CN104577281B - 基于基片集成波导加载铁氧体的微波隔离器 - Google Patents
基于基片集成波导加载铁氧体的微波隔离器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于基片集成波导加载铁氧体的微波隔离器器，包括介质基板、软磁铁氧体柱和永磁铁氧体，所述介质基板的上表面和下表面分别设有导电金属层，介质基板上设有两排导电过孔，所述两排导电过孔与上下表面的导电金属层构成基片集成波导，介质基板上还设有位于两排导电过孔之间且与导电过孔平行的一排非导电通孔，所述软磁铁氧体柱位于非导电通孔内，所述永磁铁氧***于软磁铁氧体柱上方。本发明的微波隔离器器具有体积小，重量轻，易于平面集成等特性，同时还有散热好、成本低廉、易于实现等优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波隔离器，具体是一种铁氧体微波隔离器，更具体是一种基于基片集成波导加载铁氧体的微波隔离器。
背景技术
在高性能通信***中，高隔离、小体积的隔离器有着十分重要的作用。为了保证信号传输时前反向隔离以保护前级电路，特别是在两级大功率器件之间，高性能隔离器是必不可少的器件之一。近年来，随着通信、雷达等技术的发展，微波技术也得到了广泛应用，这些领域的主流技术为平面微波电路，因此对微波隔离器的性能、体积特别是平面集成能力提出了更高的要求。微波段的隔离器常采用金属波导加载的铁氧体隔离器，虽然能够耐受较高的微波功率，但这种结构的隔离器往往结构复杂、造价昂贵、且不易与平面电路集成，不能满足实际应用对集成化、高性能隔离器的要求。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种结构简单、易于与平面电路集成的高性能微波隔离器。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于基片集成波导加载铁氧体的微波隔离器，包括介质基板、软磁铁氧体柱和永磁铁氧体，介质基板的上表面和下表面分别设有导电金属层，介质基板上设有两排导电过孔，两排导电过孔与上下表面的导电金属层构成基片集成波导，介质基板上还设有位于两排导电过孔之间且与导电过孔平行的一排非导电通孔，软磁铁氧体柱位于非导电通孔内，永磁铁氧***于软磁铁氧体柱上方。
进一步地，软磁铁氧体柱的材料为钇铁石榴石铁氧体、镁锰铁氧体或镍锌铁氧体。
进一步地，永磁铁氧体的材料为锶铁氧体或钡铁氧体。
进一步地，软磁铁氧体柱为圆柱体状。
进一步地，永磁铁氧体为长方体状。
进一步地，介质基板的材料为介电常数介于2-4之间的微波介质板材。
进一步地，介质基板的上表面的两端还设有微带线，上表面导电金属层与导电过孔垂直的两侧边分别通过阻抗变换与微带线相连。
进一步地，上述阻抗变换为梯形状金属片。
改变两侧导电过孔的间距以及软磁铁氧体柱的位置可以设计出工作在不同频段的微波隔离器器。
工作原理：基片集成波导的基本结构是上下表面为金属层，中间为低损耗介质基片，然后在介质上添加两排金属通孔或者金属柱，这样就可以在介质基片上实现传统矩形金属波导的传输特性，其电磁波主模式为TE10模式。通过在基片集成波导中引入软磁铁氧体柱线阵，这些软磁铁氧体柱由锶铁氧体等硬磁铁氧体块提供偏置磁场。在软磁铁氧体柱的旋磁共振点附近，前反向传播的电磁波具有不同的衰减常数，因此利用这一效应在很薄的介质基板上构建隔离器。
有益效果：本发明提出一种在基片集成波导中嵌入铁氧体柱线阵的微波隔离器（简称“隔离器”）。这种隔离器不仅具有插损小、隔离度高等优点，而且还有体积小、结构简单、加工容易、成本低廉、易于实现与平面微波电路集成等优势。通过改变两侧导电过孔的间距以及软磁铁氧体柱线阵的位置可以设计出不同频段的隔离器。这种平面结构为基于微波隔离器件的实际应用提供了极为便利的应用条件。
附图说明
图1为本发明的立体结构图。
图2为本发明的结构参数示意图。
图3为本发明的S参数仿真结果图。
图4为两侧导电过孔间距Wh对隔离器性能的影响结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
