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，屬于微波無源器件領域。包括位于環(huán)形器中心的鐵氧體中心結，與鐵氧體中心結相連且形成“Y”型結構的三個基片集成波導，用于基片集成波導與微帶線匹配的轉接結構，用于信號輸出的微帶線；所述鐵氧體中心結為圓柱體，所述鐵氧體中心結上施加一方向垂直于環(huán)形器的偏置磁場。本發(fā)明W波段環(huán)行器中采用基片集成波導作為傳輸線，實現了W波段環(huán)行器的小型化、集成化和高性能。
【專利說明】
一種W波段環(huán)形器
技術領域
[0001 ]本發(fā)明屬于微波無源器件領域，具體涉及一種W波段環(huán)形器。
【背景技術】
[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作為一個毫米波的傳播“窗口”，其大氣衰減小，對云、霧、灰塵、煙和帶懸浮粒子氣體、戰(zhàn)場污染環(huán)境穿透能力強，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)雷達已成為探測云垂直結構的主要工具。在測控和通信方面，94GHz不僅能夠用于探測地面和空中金屬目標，而且能夠探測地面高溫涂層隱身目標和空中涂層隱身目標，對航天測控和遠程小數據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完成定向傳輸，在微波電路系統(tǒng)中起著隔離、保護電路和單向傳輸能量的作用。在相控陣雷達系統(tǒng)中，環(huán)行器作為隔離發(fā)射、接收信號，共用一組天線的關鍵器件起著至關重要的作用。隨著通訊事業(yè)的發(fā)展，微波通信系統(tǒng)集成化趨勢愈加明顯，這就對環(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面矩形波導環(huán)行器，采用矩形波導(aXb = 2.54X 1.27mm2)作為傳輸線，部分高度鐵氧體和金屬臺階進行結內匹配，隔離度大于19dB時有2GHz的帶寬;W波段Y結環(huán)行器，采用矩形波導作為傳輸線，介質匹配層進行結內匹配，并且應用第二個高階傳播模式實現了7GHz的帶寬，插入損耗小于0.5dB，隔離度大于20dB。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明針對【背景技術】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作為傳輸線，實現了 W波段環(huán)行器的小型化、集成化和高性能，實施例得到的環(huán)形器厚度為0.285mm(包括上下兩面的覆銅各0.0175mm，介質基板高度
0.25mm)，正六邊形的邊長為3?3.4mm。
[0006]本發(fā)明的技術方案如下:
[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；
[0009]與鐵氧體中心結相連且形成“Y”型結構的三個基片集成波導；
[0010]用于基片集成波導與微帶線匹配的轉接結構；
[0011]用于信號輸出的微帶線；
[0012]所述鐵氧體中心結為圓柱體；
[0013]所述鐵氧體中心結上施加一方向垂直于環(huán)形器的偏置磁場。
[0014]進一步地，所述基片集成波導-微帶線轉接結構從基片集成波導端向微帶線端的方向上逐漸變窄，呈現倒梯形的形狀;實施例采用倒梯形轉接結構的環(huán)形器六邊形邊長為3mm，20dB隔離度帶寬為2GHz。
[0015]進一步地，所述基片集成波導-微帶線轉接結構從基片集成波導端向微帶線端的方向上逐漸變寬，呈現正梯形的形狀;實施例采用正梯形轉接結構的環(huán)形器六邊形邊長為3.4mm, 20dB隔離度帶寬為2.4GHz。
[0016]進一步地，所述鐵氧體中心結的厚度與所述基片集成波導的厚度相等。
[0017]上述W波段環(huán)行器的設計方法，包括以下步驟:
[0018]步驟1:根據基片集成波導和傳統(tǒng)矩形波導的等效公式，在滿足輻射損耗條件的情況下設計基片集成波導，選擇介質基板，確定基板的厚度t、相對介電常數Er，確定基片集成波導的寬度《、金屬化通孔直徑D和通孔間距P;
[0019]步驟2:設計鐵氧體中心結，確定鐵氧體材料飽和磁場強度4jtMs，確定中心結半徑R和高度h;環(huán)行器為低場器件，其歸一化飽和磁化強度P—般取0.5-0.6，通過調節(jié)外加偏置磁場Ho改變歸一化磁化強度，使其產生環(huán)行效果；
[0020]步驟3:設計基片集成波導-微帶線轉接結構以及微帶線，根據基片集成波導的端口阻抗確定轉接結構與基片集成波導連接處的寬度Wi，與50 Ω微帶線連接處的寬度W2，轉接結構的長度?，50Ω微帶線的長度L2;
[0021]步驟4:根據步驟1-3得到的參數搭建環(huán)形器，微調個別參數，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作為傳輸線，有效減小了環(huán)形器的體積，實施例得到的環(huán)形器高為0.285mm(包括上下兩面的覆銅各
0.0175mm，介質基板高度0.25mm)，正六邊形環(huán)形器的邊長為3?3.4mm，實現了 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)形器通過施加大的偏置磁場(約170000e)，將歸一化飽和磁化強度由-0.15提高到-0.25，加大了鐵氧體中心結內模式分裂，使得分裂模式在隔離端口疊加出現零點，在輸入和輸出端口出現等電壓，從而使基片集成波導環(huán)行器完成在更高頻率的應用。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明W波段環(huán)行器中基片集成波導的結構示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明W波段環(huán)行器中基片集成波導的Sn參數曲線圖；
