CN2924804Y - 小型化衬底集成波导铁氧体结环行器 - Google Patents

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符兵
徐磊
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Abstract

本实用新型公开了一种小型化衬底集成波导铁氧体结环行器。它在介质基板内部的中心位置设置铁氧体柱，在该介质基板上分别设置三个端口，该三个端口由设置在介质基板上的两排金属柱组成的矩形波导构成，所述的三个端口中的任一个端口为输入端口，其余两个端口分别为输出端口和隔离端口。本实用新型把常规的矩形波导铁氧体结环行器设计到微带衬底上，体积和重量均大大减小，仅为传统矩形波导铁氧体结环行器的十分之一，并具有较高的Q值；其平面结构易于和其他平面电路或系统连接，到微带和共面波导的过渡可以很方便地设计出来；微带线的变换和衬底集成波导铁氧体结环行器共用同一介质衬底，具有较高程度的集成性，加工简单，成本低。

Description

小型化衬底集成波导铁氧体结环行器
一、技术领域
本实用新型属于矩形波导铁氧体结环行器，特别是一种小型化衬底集成波导铁氧体结环行器。
二、背景技术
铁氧体结环行器是一类重要的非互易性铁氧体器件，它可用于微波通讯中的分路元件；在测试设备中可作为定向耦合器、隔离器；用于参量放大器中可提高放大器的增益带宽；在雷达和微波系统中，可作为收发开关。传统的铁氧体结环行器设计在常规矩形波导或者微带线上。文献1中(“Design data for radial-waveguide circulator usingpartial height ferrite resonators”IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，Mar 1975，pp.288-298)详细介绍了几种传统的矩形波导铁氧体结环行器的结构以及设计方法。常规的矩形波导具有损耗小，承受功率容量大，Q值高等优点，但体积大，难以与平面电路集成，而现代技术的发展则对小型化，集成化具有相当高的要求；微带线则具有体积小，重量轻，易于集成等优点，但是其功率容量小，Q值低，因而在某些方面的应用受到一定的局限。近年来，有学者提出一种新型的设计平台[1]-衬底集成波导，即通过加工在微带衬底上的两排金属柱，把矩形波导制作到微带衬底上。这种新型传输线融合了矩形波导和微带线的优点，不仅体积小，重量轻，可承受较高的功率门限，而且Q值也较高。目前，已经有一些微波毫米波的无源或者有源器件被设计在这种新型传输线上，理论和实验均表明这些器件具有非常突出的特点，兼具矩形波导器件和微带器件的双重优点，因而在微波毫米波混合集成电路以及毫米波集成电路(MMIC)中得到了很大的应用，如文献2“Low cost microwave oscillator using substrateintegrated waveguide cavity”IEEE Microwave and Wireless Comp.Lett.，Vol.13，No.2，2003，pp.48-50，以及文献3，“Simulation and experiment on SIW slot array antennas，”IEEE Microwave and Wireless Comp.Lett.，Vol.14，No.9，2004，pp446-448。在上述文献中，都比较详细地介绍了用衬底集成波导这种新技术来设计新型的微波毫米波有源和无源器件。但迄今为止，尚无人用这种新型平台来设计铁氧体结环行器。
三、实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种不仅与传统矩形波导铁氧体结环行器有相同特性，而且体积小、重量轻、易于和其他的平面微波毫米波电路集成的衬底集成波导铁氧体结环行器。
实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种小型化衬底集成波导铁氧体结环行器，在介质基板内部的中心位置设置铁氧体柱，在该介质基板上分别设置三个端口，该三个端口由设置在介质基板上的两排金属柱组成的矩形波导构成，所述的三个端口中的任一个端口为输入端口，其余两个端口分别为输出端口和隔离端口。
本实用新型的小型化衬底集成波导铁氧体结环行器中，在作为输入端口、输出端口和隔离端口的三个端口分别连接一个锥形变换器，该锥形变换器分别连接微带线。
本实用新型小型化衬底集成波导铁氧体结环行器的锥形变换器宽边为1.5～8mm，窄边为大于0mm小于8mm，微带线的宽度与锥形变换器的窄边相等。
本实用新型小型化衬底集成波导铁氧体结环行器的介质基板的介电常数为2.2～12，厚度为0.5～3mm。
本实用新型小型化衬底集成波导铁氧体结环行器的介质基板内部中心位置处的铁氧体柱的介电常数为8～16，饱和磁化强度为1500～5000Gs，直径为大于0mm小于10mm，高度小于介质基板的厚度。
本实用新型小型化衬底集成波导铁氧体结环行器的矩形波导的金属柱的半径为0.2～0.4mm，相邻两金属柱之间的间距为0.5～1.5mm，两排金属柱之间的间距为3～15mm。
