一種w波段環(huán)形器的制造方法
【專利摘要】一種W波段環(huán)行器，屬于微波無(wú)源器件領(lǐng)域。包括位于環(huán)形器中心的鐵氧體中心結(jié)，與鐵氧體中心結(jié)相連且形成“Y”型結(jié)構(gòu)的三個(gè)基片集成波導(dǎo)，用于基片集成波導(dǎo)與微帶線匹配的轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)，用于信號(hào)輸出的微帶線；所述鐵氧體中心結(jié)為圓柱體，所述鐵氧體中心結(jié)上施加一方向垂直于環(huán)形器的偏置磁場(chǎng)。本發(fā)明W波段環(huán)行器中采用基片集成波導(dǎo)作為傳輸線，實(shí)現(xiàn)了W波段環(huán)行器的小型化、集成化和高性能。
【專利說(shuō)明】
一種W波段環(huán)形器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于微波無(wú)源器件領(lǐng)域，具體涉及一種W波段環(huán)形器。
【背景技術(shù)】
[0002]W波段位于毫米波與亞毫米波之間，目前正處于開拓和發(fā)展的階段。94GHz作為一個(gè)毫米波的傳播“窗口”，其大氣衰減小，對(duì)云、霧、灰塵、煙和帶懸浮粒子氣體、戰(zhàn)場(chǎng)污染環(huán)境穿透能力強(qiáng)，地物散射小，具有全天候工作能力和較低的海雜波干擾，且94GHz接近云粒子的尺寸，因而地基94GHz(多普勒)雷達(dá)已成為探測(cè)云垂直結(jié)構(gòu)的主要工具。在測(cè)控和通信方面，94GHz不僅能夠用于探測(cè)地面和空中金屬目標(biāo)，而且能夠探測(cè)地面高溫涂層隱身目標(biāo)和空中涂層隱身目標(biāo)，對(duì)航天測(cè)控和遠(yuǎn)程小數(shù)據(jù)量通信具有重要的意義。
[0003]環(huán)行器是一種常用的微波鐵氧體器件，主要利用鐵氧體的旋磁特性和非線性效應(yīng)完成定向傳輸，在微波電路系統(tǒng)中起著隔離、保護(hù)電路和單向傳輸能量的作用。在相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，環(huán)行器作為隔離發(fā)射、接收信號(hào)，共用一組天線的關(guān)鍵器件起著至關(guān)重要的作用。隨著通訊事業(yè)的發(fā)展，微波通信系統(tǒng)集成化趨勢(shì)愈加明顯，這就對(duì)環(huán)行器的小型化、集成化和高性能提出了更高的要求。
[0004]現(xiàn)有的W波段環(huán)行器主要為W波段部分高度鐵氧體的H面矩形波導(dǎo)環(huán)行器，采用矩形波導(dǎo)(aXb = 2.54X 1.27mm2)作為傳輸線，部分高度鐵氧體和金屬臺(tái)階進(jìn)行結(jié)內(nèi)匹配，隔離度大于19dB時(shí)有2GHz的帶寬;W波段Y結(jié)環(huán)行器，采用矩形波導(dǎo)作為傳輸線，介質(zhì)匹配層進(jìn)行結(jié)內(nèi)匹配，并且應(yīng)用第二個(gè)高階傳播模式實(shí)現(xiàn)了7GHz的帶寬，插入損耗小于0.5dB，隔離度大于20dB。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)【背景技術(shù)】存在的缺陷，提出了一種新型的W波段環(huán)行器。本發(fā)明W波段環(huán)行器中采用基片集成波導(dǎo)作為傳輸線，實(shí)現(xiàn)了 W波段環(huán)行器的小型化、集成化和高性能，實(shí)施例得到的環(huán)形器厚度為0.285mm(包括上下兩面的覆銅各0.0175mm，介質(zhì)基板高度
0.25mm)，正六邊形的邊長(zhǎng)為3?3.4mm。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種W波段環(huán)行器，其特征在于，包括
[0008]位于環(huán)形器中心的鐵氧體中心結(jié)；
[0009]與鐵氧體中心結(jié)相連且形成“Y”型結(jié)構(gòu)的三個(gè)基片集成波導(dǎo)；
[0010]用于基片集成波導(dǎo)與微帶線匹配的轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)；
[0011]用于信號(hào)輸出的微帶線；
[0012]所述鐵氧體中心結(jié)為圓柱體；
[0013]所述鐵氧體中心結(jié)上施加一方向垂直于環(huán)形器的偏置磁場(chǎng)。
[0014]進(jìn)一步地，所述基片集成波導(dǎo)-微帶線轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)從基片集成波導(dǎo)端向微帶線端的方向上逐漸變窄，呈現(xiàn)倒梯形的形狀;實(shí)施例采用倒梯形轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)的環(huán)形器六邊形邊長(zhǎng)為3mm，20dB隔離度帶寬為2GHz。
