本發(fā)明涉及微波器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于波導(dǎo)加載鐵氧體的可調(diào)微波隔離器。

背景技術(shù)：

鐵氧體隔離器是一種實(shí)現(xiàn)微波信號單向傳播的非互易二端口微波器件，它允許電磁波從一個(gè)端口單向傳輸?shù)搅硪粋€(gè)端口，損耗很?。欢聪騻鬏敃r(shí)電磁波不能通過，被極大衰減。微波鐵氧體器件是現(xiàn)代通信、雷達(dá)、電子對抗、測量儀器等電子設(shè)備中不可缺少的重要組成部分，最常應(yīng)用于高功率源與負(fù)載之間，以阻斷可能使源受到損害的反射。

傳統(tǒng)常用鐵氧體隔離器，如諧振隔離器，場位移隔離器，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，熱效應(yīng)明顯，且不具備工作頻率可調(diào)特性，因此使用范圍受到限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于波導(dǎo)加載鐵氧體的可調(diào)微波隔離器，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

一種基于波導(dǎo)加載鐵氧體的可調(diào)微波隔離器，包括相對設(shè)置且形狀和尺寸相同的第一介質(zhì)基板和第二介質(zhì)基板，所述第一介質(zhì)基板和第二介質(zhì)基板之間固定有形狀和尺寸相同的第三介質(zhì)基板和第四介質(zhì)基板，所述第一介質(zhì)基板和第二介質(zhì)基板平行，所述第三介質(zhì)基板和第四介質(zhì)基板平行，所述第三介質(zhì)基板一端以及所述第四介質(zhì)基板一端分別垂直固定在所述第一介質(zhì)基板的兩端，所述第三介質(zhì)基板的另一端以及所述第四介質(zhì)基板的另一端分別垂直固定在所述第二介質(zhì)基板的兩端；所述第二介質(zhì)基板在靠近與所述第三介質(zhì)基板連接處的位置開設(shè)有三個(gè)第一過孔，三個(gè)所述第一過孔沿平行于所述第三介質(zhì)基板的方向均勻排列，所述第一介質(zhì)基板上開設(shè)有三個(gè)與三個(gè)所述第一過孔位置一一對應(yīng)的第二過孔，且所述第一過孔和第二過孔的半徑相同，每個(gè)所述第一過孔以及位置對應(yīng)的所述第二過孔中均固定有一個(gè)第一鐵氧體柱；所述第二介質(zhì)基板在靠近與所述第四介質(zhì)基板連接處的位置開設(shè)有三個(gè)第三過孔，三個(gè)所述第三過孔沿平行于所述第四介質(zhì)基板的方向均勻排列，所述第一介質(zhì)基板上開設(shè)有三個(gè)與三個(gè)所述第三過孔位置一一對應(yīng)的第四過孔，且所述第三過孔和第四過孔的半徑相同，每個(gè)所述第三過孔以及位置對應(yīng)的所述第四過孔中均固定有一個(gè)第二鐵氧體柱；所述第一介質(zhì)基板、第二介質(zhì)基板、第三介質(zhì)基板和第四介質(zhì)基板上均覆有導(dǎo)電金屬層；所述第一鐵氧體柱和第二鐵氧體柱在軸線方向上分別加載有大小相同方向相反的外加偏置靜磁場。

優(yōu)選地，以所述第一介質(zhì)基板的長度與所述第三介質(zhì)基板的高度構(gòu)成的波導(dǎo)口允許TE10模式波傳輸。

優(yōu)選地，兩個(gè)相鄰的所述第一過孔之間的距離與兩個(gè)相鄰的所述第三過孔之間的距離相等，所述第一過孔與第三介質(zhì)基板的距離和所述第三過孔與第四介質(zhì)基板的距離相等，所述第一鐵氧體柱的半徑與所述第二鐵氧體柱的半徑相等。

優(yōu)選地，所述第一介質(zhì)基板、第二介質(zhì)基板、第三介質(zhì)基板和第四介質(zhì)基板使用介電常數(shù)在1～4.6之間的復(fù)合材料制成。

優(yōu)選地，所述第一介質(zhì)基板、第二介質(zhì)基板、第三介質(zhì)基板和第四介質(zhì)基板構(gòu)成波導(dǎo)壁，所述波導(dǎo)壁由表面覆銅的結(jié)構(gòu)性材料制成。