与现有技术相比，本实用新型具有如下显著优点：(1)把常规的矩形波导铁氧体结环行器设计到微带衬底上，从而融合了传统的矩形波导和微带线的双重优点，体积和重量均大大减小，仅为传统矩形波导铁氧体结环行器的十分之一，并具有较高的Q值；(2)其平面结构易于和其他平面电路或系统连接，到微带和共面波导的过渡可以很方便地设计出来；(3)微带线的变换和衬底集成波导铁氧体结环行器共用同一介质衬底，具有较高程度的集成性，加工简单，成本低；(4)15dB相对带宽为31.88％，最大隔离为42.6dB，带宽内插入损耗约为1.7dB。
四、附图说明
图1是实用新型小型化衬底集成波导铁氧体结环行器的结构示意图。
图2是实用新型小型化衬底集成波导铁氧体结环行器的铁氧体柱位置示意图。
图3是实用新型小型化衬底集成波导铁氧体结环行器从衬底集成矩形波导铁氧体结环行器到微带线的过渡变换结构的示意图。
五、具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
结合图1至图3，本实用新型小型化衬底集成波导铁氧体结环行器是在介质基板1内部的中心位置垂直设置铁氧体柱2，在该介质基板1上分别设置三个端口3、4、5，该三个端口3、4、5由设置在介质基板1上的两排金属柱组成的矩形波导6、7、8构成，所述的三个端口3、4、5中的任一个端口为输入端口，其余两个端口分别为输出端口和隔离端口。为了便于和其他平面电路和系统连接，在作为输入端口、输出端口和隔离端口的三个端口3、4、5分别连接一个锥形变换器9，该锥形变换器9分别连接微带线10。该微带线10为50欧姆的微带线。锥形变换器9、50欧姆的微带线10和环行器是构筑在同一介质基板上的。
本实用新型小型化衬底集成波导铁氧体结环行器可以通过下述步骤制备：
(1)首先，确定TE10模式的截止频率，选定介质基板1的特性参数，包括介电常数和衬底厚度，介质基板1的介电常数可以为2.2～12，厚度可以为0.5～3mm。
(2)根据理论分析公式，确定矩形波导6、7、8的金属柱的直径以及相邻金属柱的间距，即金属柱的半径可以为0.2～0.4mm，相邻两金属柱之间的间距可以为0.5～1.5mm。
(3)根据工作频段，确定每个端口的宽度，即矩形波导6、7、8的两排金属柱之间的距离，两排金属柱之间的间距可以为3～15mm。
(4)根据低场结环行器的要求选择合适的铁氧体样品材料。
(5)根据部分高度铁氧体短柱H面矩形波导结环行器的工程近似法，得出铁氧体柱2尺寸的初始值，再利用商用电磁仿真软件优化得出铁氧体柱的尺寸，即铁氧体柱2的介电常数为8～16，饱和磁化强度为1500～5000Gs，直径为大于0mm小于10mm，高度小于介质基板1的厚度。
(6)选择温度稳定性好的铁氧体样品材料以及有温度补偿作用的磁钢，以保证环行器工作时有较好的温度稳定性。
(7)本实用新型是为适应微波毫米波混合集成电路与毫米波集成电路的应用而设计的，因而每个端口也特别设计了到微带的转换，也可以另行设计到共面波导的转换，以便更好地和其他微波毫米波混合集成电路或者毫米波集成电路相连接，提高该器件的集成化程度。作为微带的转换，锥形变换器9的各项尺寸，可根据介质基板1的介电常数取值、环行器的工作频率以及衬底集成波导的尺寸来进行设计。锥形变换器9的宽边为1.5～8mm，窄边为大于0mm小于8mm。微带线10的宽度，可根据经典微带线理论得出，一般取值为小于8mm，微带线10的宽度与锥形变换器9的窄边相等。
(8)这些到微带或者共面波导的变换和衬底集成波导铁氧体结环行器是设计在同一介质衬底上，成为一个完全的整体结构，无需额外的组装以及调试附件，因此很适合集成化以及批量生产的要求。
实施例：结合图1、图2和图3，本实用新型衬底集成波导铁氧体结环行器，是Y形完全对称结构。在介质基板1内部的中心位置垂直放入铁氧体柱2。在介质基板1上分别设置端口3、4、5，此三个端口3、4、5中的任何一个均可作为输入端口，其余两个端口根据环行器的环行理论，则分别为输出端口和隔离端口。所述的各个端口由设置在介质基板1上的两排金属柱组成的矩形波导6、7、8构成。其中，介电常数为10.2的介质基板1的厚度为3mm。铁氧体柱2的介电常数14，饱和磁化强度1650Gs，直径8.7mm，高度2.4mm。矩形波导6、7、8的金属柱的直径为0.8mm，相邻两金属柱之间的间距为1.5mm，两排金属柱之间的间距为12.8mm。端口3、4、5的各端口宽度为12.8mm。为了便于和其他平面电路和系统连接，在上述结构的端口3、4、5的各端口分别连接一个到微带线的锥形变换器9，该锥形变换器9连接微带线10，该微带线10为50欧姆的微带线。其中，介电常数为10.2的介质基板1的厚度为3mm，锥形变换器9的宽边为6.6mm，窄边为3.6mm，长度为7.4mm。微带线10的宽度为3.6mm，长度3mm。
用矢量网络分析仪HP8510C测试的结果表明：本实用新型小型化衬底集成波导铁氧体结环行器提出的新型衬底集成波导铁氧体结环行器15dB相对带宽为31.88％，最大隔离为42.6dB，带宽内插入损耗约为1.7dB。总体积(含微带转换)为49mm*57mm*3mm，重量不足100克。

