基于基片集成波導(dǎo)加載鐵氧體的微波隔離器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微波隔離器，具體是一種鐵氧體微波隔離器，更具體是一種基于基片集成波導(dǎo)加載鐵氧體的微波隔離器。
【背景技術(shù)】
[0002]在高性能通信系統(tǒng)中，高隔離、小體積的隔離器有著十分重要的作用。為了保證信號(hào)傳輸時(shí)前反向隔離以保護(hù)前級(jí)電路，特別是在兩級(jí)大功率器件之間，高性能隔離器是必不可少的器件之一。近年來，隨著通信、雷達(dá)等技術(shù)的發(fā)展，微波技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用，這些領(lǐng)域的主流技術(shù)為平面微波電路，因此對(duì)微波隔離器的性能、體積特別是平面集成能力提出了更高的要求。微波段的隔離器常采用金屬波導(dǎo)加載的鐵氧體隔離器，雖然能夠耐受較高的微波功率，但這種結(jié)構(gòu)的隔離器往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴、且不易與平面電路集成，不能滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)集成化、高性能隔離器的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于與平面電路集成的高性能微波隔離器。
[0004]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種基于基片集成波導(dǎo)加載鐵氧體的微波隔離器，包括介質(zhì)基板、軟磁鐵氧體柱和永磁鐵氧體，介質(zhì)基板的上表面和下表面分別設(shè)有導(dǎo)電金屬層，介質(zhì)基板上設(shè)有兩排導(dǎo)電過孔，兩排導(dǎo)電過孔與上下表面的導(dǎo)電金屬層構(gòu)成基片集成波導(dǎo)，介質(zhì)基板上還設(shè)有位于兩排導(dǎo)電過孔之間且與導(dǎo)電過孔平行的一排非導(dǎo)電通孔，軟磁鐵氧體柱位于非導(dǎo)電通孔內(nèi)，永磁鐵氧體位于軟磁鐵氧體柱上方。
[0005]進(jìn)一步地，軟磁鐵氧體柱的材料為釔鐵石榴石鐵氧體、鎂錳鐵氧體或鎳鋅鐵氧體。
[0006]進(jìn)一步地，永磁鐵氧體的材料為鎖鐵氧體或鋇鐵氧體。
[0007]進(jìn)一步地，軟磁鐵氧體柱為圓柱體狀。
[0008]進(jìn)一步地，永磁鐵氧體為長方體狀。
[0009]進(jìn)一步地，介質(zhì)基板的材料為介電常數(shù)介于2-4之間的微波介質(zhì)板材。
[0010]進(jìn)一步地，介質(zhì)基板的上表面的兩端還設(shè)有微帶線，上表面導(dǎo)電金屬層與導(dǎo)電過孔垂直的兩側(cè)邊分別通過阻抗變換與微帶線相連。
[0011 ] 進(jìn)一步地，上述阻抗變換為梯形狀金屬片。
[0012]改變兩側(cè)導(dǎo)電過孔的間距以及軟磁鐵氧體柱的位置可以設(shè)計(jì)出工作在不同頻段的微波隔離器器。
[0013]工作原理:基片集成波導(dǎo)的基本結(jié)構(gòu)是上下表面為金屬層，中間為低損耗介質(zhì)基片，然后在介質(zhì)上添加兩排金屬通孔或者金屬柱，這樣就可以在介質(zhì)基片上實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)矩形金屬波導(dǎo)的傳輸特性，其電磁波主模式為TEltl模式。通過在基片集成波導(dǎo)中引入軟磁鐵氧體柱線陣，這些軟磁鐵氧體柱由鍶鐵氧體等硬磁鐵氧體塊提供偏置磁場(chǎng)。在軟磁鐵氧體柱的旋磁共振點(diǎn)附近，前反向傳播的電磁波具有不同的衰減常數(shù)，因此利用這一效應(yīng)在很薄的介質(zhì)基板上構(gòu)建隔離器。