優(yōu)選地，所述第一鐵氧體柱和第二鐵氧體柱均為柱狀結(jié)構(gòu)，其材料均為軟磁鐵氧體。

優(yōu)選地，構(gòu)成所述第一鐵氧體柱和第二鐵氧體柱的材料為釔鐵石榴石鐵氧體、鎳鋅鐵氧體、錳鋅鐵氧體和鎂錳鐵氧體中至少一種。

本發(fā)明實(shí)施例中在波導(dǎo)中引入單向電磁邊界態(tài)，設(shè)計(jì)出了一種工作頻段可調(diào)的波導(dǎo)隔離器。周期排列的鐵氧體柱在外加偏置磁場的作用下，通過與電磁波的耦合，激發(fā)了磁表面等離激元，在每組鐵氧體柱表面形成了單向電磁邊界態(tài)。兩組鐵氧體柱沿軸向分別外加偏置方向相反的靜磁場，波導(dǎo)隔離器對不同方向入射的電磁波提供不同的響應(yīng)，分別表現(xiàn)為導(dǎo)通與阻斷特性。改變偏置磁場的大小，可以使磁表面等離激元共振頻率發(fā)生漂移，從而在不改變外形的條件下調(diào)節(jié)隔離器的工作頻段，實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)特性。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明提出的波導(dǎo)隔離器，結(jié)構(gòu)簡單設(shè)計(jì)靈活，改變外形尺寸可以設(shè)計(jì)出不同工作頻段的隔離器；

(2)本發(fā)明中，波導(dǎo)內(nèi)分立的鐵氧體棒有利于器件的散熱，進(jìn)而減少隔離器熱效應(yīng)對器件工作效果的影響；

(3)本發(fā)明提出的波導(dǎo)隔離器，通過改變外加靜磁場，可以在隔離器外形不變的條件下實(shí)現(xiàn)工作頻段可調(diào)，有較好的應(yīng)用前景。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于波導(dǎo)加載鐵氧體的可調(diào)微波隔離器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中隔離器在外加偏置磁場大小H₀＝1800Oe的工作頻段S參數(shù)幅值曲線；

圖3為圖1中隔離器在外加偏置磁場大小H₀＝1400Oe的S參數(shù)幅值曲線；

圖4為圖1中隔離器在外加偏置磁場大小H₀＝1600Oe的S參數(shù)幅值曲線；

圖5為圖1中隔離器在外加偏置磁場大小H₀＝1800Oe的S參數(shù)幅值曲線；

圖6為圖1中隔離器在外加偏置磁場大小H₀＝2000Oe的S參數(shù)幅值曲線。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

參照圖1，本發(fā)明提供了一種基于波導(dǎo)加載鐵氧體的可調(diào)微波隔離器，所述隔離器包括平行且相對設(shè)置的第一介質(zhì)基板100和第二介質(zhì)基板200，所述第一介質(zhì)基板100和第二介質(zhì)基板200的尺寸相同，其長度均為w，且所述第一介質(zhì)基板100和第二介質(zhì)基板200在兩側(cè)面上均覆有導(dǎo)電金屬層，優(yōu)選地，所述第一介質(zhì)基板100和第二介質(zhì)基板200使用介電常數(shù)在1～4.6之間的復(fù)合材料制成，所述導(dǎo)電金屬層為銅或鋁。

所述第一介質(zhì)基板100和第二介質(zhì)基板200之間固定有第三介質(zhì)基板300和第四介質(zhì)基板400，所述第三介質(zhì)基板300和第四介質(zhì)基板400具有相同的尺寸，其高度均為h，所述第三介質(zhì)基板300和第四介質(zhì)基板400分別垂直固定在所述第一介質(zhì)基板100兩端，同時(shí)所述第三介質(zhì)基板300和第四介質(zhì)基板400也分別垂直固定在所述第二介質(zhì)基板200兩端，因此所述第一介質(zhì)基板100、第二介質(zhì)基板200、第三介質(zhì)基板300和第四介質(zhì)基板400組成開口尺寸為h*w的矩形框。所述第三介質(zhì)基板300和第四介質(zhì)基板400在兩側(cè)面上均覆有導(dǎo)電金屬層，優(yōu)選地，所述第三介質(zhì)基板300和第四介質(zhì)基板400使用介電常數(shù)在1～4.6之間的復(fù)合材料制成，所述導(dǎo)電金屬層為銅或鋁。