Claims (6)

1、一种小型化衬底集成波导铁氧体结环行器，其特征在于：在介质基板[1]内部的中心位置设置铁氧体柱[2]，在该介质基板[1]上分别设置三个端口[3，4，5]，该三个端口[3，4，5]由设置在介质基板[1]上的两排金属柱组成的矩形波导[6，7，8]构成，所述的三个端口[3，4，5]中的任一个端口为输入端口，其余两个端口分别为输出端口和隔离端口。
2、根据权利要求1所述的小型化衬底集成波导铁氧体结环行器，其特征在于：在作为输入端口、输出端口和隔离端口的三个端口[3，4，5]分别连接一个锥形变换器[9]，该锥形变换器[9]分别连接微带线[10]。
3、根据权利要求2所述的小型化衬底集成波导铁氧体结环行器，其特征在于：锥形变换器[9]宽边为1.5～8mm，窄边为大于0mm小于8mm，微带线[10]的宽度与锥形变换器[9]的窄边相等。
4、根据权利要求1所述的小型化衬底集成波导铁氧体结环行器，其特征在于：介质基板[1]的介电常数为2.2～12，厚度为0.5～3mm。
5、根据权利要求1或4所述的小型化衬底集成波导铁氧体结环行器，其特征在于：介质基板[1]内部中心位置处的铁氧体柱[2]的介电常数为8～16，饱和磁化强度为1500～5000Gs，直径为大于0mm小于10mm，高度小于介质基板[1]的厚度。
6、根据权利要求1或2所述的小型化衬底集成波导铁氧体结环行器，其特征在于：矩形波导[6，7，8]的金属柱的半径为0.2～0.4mm，相邻两金属柱之间的间距为0.5～1.5mm，两排金属柱之间的间距为3～15mm。
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