[0014]有益效果:本發(fā)明提出一種在基片集成波導(dǎo)中嵌入鐵氧體柱線陣的微波隔離器(簡(jiǎn)稱“隔離器”)。這種隔離器不僅具有插損小、隔離度高等優(yōu)點(diǎn)，而且還有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)與平面微波電路集成等優(yōu)勢(shì)。通過改變兩側(cè)導(dǎo)電過孔的間距以及軟磁鐵氧體柱線陣的位置可以設(shè)計(jì)出不同頻段的隔離器。這種平面結(jié)構(gòu)為基于微波隔離器件的實(shí)際應(yīng)用提供了極為便利的應(yīng)用條件。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。
[0017]圖3為本發(fā)明的S參數(shù)仿真結(jié)果圖。
[0018]圖4為兩側(cè)導(dǎo)電過孔間距Wh對(duì)隔離器性能的影響結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0020]圖1示出了本發(fā)明所述的微波隔離器的三維立體結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例提供的一種基于基片集成波導(dǎo)加載鐵氧體的微波隔離器，矩形介質(zhì)基板I可采用介電常數(shù)介于2-4之間的微波介質(zhì)板材，其上表面和下表面分別設(shè)有導(dǎo)電金屬層，一般為覆銅層。介質(zhì)基板I上設(shè)有兩排平行的導(dǎo)電過孔2，與上下表面的覆銅層構(gòu)成矩形基片集成波導(dǎo)，介質(zhì)基板I上還設(shè)有位于兩排導(dǎo)電過孔2之間且與導(dǎo)電過孔2平行的一排非導(dǎo)電通孔3，每個(gè)導(dǎo)電通孔3內(nèi)置軟磁鐵氧體柱，軟磁鐵氧體柱可為圓柱狀，其材料可采用釔鐵石榴石鐵氧體、鎂錳鐵氧體或鎳鋅鐵氧體等。軟磁鐵氧體柱上方設(shè)有提供偏置磁場(chǎng)的永磁鐵氧體4，永磁鐵氧體4可為長方體狀，其材料采用鍶鐵氧體或鋇鐵氧體等。
[0021 ] 介質(zhì)基板I的上表面的兩端還設(shè)有微帶線5，上表面的矩形金屬層與導(dǎo)電過孔2垂直的兩側(cè)邊分別通過阻抗變換6與微帶線5相連。微帶線5為條狀金屬片，阻抗變換6為梯形狀金屬片，基板I的下表面的金屬層覆蓋整塊基板I。
[0022]圖2示出了本發(fā)明仿真測(cè)試用的實(shí)施例的微波隔離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。本實(shí)施例中，介質(zhì)基板介電常數(shù)2.6，厚度H=lmm，寬度W=36mm。導(dǎo)電過孔和紀(jì)鐵石植石鐵氧體圓柱直徑Φ=0.4mm，間距Sl=L 4mm，兩側(cè)導(dǎo)電過孔間距Wh=26mm，鐵氧體圓柱線陣距同側(cè)導(dǎo)電過孔S2根據(jù)近似公式S2=0.l*Wh可以得到滿足最佳隔離度的值為S2=2.6_，輸入輸出微帶線寬Wo=2.2mm,過渡段微帶長度Lm=15mm。鍶-永磁鐵氧體材料的介電常數(shù)為21.5，寬度ffp=2mm,高度Hp=5mm，長度為L=24mm。紀(jì)鐵石植石鐵氧體飽和磁化強(qiáng)度4 π Ms=1800Gauss,介電常數(shù)ε =15。
[0023]圖3示出了兩側(cè)導(dǎo)電過孔間距Wh=26mm時(shí)微波隔離器的S參數(shù)仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，隔離器中心頻率11.06GHz，按照前反向傳輸差異-20dB計(jì)算有近200MHz的帶寬，插入損耗小于2dB，此隔離器具有良好的前向傳輸和反向隔離特性。同時(shí)，端口反射系數(shù)sll和s22在所述頻率范圍小于-15dB，具有很好的端口匹配性能。
[0024]圖4示出了兩側(cè)導(dǎo)電過孔間距Wh從22mm變?yōu)?0mm時(shí)對(duì)微波隔離器的S參數(shù)影響情況的仿真結(jié)果。兩側(cè)導(dǎo)電過孔間距Wh從22mm變?yōu)?0mm時(shí)，隔離器的中心頻率由
11.12GHz變?yōu)镮 IGHz，中心頻率處前向插損由3dB變?yōu)?.3dB，隔離度由30dB變?yōu)?5dB。減小間距Wh，隔離器器的中心頻率將會(huì)增加，隔離度也會(huì)同時(shí)增加。因此，可以靈活地兩側(cè)導(dǎo)電過孔間距Wh，以滿足不同頻率的隔離器的設(shè)計(jì)需求。