所述第二介質(zhì)基板200在靠近與所述第三介質(zhì)基板300連接處的位置開設(shè)有三個(gè)半徑為r的第一過孔210，三個(gè)所述第一過孔210沿與所述第三介質(zhì)基板300平行的方向均勻排列，兩個(gè)相鄰的所述第一過孔210的距離相等，均為a，且所述第一過孔210與所述第三介質(zhì)基板300的距離也相等，均為d。所述第一介質(zhì)基板100上開設(shè)有與三個(gè)所述第一過孔210的位置一一對應(yīng)的第二過孔(圖未示)，所述第二過孔的半徑與所述第一過孔210的半徑相同。在本實(shí)施例中，所述第一過孔210和第二過孔內(nèi)部均沒有涂覆所述導(dǎo)電金屬層。

所述第二介質(zhì)基板200在靠近與所述第四介質(zhì)基板400連接處的位置開設(shè)有三個(gè)半徑為r的第三過孔220，三個(gè)所述第三過孔220沿與所述第四介質(zhì)基板400平行的方向均勻排列，兩個(gè)相鄰的所述第三過孔220的距離相等，均為a，且所述第三過孔220與所述第四介質(zhì)基板400的距離也相等，均為d。所述第一介質(zhì)基板100上開設(shè)有與三個(gè)所述第三過孔220的位置一一對應(yīng)的第四過孔(圖未示)，所述第四過孔的半徑與所述第三過孔220的半徑相同。在本實(shí)施例中，所述第三過孔220和第四過孔內(nèi)部均沒有涂覆所述導(dǎo)電金屬層。

所述第一介質(zhì)基板100和第二介質(zhì)基板200之間固定有三個(gè)半徑為r的第一鐵氧體柱500以及三個(gè)半徑為r的第二鐵氧體柱600，三個(gè)所述第一鐵氧體柱500一一對應(yīng)的插入所述第一過孔210中，三個(gè)所述第二鐵氧體柱600一一對應(yīng)的插入所述第三過孔220中。每個(gè)所述第一鐵氧體柱500一端插入所述第一過孔210，另一端插入與被插入的所述第一過孔210對應(yīng)的所述第二過孔中，同時(shí)，每個(gè)所述第二鐵氧體柱600一端插入所述第三過孔220，另一端插入與被插入的所述第三過孔220對應(yīng)的所述第四過孔中。所述第一鐵氧體柱500和第二鐵氧體柱600在軸向上加載有大小相同且方向相反的外加偏置靜磁場H₀。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述第一介質(zhì)基板100、第二介質(zhì)基板200、第三介質(zhì)基板300和第四介質(zhì)基板400構(gòu)成波導(dǎo)壁，其材質(zhì)選用具有一定強(qiáng)度且表面覆銅的結(jié)構(gòu)性材料，優(yōu)選的為介質(zhì)材料FR-4(玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料)，并雙面覆銅。所述第一鐵氧體柱500和第二鐵氧體柱600材質(zhì)選用軟磁鐵氧體材料，可以為釔鐵石榴石鐵氧體、鎳鋅鐵氧體、錳鋅鐵氧體或鎂錳鐵氧體中的至少一種，優(yōu)選為釔鐵石榴石鐵氧體，飽和磁化強(qiáng)度4πM_s＝1600Oe，介電常數(shù)ε_r＝14。設(shè)計(jì)波導(dǎo)端口寬度w＝38mm，所述第一鐵氧體柱500和第二鐵氧體柱600的半徑r＝2mm，高度h＝19mm，間距a＝4mm，間距d＝2mm。即以所述第一介質(zhì)基板100的長度與所述第三介質(zhì)基板300的高度構(gòu)成的波導(dǎo)口允許TE10模式波傳輸。

參照圖2，外加偏置磁場大小固定為H₀＝1800Oe時(shí)，本發(fā)明的S參數(shù)幅值曲線如圖2。結(jié)果表明本實(shí)施例中波導(dǎo)隔離器工作中心頻率為7.25GHz，按反向傳輸系數(shù)S12小于-15dB選取的工作頻段為7.05-7.45GHz，帶寬約為400MHz，帶內(nèi)最小差損小于1dB，表現(xiàn)出良好的正向?qū)ǚ聪蚋綦x特性。

圖3-圖6分別示出不同外加偏置磁場時(shí)，本實(shí)施例中工作頻段的漂移情況。如圖3-圖6所示，當(dāng)外加偏置磁場大小從圖3中1400Oe以200Oe為步長增加到圖6中2000Oe時(shí)，波導(dǎo)隔離器的工作頻段明顯向高頻漂移，表現(xiàn)出良好的工作頻段可調(diào)特性。值得注意的是，當(dāng)外加偏置磁場均勻變化時(shí)，隔離器的工作頻段也按比例變化，通過計(jì)算可較容易的設(shè)計(jì)出不同工作頻段需求的波導(dǎo)隔離器。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實(shí)施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。