图1示出了本发明所述的微波隔离器的三维立体结构。本实施例提供的一种基于基片集成波导加载铁氧体的微波隔离器，矩形介质基板1可采用介电常数介于2-4之间的微波介质板材，其上表面和下表面分别设有导电金属层，一般为覆铜层。介质基板1上设有两排平行的导电过孔2，与上下表面的覆铜层构成矩形基片集成波导，介质基板1上还设有位于两排导电过孔2之间且与导电过孔2平行的一排非导电通孔3，每个导电通孔3内置软磁铁氧体柱，软磁铁氧体柱可为圆柱状，其材料可采用钇铁石榴石铁氧体、镁锰铁氧体或镍锌铁氧体等。软磁铁氧体柱上方设有提供偏置磁场的永磁铁氧体4，永磁铁氧体4可为长方体状，其材料采用锶铁氧体或钡铁氧体等。
介质基板1的上表面的两端还设有微带线5，上表面的矩形金属层与导电过孔2垂直的两侧边分别通过阻抗变换6与微带线5相连。微带线5为条状金属片，阻抗变换6为梯形状金属片，基板1的下表面的金属层覆盖整块基板1。
图2示出了本发明仿真测试用的实施例的微波隔离器的结构参数示意图。本实施例中，介质基板介电常数2.6，厚度H=1mm，宽度W=36mm。导电过孔和钇铁石榴石铁氧体圆柱直径Φ=0.4mm，间距S1=1.4mm，两侧导电过孔间距Wh=26mm，铁氧体圆柱线阵距同侧导电过孔S2根据近似公式S2=0.1*Wh可以得到满足最佳隔离度的值为S2=2.6mm，输入输出微带线宽Wo=2.2mm,过渡段微带长度Lm=15mm。锶-永磁铁氧体材料的介电常数为21.5，宽度Wp=2mm，高度Hp=5mm，长度为L=24mm。钇铁石榴石铁氧体饱和磁化强度4πMs=1800Gauss,介电常数ε=15。
图3示出了两侧导电过孔间距Wh=26mm时微波隔离器的S参数仿真结果。仿真结果表明，隔离器中心频率11.06GHz，按照前反向传输差异-20dB计算有近200MHz的带宽，***损耗小于2dB，此隔离器具有良好的前向传输和反向隔离特性。同时，端口反射系数s11和s22在所述频率范围小于-15dB，具有很好的端口匹配性能。
图4示出了两侧导电过孔间距Wh从22mm变为30mm时对微波隔离器的S参数影响情况的仿真结果。两侧导电过孔间距Wh从22mm变为30mm时，隔离器的中心频率由11.12GHz变为11GHz，中心频率处前向插损由3dB变为0.3dB，隔离度由30dB变为15dB。减小间距Wh，隔离器器的中心频率将会增加，隔离度也会同时增加。因此，可以灵活地两侧导电过孔间距Wh，以满足不同频率的隔离器的设计需求。
由图3和图4中S21和S12的差值可以得到基片集成波导长度为L时的隔离度，在设计基于基片集成波导加载铁氧体隔离器时，可以先根据隔离器频段的需求确定两侧导电过孔间距Wh的大小，得到基片集成波导长度为L时的隔离度，经换算得到单位长度的隔离度（长度L时的隔离度除以L可以得到单位长度的隔离度），然后再根据隔离器隔离度的要求，确定基片集成波导长度为L，从而就可以设计出所需频段的隔离器。
Claims (8)
1.一种基于基片集成波导加载铁氧体的微波隔离器，其特征在于，包括介质基板、软磁铁氧体柱和永磁铁氧体，所述介质基板的上表面和下表面分别设有导电金属层，介质基板上设有两排导电过孔，所述两排导电过孔与上下表面的导电金属层构成基片集成波导，介质基板上还设有位于两排导电过孔之间且与导电过孔平行的一排非导电通孔，所述软磁铁氧体柱位于非导电通孔内，所述永磁铁氧***于软磁铁氧体柱上方。
2.根据权利要求1所述的微波隔离器，其特征在于，所述软磁铁氧体柱的材料为钇铁石榴石铁氧体、镁锰铁氧体或镍锌铁氧体。
3.根据权利要求1所述的微波隔离器，其特征在于，所述永磁铁氧体的材料为锶铁氧体或钡铁氧体。
4.根据权利要求1所述的微波隔离器，其特征在于，所述软磁铁氧体柱为圆柱体状。
5.根据权利要求1所述的微波隔离器，其特征在于，所述永磁铁氧体为长方体状。
6.根据权利要求1所述的微波隔离器，其特征在于，所述介质基板的材料为介电常数介于2-4之间的微波介质板材。
7.根据权利要求1所述的微波隔离器，其特征在于，所述介质基板的上表面的两端还设有微带线，上表面导电金属层与导电过孔垂直的两侧边分别通过阻抗变换与微带线相连。
8.根据权利要求7所述的微波隔离器，其特征在于，所述阻抗变换为梯形状金属片。
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