PL233059B1 - Zintegrowany falowodowy ferrytowy izolator mikrofalowy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zintegrowany falowodowy ferrytowy izolator mikrofalowy znajdujący zastosowanie w systemach mikrofalowych do wytłumienia fali rozchodzącej się w jednym wybranym kierunku między jego wrotami.

W publikacji K. Araki, T. Koyama and Y. Naito, “A New Type of Isolator Using the Edge-Guided Mode (Letters)”, in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 23, no. 3, pp. 321-321, Mar 1975 ujawniono magnesowany poprzecznie układ izolatora ferrytowego. Układ składa się z linii mikropaskowej umieszczonej na podłożu ferrytowym magnesowanym poprzecznie do kierunku rozchodzenia się fali i prostopadle do płaszczyzny podłoża. Aby uzyskać efekt niewzajemny, jeden z brzegów paska linii jest zwarty do ekranu, zaś drugi pozostaje rozwarty. W takiej strukturze linii w wyniku zjawiska przemieszczania pola wzbudza się fala rodzaju brzegowego. W przekroju poprzecznym linii rozkład pola tej fali jest asymetryczny. W zależności od kierunku jej rozchodzenia się lub zwrotu pola magnesującego energia tej fali prowadzona jest wzdłuż jednego z brzegów linii. Jeżeli energia fali koncentruje się przy brzegu zwartym, wówczas fala ulega konwersji do wyższych rodzajów objętościowych, które w wyniku odcięcia, są tłumione w linii. Powoduje to duże tłumienie dla fali rozchodzącej się przy zwartym brzegu linii. Zmiana kierunku rozchodzenia się fali lub zwrotu pola magnesującego w linii powoduje koncentrację energii fali przy brzegu rozwartym, wzdłuż którego jest transmitowana z niewielkim tłumieniem. Znaczący efekt niewzajemny powstający w omawianym typie izolatora występuje jedynie w zakresie częstotliwości, w którym ferryt charakteryzuje się ujemną efektywną przenikalnością magnetyczną peff<0, gdzie peff = (p²-p_a ²)/p oraz μ i pa są elementami tensora przenikalności magnetycznej materiału ferrytowego.

Z publikacji Y. J. Cheng, Q. D. Huang, Y. R. Wang and J. L. W. Li, “Narrowband Substrate Integrated Waveguide Isolators”, in IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 24, no. 10, pp. 698-700, Oct. 2014 znane jest rozwiązanie ww. układu izolatora oparte na wykonaniu brzegu zwartego linii ferrytowej przez szereg metalizowanych przelotek zwierających metalowy pasek linii do ekranu. Izolator ten charakteryzuje się stratami transmisji na poziomie 2,2 dB zaś izolacją rzędu 30 dB. Wadą prezentowanego rozwiązania jest wąskie pasmo pracy układu, które wynosi około 6%.

Inne rozwiązanie izolatora ferrytowego jest prezentowane w publikacji C. K. Seewald and J. R. Bray, “Ferrite-Filled Antisymmetrically Biased Rectangular Waveguide Isolator Using Magnetostatic Surface Wave Modes”, in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 58, no. 6, pp. 1493-1501, June 2010. Układ ten składa się ze zintegrowanego falowodu prostokątnego wypełnionego materiałem ferrytowym poprzecznie magnesowanym przez układ dwóch pól magnetycznych przeciwnie skierowanych. Opisany sposób magnesowania sekcji ferrytowej został wcześniej wykorzystany w publikacji Joey Bray, Langis Roy US 6867664 B2 “Ferrite-filled, antisymmetrically-biased rectangular waveguide phase shifter” do realizacji przesuwnika fazy. Sekcja ferrytowa połączona jest z mikropaskowymi wrotami układu poprzez zbieżny transformator impedancji. W wyniku antysymetrycznego magnesowania sekcji ferrytowej rozkład pola em. w przekroju poprzecznym jest symetryczny, ale koncentracja energii pola em. zależy od kierunku rozchodzenia się fali lub zwrotu pola magnesującego. Sekcja ferrytowa pobudzana jest z linii mikropaskowej falą typu parzystego, która prowadzona jest z małym tłumieniem wzdłuż płaszczyzny magnetycznej reprezentującej przekrój symetrii wzdłużnej całego układu. Przy zmianie kierunku pobudzenia lub zwrotu pól magnesujących energia fali prowadzona jest wzdłuż brzegów zwartych sekcji ferrytowej. W tym przypadku fala ta jest silnie tłumiona na skutek efektu konwersji energii fali do odciętych wyższych rodzajów pola. W wyniku tego układ, tak jak wyżej opisane struktury ze zwartym brzegiem, posiada własności izolatora w paśmie częstotliwości, w którym peff<0. Prezentowany układ charakteryzuje się szerokim pasmem pracy rzędu 16% zapewniającym wysoką izolację na poziomie 55 dB. Jednak wadą tego układu są znaczące straty wtrąceniowe wahające się w paśmie pracy między 4,6 dB a 11 dB. Pierwszym z czynników wpływającym na znaczący poziom strat są straty materiału ferrytowego, które są znacznie wyższe niż straty materiału dielektrycznego. Fala przechodząca przez układ w kierunku transmisyjnym w środkowej części sekcji ferrytowej jest zatem częściowo tłumiona przez straty w materiale ferrytowym.

