.5GHz-36GHz的高频工作频率，设计时使用taconic的TLY-5-0400-C1/C1-12X18型板材(介质为聚四氟乙烯，相对介电常数2.17，板材上下金属铜层的厚为20um，板材厚度为1mm)制作，经过优化仿真最终得到各尺寸参数为：平面集成波导金属化通孔直径d＝0.5mm、孔间距p＝1mm、高度h＝1mm；平面集成波导等效宽度aeff＝5.3mm；正三角形边长6.6mm；中心结旋磁铁氧体采用相对介电常数εr＝13.5、饱和磁化强度4πMs＝5000高斯的YCaV铁氧体材料制作，其半径R为0.88mm、高度为1mm；偏置磁化铁氧体提供的偏置磁场大小为16000A/m。
上述T型端口平面集成波导环行器，制作完成后采用矩形连接波导和网络矢量分析仪测试其性能，测试结果为：在频率35.5GHz～36GHz范围内，隔离度为-25～-43dB，插入损耗为：-0.13～-0.2dB，驻波为：1.1～1.2。
具体实施方式二
一种T型端口平面集成波导环行器，如图2所示，具有镜面对称结构；包括一个正三角形介质腔、三段平面集成波导、一个中心结旋磁铁氧体和一个偏置磁化铁氧体；所述三段平面集成波导包括两段弧线形平面集成波导和一段直线形平面集成波导，三段平面集成波导的三个内部端口分别与正三角形介质腔的三个边相连、另外三个外部端口作为环行器的输入或输出端口；所述三段平面集成波导的三个外部端口形成T型端口结构，即两段弧线形平面集成波导的外部端口相互平行且垂直于直线形平面集成波导的外部端口；所述正三角形介质腔和三段平面集成波导由两面沉积金属层的介质材料整体加工而成，其中三段平面集成波导的侧壁由连接两面金属层的金属化通孔形成；所述中心结旋磁铁氧体的形状为圆柱体，位于正三角形介质腔中心、其两个圆形表面与介质材料两面的金属层平行、且高度不超过介质层厚度；所述偏置磁化铁氧体位于所述中心结旋磁铁氧体的正上方或正下方。
上述T型端口平面集成波导环行器，还包括过渡连接结构，所述过渡连接结构为外延式过渡连接结构，所述外延式过渡连接结构为渐变式微带线，渐变式微带线一端与环行器的输入或输出端口相连，另一端与环行器的外部微带电路相连；渐变式微带线的渐变方式为直线渐变或曲线渐变方式。
针对35.5GHz-36GHz的高频工作频率，设计时使用taconic的TLY-5-0400-C1/C1-12X18型板材(介质为聚四氟乙烯，相对介电常数2.17，板材上下金属铜层的厚为20um，板材厚度为1mm)制作，经过优化仿真最终得到各尺寸参数为：平面集成波导金属化通孔直径d＝0.5mm、孔间距p＝1mm、高度h＝1mm；平面集成波导等效宽度aeff＝5.3mm；正三角形边长6.6mm；中心结旋磁铁氧体采用相对介电常数εr＝13.5、饱和磁化强度4πMs＝5000高斯的YCaV铁氧体材料制作，其半径R为0.88mm、高度为1mm；偏置磁化铁氧体提供的偏置磁场大小为16000A/m；直线渐变式微带线与平面集成波导相连的一端宽为4.1mm、与外部电路微带线相连的一端宽为3.3mm、渐变长度为1.1mm。
上述T型端口平面集成波导环行器，制作完成后采用标准同轴接头和网络矢量分析仪测试其性能，测试结果为：在频率35.5GHz～36GHz范围内，隔离度为-22～-38dB，插入损耗为：-0.14～-0.2dB，驻波为：1.1～1.2。
具体实施方式三
一种T型端口平面集成波导环行器，如图2所示，具有镜面对称结构；包括一个正三角形介质腔、三段平面集成波导、一个中心结旋磁铁氧体和一个偏置磁化铁氧体；所述三段平面集成波导包括两段弧线形平面集成波导和一段直线形平面集成波导，三段平面集成波导的三个内部端口分别与正三角形介质腔的三个边相连、另外三个外部端口作为环行器的输入或输出端口；所述三段平面集成波导的三个外部端口形成T型端口结构，即两段弧线形平面集成波导的外部端口相互平行且垂直于直线形平面集成波导的外部端口；所述正三角形介质腔和三段平面集成波导由两面沉积金属层的介质材料整体加工而成，其中三段平面集成波导的侧壁由连接两面金属层的金属化通孔形成；所述中心结旋磁铁氧体的形状为圆柱体，位于正三角形介质腔中心、其两个圆形表面与介质材料两面的金属层平行、且高度不超过介质层厚度；所述偏置磁化铁氧体位于所述中心结旋磁铁氧体的正上方或正下方。