[0015]進(jìn)一步地，所述基片集成波導(dǎo)-微帶線轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)從基片集成波導(dǎo)端向微帶線端的方向上逐漸變寬，呈現(xiàn)正梯形的形狀;實(shí)施例采用正梯形轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)的環(huán)形器六邊形邊長(zhǎng)為3.4mm, 20dB隔離度帶寬為2.4GHz。
[0016]進(jìn)一步地，所述鐵氧體中心結(jié)的厚度與所述基片集成波導(dǎo)的厚度相等。
[0017]上述W波段環(huán)行器的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0018]步驟1:根據(jù)基片集成波導(dǎo)和傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)的等效公式，在滿足輻射損耗條件的情況下設(shè)計(jì)基片集成波導(dǎo)，選擇介質(zhì)基板，確定基板的厚度t、相對(duì)介電常數(shù)Er，確定基片集成波導(dǎo)的寬度《、金屬化通孔直徑D和通孔間距P;
[0019]步驟2:設(shè)計(jì)鐵氧體中心結(jié)，確定鐵氧體材料飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度4jtMs，確定中心結(jié)半徑R和高度h;環(huán)行器為低場(chǎng)器件，其歸一化飽和磁化強(qiáng)度P—般取0.5-0.6，通過(guò)調(diào)節(jié)外加偏置磁場(chǎng)Ho改變歸一化磁化強(qiáng)度，使其產(chǎn)生環(huán)行效果；
[0020]步驟3:設(shè)計(jì)基片集成波導(dǎo)-微帶線轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)以及微帶線，根據(jù)基片集成波導(dǎo)的端口阻抗確定轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)與基片集成波導(dǎo)連接處的寬度Wi，與50 Ω微帶線連接處的寬度W2，轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度?，50Ω微帶線的長(zhǎng)度L2;
[0021]步驟4:根據(jù)步驟1-3得到的參數(shù)搭建環(huán)形器，微調(diào)個(gè)別參數(shù)，使其在所需頻帶傳輸性能、隔離性能良好，端口阻抗為50Ω。
[0022]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明W波段環(huán)行器中采用基片集成波導(dǎo)作為傳輸線，有效減小了環(huán)形器的體積，實(shí)施例得到的環(huán)形器高為0.285mm(包括上下兩面的覆銅各
0.0175mm，介質(zhì)基板高度0.25mm)，正六邊形環(huán)形器的邊長(zhǎng)為3?3.4mm，實(shí)現(xiàn)了 W波段環(huán)行器的小型化、集成化和高性能;本發(fā)明W波段環(huán)形器通過(guò)施加大的偏置磁場(chǎng)(約170000e)，將歸一化飽和磁化強(qiáng)度由-0.15提高到-0.25，加大了鐵氧體中心結(jié)內(nèi)模式分裂，使得分裂模式在隔離端口疊加出現(xiàn)零點(diǎn)，在輸入和輸出端口出現(xiàn)等電壓，從而使基片集成波導(dǎo)環(huán)行器完成在更高頻率的應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明W波段環(huán)行器中基片集成波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明W波段環(huán)行器中基片集成波導(dǎo)的Sn參數(shù)曲線圖；
[0025]圖3為本發(fā)明W波段環(huán)行器中基片集成波導(dǎo)的S12參數(shù)曲線圖；
[0026]圖4為本發(fā)明所述鐵氧體中心結(jié)和基片集成波導(dǎo)組成的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖5為本發(fā)明所述鐵氧體中心結(jié)和基片集成波導(dǎo)組成的結(jié)構(gòu)的Sn參數(shù)曲線圖；
[0028]圖6為本發(fā)明所述鐵氧體中心結(jié)和基片集成波導(dǎo)組成的結(jié)構(gòu)的S12參數(shù)曲線圖；
[0029]圖7為本發(fā)明W波段環(huán)行器中基片集成波導(dǎo)-微帶線轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)的Sn參數(shù)曲線圖；
[0030]圖8為本發(fā)明W波段環(huán)行器中基片集成波導(dǎo)-微帶線轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)的S12參數(shù)曲線圖；[0031 ]圖9為本發(fā)明W波段環(huán)行器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖10為本發(fā)明實(shí)施例1得到的倒梯形基片集成波導(dǎo)-微帶線轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)的環(huán)形器的S參數(shù)曲線圖；