Kolejnym czynnikiem powodującym straty tego układu jest rzeczywisty rozkład pola magnesującego powstały przy pomiarach prototypu. W symulacjach zakłada się, że każda z połówek płytki ferrytowej magnesowana jest przy pomocy pól magnetycznych o takich samych amplitudach, lecz przeciwnych zwrotach (pole antysymetryczne). Jednak w rzeczywistym układzie, gdzie pole magnesujące wytwarzane jest np. przy pomocy zestawu magnesów stałych, amplitudy pola magnesującego środ

PL 233 059 B1 kową część sekcji ferrytowej w otoczeniu płaszczyzny symetrii przekroju poprzecznego są znacznie mniejsze niż występujące na jej brzegach. Zatem pole magnesujące każdą z połówek sekcji ferrytowej nie jest jednorodne. Jak wiadomo z literatury takie częściowe magnesowanie powoduje wystąpienie dodatkowych strat w układzie.

Znane rozwiązania pozwalają na realizację izolatorów mikrofalowych zapewniających wysoki poziom izolacji w szerokim zakresie częstotliwości. Jednak wadą tych układów jest charakteryzujący je znaczący poziom strat wtrąceniowych rzędu 4,6 dB do 11 dB.

Zintegrowany falowodowy ferrytowy izolator mikrofalowy zawierający podłoże dielektryczne, na którym po jednej stronie nałożone są metalowe paski sygnałowe oraz element ferrytowy zwarty dwoma brzegami do ekranu, a po drugiej stronie pokryte jest folią metalową charakteryzuje się według wynalazku tym, że element ferrytowy utworzony jest z dwóch płytek ferrytowych, które oddzielone są od siebie warstwą dielektryka. Utworzona między płytkami ferrytowymi szczelina wypełniona jest powietrzem lub materiałem dielektrycznym. Płytki ferrytowe magnesowane są poprzecznie antysymetrycznym polem jednorodnym za pomocą dwóch par naprzeciwległe umieszczonych magnesów stałych.

Dzięki utworzonej szczelinie między płytkami ferrytowymi powstaje obszar, w którym fala transmitowana jest w dielektryku o znacznie mniejszych stratach niż ferryt, zaś ferryty magnesowane są polem jednorodnym.

Zaletą wynalazku jest możliwość uzyskania szerokopasmowego zintegrowanego izolatora ferrytowego, który charakteryzuje się znacznie mniejszymi stratami niż znane układy izolatorów.

Wynalazek został bliżej przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1a pokazuje schematycznie izolator w widoku z góry, fig. 1b przedstawia schematycznie przekrój w obszarze ferrytowym wraz z zaznaczonymi kierunkami pola magnesującego, fig. 2 przedstawia parametry rozproszenia pomierzonego prototypu układu izolatora mikrofalowego.

Izolator zrealizowany został na podłożu dielektrycznym 1. Na jednej stronie podłoża wykonane zostały metalowe paski sygnałowe 2, zaś druga jego strona pokryta została w całości metalem. Dwie płytki ferrytowe 3 umieszczone zostały w dwóch otworach wyfrezowanych w podłożu dielektrycznym 1. Otwory te wykonane zostały w pewnej odległości od siebie zapewniając tym samym szczelinę s oddzielającą płytki ferrytowe 3. Zainstalowane płytki ferrytowe 3 pokryte zostały od góry, od dołu i z jednego boku miedzianą folią samoprzylepną. Antysymetryczne pole magnesujące zrealizowane zostało przy pomocy dwóch par przeciwnie ustawionych magnesów stałych 4, 5.

Przykładowe wyniki pomiarów dla prototypu izolatora mikrofalowego zrealizowanego według wynalazku przedstawiono na fig. 2. Na podstawie uzyskanych rezultatów można stwierdzić, że izolator pracuje w szerokim zakresie częstotliwości 5,6 GHz do 6,9 GHz (tj. około 21%) zapewniając współczynniki obicia (S11, S22) mniejsze niż -10 dB. W badanym zakresie częstotliwości układ charakteryzuje się wysoką izolacją pomiędzy 38 dB a 48 dB oraz niskimi stratami wtrąceniowymi pomiędzy 1,3 dB a 2,9 dB.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Zintegrowany falowodowy ferrytowy izolator mikrofalowy zawierający podłoże dielektryczne, na którym po jednej stronie nałożone są metalowe paski sygnałowe oraz element ferrytowy zwarty dwoma brzegami do ekranu, a po drugiej stronie pokryte jest folią metalową, znamienny tym, że element ferrytowy utworzony jest z dwóch płytek ferrytowych (3), które oddzielone są od siebie warstwą dielektryka, zaś utworzona między płytkami ferrytowymi szczelina (s) wypełniona jest powietrzem lub materiałem dielektrycznym, przy czym płytki ferrytowe (3) magnesowane są poprzecznie antysymetrycznym polem jednorodnym za pomocą dwóch par naprzeciwlegle umieszczonych magnesów stałych (4, 5).