[0025]由圖3和圖4中S21和S12的差值可以得到基片集成波導(dǎo)長度為L時(shí)的隔離度，在設(shè)計(jì)基于基片集成波導(dǎo)加載鐵氧體隔離器時(shí)，可以先根據(jù)隔離器頻段的需求確定兩側(cè)導(dǎo)電過孔間距Wh的大小，得到基片集成波導(dǎo)長度為L時(shí)的隔離度，經(jīng)換算得到單位長度的隔離度(長度L時(shí)的隔離度除以L可以得到單位長度的隔離度)，然后再根據(jù)隔離器隔離度的要求，確定基片集成波導(dǎo)長度為L，從而就可以設(shè)計(jì)出所需頻段的隔離器。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于基片集成波導(dǎo)加載鐵氧體的微波隔離器，其特征在于，包括介質(zhì)基板、軟磁鐵氧體柱和永磁鐵氧體，所述介質(zhì)基板的上表面和下表面分別設(shè)有導(dǎo)電金屬層，介質(zhì)基板上設(shè)有兩排導(dǎo)電過孔，所述兩排導(dǎo)電過孔與上下表面的導(dǎo)電金屬層構(gòu)成基片集成波導(dǎo)，介質(zhì)基板上還設(shè)有位于兩排導(dǎo)電過孔之間且與導(dǎo)電過孔平行的一排非導(dǎo)電通孔，所述軟磁鐵氧體柱位于非導(dǎo)電通孔內(nèi)，所述永磁鐵氧體位于軟磁鐵氧體柱上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波隔離器，其特征在于，所述軟磁鐵氧體柱的材料為釔鐵石榴石鐵氧體、鎂錳鐵氧體或鎳鋅鐵氧體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波隔離器，其特征在于，所述永磁鐵氧體的材料為鍶鐵氧體或鋇鐵氧體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波隔離器，其特征在于，所述軟磁鐵氧體柱為圓柱體狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波隔離器，其特征在于，所述永磁鐵氧體為長方體狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波隔離器，其特征在于，所述介質(zhì)基板的材料為介電常數(shù)介于2-4之間的微波介質(zhì)板材。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波隔離器，其特征在于，所述介質(zhì)基板的上表面的兩端還設(shè)有微帶線，上表面導(dǎo)電金屬層與導(dǎo)電過孔垂直的兩側(cè)邊分別通過阻抗變換與微帶線相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微波隔離器，其特征在于，所述阻抗變換為梯形狀金屬片。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于基片集成波導(dǎo)加載鐵氧體的微波隔離器，包括介質(zhì)基板、軟磁鐵氧體柱和永磁鐵氧體，所述介質(zhì)基板的上表面和下表面分別設(shè)有導(dǎo)電金屬層，介質(zhì)基板上設(shè)有兩排導(dǎo)電過孔，所述兩排導(dǎo)電過孔與上下表面的導(dǎo)電金屬層構(gòu)成基片集成波導(dǎo)，介質(zhì)基板上還設(shè)有位于兩排導(dǎo)電過孔之間且與導(dǎo)電過孔平行的一排非導(dǎo)電通孔，所述軟磁鐵氧體柱位于非導(dǎo)電通孔內(nèi)，所述永磁鐵氧體位于軟磁鐵氧體柱上方。本發(fā)明的微波隔離器器具有體積小，重量輕，易于平面集成等特性，同時(shí)還有散熱好、成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)。
【IPC分類】H01P1-36
【公開號(hào)】CN104577281
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510031569
【發(fā)明人】李鎮(zhèn), 伍瑞新, 樓群
【申請(qǐng)人】南京大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月21日