[0033]圖11為本發(fā)明實(shí)施例2得到的正梯形基片集成波導(dǎo)-微帶線轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)的環(huán)形器的S參數(shù)曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0035]一種W波段環(huán)行器，包括:
[0036]位于環(huán)形器中心的鐵氧體中心結(jié)；
[0037]與鐵氧體中心結(jié)相連且形成“Y”型結(jié)構(gòu)的三個(gè)基片集成波導(dǎo)；
[0038]用于基片集成波導(dǎo)與微帶線匹配的轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)；
[0039]用于信號(hào)輸出的微帶線；
[0040]所述鐵氧體中心結(jié)為直圓柱體；
[0041]所述鐵氧體中心結(jié)上施加一方向垂直于環(huán)形器的偏置磁場(chǎng)，使得所述環(huán)形器完成在更高頻率的應(yīng)用。
[0042]實(shí)施例1
[0043]—種W波段環(huán)行器的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0044]步驟1、根據(jù)基片集成波導(dǎo)和傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)的等效公式，在滿足輻射損耗條件的情況下設(shè)計(jì)基片集成波導(dǎo)，基板厚度t = 0.25mm，基片集成波導(dǎo)的寬度w = 2.15mm，金屬化通孔直徑D = 0.3mm，通孔間距p = 0.35mm，相對(duì)介電常數(shù)εr = 2.I;在HFSS中建模分析基片集成波導(dǎo)的傳輸性能，可得在76.8GHz-l 20GHz間基片集成波導(dǎo)的回波損耗大于-36dB，插入損耗小于-0.039dB，性能良好;結(jié)構(gòu)如附圖1所示，S參數(shù)曲線圖如附圖2、3所示；
[0045]步驟2、設(shè)計(jì)鐵氧體中心結(jié):由歸一化飽和磁化強(qiáng)度的公式可知，材料本身的磁化強(qiáng)度越高，越容易產(chǎn)生旋磁作用；當(dāng)應(yīng)用頻率升高，需要選用具有更高的磁化強(qiáng)度的材料，因此，選取市面上可購(gòu)買得到的鐵氧體，其飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度43iMs = 5200GaUSS，相對(duì)介電常數(shù)為15.3，鐵氧體中心結(jié)半徑R = 0.25_，厚度與步驟I所述基板厚度相同；由于外加偏置磁場(chǎng)對(duì)環(huán)行器的環(huán)行效果影響較大，故需優(yōu)先調(diào)節(jié)外加偏置場(chǎng)，通過(guò)增加外偏置磁場(chǎng)使環(huán)行器呈現(xiàn)較好的環(huán)行效果，得到外加偏置磁場(chǎng)Ho= 188100e;鐵氧體中心結(jié)半徑R以及基片集成波導(dǎo)的寬度w對(duì)中心頻率的影響比較大，調(diào)節(jié)R及w，當(dāng)R = 0.3?031 mm，W = 2mm時(shí)，可得到較好的環(huán)形性能;所述鐵氧體中心結(jié)和基片集成波導(dǎo)組成的結(jié)構(gòu)如附圖4所示，S參數(shù)曲線如附圖5、6所示；
[0046]步驟3、設(shè)計(jì)基片集成波導(dǎo)-微帶線轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)以及微帶線:根據(jù)基片集成波導(dǎo)的波阻抗，確定基片集成波導(dǎo)-微帶線轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)及微帶線的初始參數(shù)，轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)與基片集成波導(dǎo)連接處的寬度wi = 0.7mm，與50 Ω微帶線連接處的寬度W2 = 0.8mm，轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度L =0.37mm，50 Ω微帶線的長(zhǎng)度L2 = Imm，經(jīng)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)wi對(duì)傳輸性能的影響很大，優(yōu)先調(diào)節(jié)wi，調(diào)節(jié)Wi = 0.7?0.98mm時(shí)帶寬覆蓋所需頻段，故確定wi = 0.7?0.98mm，然后微調(diào)其他參數(shù)，最終得到W2 = 0.794mm ,12 = 0.3mm，L = 0.3?0.38mm，此時(shí)，在92GHz_95GHz頻段內(nèi)，回波損耗大于-30dB，插入損耗小于-0.22dB，端口阻抗約為50 Ω ；其S參數(shù)曲線圖如附圖7、8所示；