上述T型端口平面集成波导环行器，还包括过渡连接结构，所述过渡连接结构为内嵌式过渡连接结构，所述内嵌式过渡连接结构为渐变式微带线，渐变式微带线一端与环行器的输入或输出端口相连，另一端与环行器的外部微带电路相连；渐变式微带线的渐变方式为直线渐变或曲线渐变方式。
针对35.5GHz-36GHz的高频工作频率，设计时使用taconic的TLY-5-0400-C1/C1-12X18型板材(介质为聚四氟乙烯，相对介电常数2.17，板材上下金属铜层的厚为20um，板材厚度为1mm)制作，经过优化仿真最终得到各尺寸参数为：平面集成波导金属化通孔直径d＝0.5mm、孔间距p＝0.6mm、高度h＝1mm；平面集成波导等效宽度aeff＝5.3mm；正三角形边长6.6mm；中心结旋磁铁氧体采用相对介电常数εr＝13.5、饱和磁化强度4πMs＝5000高斯的YCaV铁氧体材料制作，其半径R为0.88mm、高度为1mm；偏置磁化铁氧体提供的偏置磁场大小为16000A/m；直线渐变式微带线与平面集成波导相连的一端宽为4.1mm、与外部电路微带线相连的一端宽为3.4mm、渐变长度为1.0mm、嵌入深度为0.7mm。
上述T型端口平面集成波导环行器，制作完成后采用标准同轴接头和网络矢量分析仪测试其性能，测试结果为：在频率35.5GHz～36GHz范围内，隔离度为-21～-31dB，插入损耗为：-0.14～-0.22dB，驻波为：1.1～1.2。
Claims (9)
1.一种T型端口平面集成波导环行器，具有镜面对称结构；包括一个正三角形介质腔、三段平面集成波导、一个中心结旋磁铁氧体；所述三段平面集成波导包括两段弧线形平面集成波导和一段直线形平面集成波导，三段平面集成波导的三个内部端口分别与正三角形介质腔的三个边相连、另外三个外部端口作为环行器的输入或输出端口；所述三段平面集成波导的三个外部端口形成T型端口结构，即两段弧线形平面集成波导的外部端口相互平行且垂直于直线形平面集成波导的外部端口；所述正三角形介质腔和三段平面集成波导由两面沉积金属层的介质材料整体加工而成，其中三段平面集成波导的侧壁由连接两面金属层的金属化通孔形成；所述中心结旋磁铁氧体的形状为圆柱体，位于正三角形介质腔中心、其两个圆形表面与介质材料两面的金属层平行、且高度不超过介质层厚度。
2.根据权利要求1所述的T型端口平面集成波导环行器，其特征在于，所述T型端口平面集成波导环行器还包括一个偏置磁化铁氧体；所述偏置磁化铁氧体位于所述中心结旋磁铁氧体的正上方或正下方。
3.根据权利要求1所述的T型端口平面集成波导环行器，其特征在于，所述三段平面集成波导的等效宽边尺寸
其中μ是平面集成波导内介质材料的磁导率、ε是平面集成波导内介质材料的介电常数。
4.根据权利要求1或3所述的T型端口平面集成波导环行器，其特征在于，所述环行器中平面集成波导两排金属化通孔圆心之间的距离a、金属通孔的直径d和相邻两个金属通孔圆心之间的距离p满足有效宽度的经验公式
5.根据权利要求1所述的T型端口平面集成波导环行器，其特征在于，所述中心结旋磁铁氧体满足一面为磁壁而另一面为电壁的λ/4开路介质共振模式
其中K0＝2π/λ0，中心结旋磁铁氧体半径为R、高度为h、介电常数为εf。
6.根据权利要求1所述的T型端口平面集成波导环行器，其特征在于，所述T型端口平面集成波导环行器还包括过渡连接结构；所述过渡连接结构为外延式过渡连接结构。
7.根据权利要求1所述的T型端口平面集成波导环行器，其特征在于，所述T型端口平面集成波导环行器还包括过渡连接结构；所述过渡连接结构为内嵌式过渡连接结构。
8.根据权利要求6所述的T型端口平面集成波导环行器，其特征在于，所述外延式过渡连接结构为渐变式微带线，渐变式微带线一端与环行器的输入或输出端口相连，另一端与环行器的外部微带电路相连；渐变式微带线的渐变方式为直线渐变或曲线渐变方式。
9.根据权利要求7所述的T型端口平面集成波导环行器，其特征在于，所述内嵌式过渡连接结构为渐变式微带线，渐变式微带线一端与环行器的输入或输出端口相连，另一端与环行器的外部微带电路相连；渐变式微带线的渐变方式为直线渐变或曲线渐变方式。
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| CN107908021A (zh) * | 2017-11-27 | 2018-04-13 | 深圳大学 | 基于光子晶体波导的t字型光子晶体环行器 |
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