[0047]步驟4:根據(jù)步驟1-3得到的參數(shù)搭建環(huán)形器，如有需要，微調(diào)個(gè)別參數(shù)，使其在所需頻帶傳輸性能、隔離性能良好，最終得到w = 2mm,D = 0.3mm，p = 0.35mm，t = 0.25mm，wi =0.7?0.93mm，W2 = 0.798mm，L = 0.3?0.38mm，L2 = 0.3mm，R = 0.3?0.31111111，覆銅厚度1:1 =0.0175mm;所述環(huán)形器的結(jié)構(gòu)如圖9所示，S參數(shù)曲線圖如附圖10所示。
[0048]由圖10可知，實(shí)施例1得到的采用倒梯形基片集成波導(dǎo)-微帶線轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)的環(huán)行器20dB隔離帶寬為93.06GHz到95.09GHz，插入損耗小于0.35dB。
[0049]實(shí)施例2
[0050]本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別為，所述基片集成波導(dǎo)-微帶線轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)采用從基片集成波導(dǎo)端向微帶線端的方向上逐漸變寬(正梯形)時(shí)，即w2>W1，得到的環(huán)形器20dB隔離帶寬為92.84GHz到95.25GHz，插入損耗小于0.33dB。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種W波段環(huán)行器，其特征在于，包括 位于環(huán)形器中心的鐵氧體中心結(jié)； 與鐵氧體中心結(jié)相連且形成“Y”型結(jié)構(gòu)的三個(gè)基片集成波導(dǎo)； 用于基片集成波導(dǎo)與微帶線匹配的轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)； 用于信號(hào)輸出的微帶線； 所述鐵氧體中心結(jié)為圓柱體； 所述鐵氧體中心結(jié)上施加一方向垂直于環(huán)形器的偏置磁場(chǎng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的W波段環(huán)行器，其特征在于，所述基片集成波導(dǎo)-微帶線轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)從基片集成波導(dǎo)端向微帶線端的方向上逐漸變窄。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的W波段環(huán)行器，其特征在于，所述基片集成波導(dǎo)-微帶線轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)從基片集成波導(dǎo)端向微帶線端的方向上逐漸變寬。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的W波段環(huán)行器，其特征在于，所述鐵氧體中心結(jié)的厚度與所述基片集成波導(dǎo)的厚度相等。5.一種W波段環(huán)行器的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟: 步驟1:根據(jù)基片集成波導(dǎo)和傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)的等效公式，在滿足輻射損耗條件的情況下設(shè)計(jì)基片集成波導(dǎo)，選擇介質(zhì)基板，確定基板的厚度t、相對(duì)介電常數(shù)er，確定基片集成波導(dǎo)的寬度《、金屬化通孔直徑D和通孔間距P; 步驟2:設(shè)計(jì)鐵氧體中心結(jié)，確定鐵氧體材料飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度4jtMs，確定中心結(jié)半徑R和高度h，通過(guò)調(diào)節(jié)外加偏置磁場(chǎng)Ho改變歸一化磁化強(qiáng)度，使其產(chǎn)生環(huán)行效果； 步驟3:設(shè)計(jì)基片集成波導(dǎo)-微帶線轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)以及微帶線，根據(jù)基片集成波導(dǎo)的端口阻抗確定轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)與基片集成波導(dǎo)連接處的寬度Wl，與微帶線連接處的寬度W2，轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度L，微帶線的長(zhǎng)度L2; 步驟4:根據(jù)步驟1-3得到的參數(shù)搭建環(huán)形器。
【文檔編號(hào)】H01P1/387GK105870558SQ201610190976
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月30日
【發(fā)明人】汪曉光, 李麗華, 張宇希, 陳虹宇, 董師伶, 梁新鵬
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)