[0025]圖3為本發(fā)明W波段環(huán)行器中基片集成波導的S12參數曲線圖；
[0026]圖4為本發(fā)明所述鐵氧體中心結和基片集成波導組成的結構示意圖；
[0027]圖5為本發(fā)明所述鐵氧體中心結和基片集成波導組成的結構的Sn參數曲線圖；
[0028]圖6為本發(fā)明所述鐵氧體中心結和基片集成波導組成的結構的S12參數曲線圖；
[0029]圖7為本發(fā)明W波段環(huán)行器中基片集成波導-微帶線轉接結構的Sn參數曲線圖；
[0030]圖8為本發(fā)明W波段環(huán)行器中基片集成波導-微帶線轉接結構的S12參數曲線圖；[0031 ]圖9為本發(fā)明W波段環(huán)行器的結構示意圖；
[0032]圖10為本發(fā)明實施例1得到的倒梯形基片集成波導-微帶線轉接結構的環(huán)形器的S參數曲線圖；
[0033]圖11為本發(fā)明實施例2得到的正梯形基片集成波導-微帶線轉接結構的環(huán)形器的S參數曲線圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖和實施例，詳述本發(fā)明的技術方案。
[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；
[0037]與鐵氧體中心結相連且形成“Y”型結構的三個基片集成波導；
[0038]用于基片集成波導與微帶線匹配的轉接結構；
[0039]用于信號輸出的微帶線；
[0040]所述鐵氧體中心結為直圓柱體；
[0041]所述鐵氧體中心結上施加一方向垂直于環(huán)形器的偏置磁場，使得所述環(huán)形器完成在更高頻率的應用。
[0042]實施例1
[0043]—種W波段環(huán)行器的設計方法，包括以下步驟:
[0044]步驟1、根據基片集成波導和傳統(tǒng)矩形波導的等效公式，在滿足輻射損耗條件的情況下設計基片集成波導，基板厚度t = 0.25mm，基片集成波導的寬度w = 2.15mm，金屬化通孔直徑D = 0.3mm，通孔間距p = 0.35mm，相對介電常數εr = 2.I;在HFSS中建模分析基片集成波導的傳輸性能，可得在76.8GHz-l 20GHz間基片集成波導的回波損耗大于-36dB，插入損耗小于-0.039dB，性能良好;結構如附圖1所示，S參數曲線圖如附圖2、3所示；
[0045]步驟2、設計鐵氧體中心結:由歸一化飽和磁化強度的公式可知，材料本身的磁化強度越高，越容易產生旋磁作用；當應用頻率升高，需要選用具有更高的磁化強度的材料，因此，選取市面上可購買得到的鐵氧體，其飽和磁場強度43iMs = 5200GaUSS，相對介電常數為15.3，鐵氧體中心結半徑R = 0.25_，厚度與步驟I所述基板厚度相同；由于外加偏置磁場對環(huán)行器的環(huán)行效果影響較大，故需優(yōu)先調節(jié)外加偏置場，通過增加外偏置磁場使環(huán)行器呈現較好的環(huán)行效果，得到外加偏置磁場Ho= 188100e;鐵氧體中心結半徑R以及基片集成波導的寬度w對中心頻率的影響比較大，調節(jié)R及w，當R = 0.3?031 mm，W = 2mm時，可得到較好的環(huán)形性能;所述鐵氧體中心結和基片集成波導組成的結構如附圖4所示，S參數曲線如附圖5、6所示；
[0046]步驟3、設計基片集成波導-微帶線轉接結構以及微帶線:根據基片集成波導的波阻抗，確定基片集成波導-微帶線轉接結構及微帶線的初始參數，轉接結構與基片集成波導連接處的寬度wi = 0.7mm，與50 Ω微帶線連接處的寬度W2 = 0.8mm，轉接結構的長度L =0.37mm，50 Ω微帶線的長度L2 = Imm，經調試，發(fā)現wi對傳輸性能的影響很大，優(yōu)先調節(jié)wi，調節(jié)Wi = 0.7?0.98mm時帶寬覆蓋所需頻段，故確定wi = 0.7?0.98mm，然后微調其他參數，最終得到W2 = 0.794mm ,12 = 0.3mm，L = 0.3?0.38mm，此時，在92GHz_95GHz頻段內，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參數曲線圖如附圖7、8所示；
[0047]步驟4:根據步驟1-3得到的參數搭建環(huán)形器，如有需要，微調個別參數，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)形器的結構如圖9所示，S參數曲線圖如附圖10所示。
[0048]由圖10可知，實施例1得到的采用倒梯形基片集成波導-微帶線轉接結構的環(huán)行器20dB隔離帶寬為93.06GHz到95.09GHz，插入損耗小于0.35dB。
[0049]實施例2
[0050]本實施例與實施例1的區(qū)別為，所述基片集成波導-微帶線轉接結構采用從基片集成波導端向微帶線端的方向上逐漸變寬(正梯形)時，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。
【主權項】
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； 與鐵氧體中心結相連且形成“Y”型結構的三個基片集成波導； 用于基片集成波導與微帶線匹配的轉接結構； 用于信號輸出的微帶線； 所述鐵氧體中心結為圓柱體； 所述鐵氧體中心結上施加一方向垂直于環(huán)形器的偏置磁場。2.根據權利要求1所述的W波段環(huán)行器，其特征在于，所述基片集成波導-微帶線轉接結構從基片集成波導端向微帶線端的方向上逐漸變窄。3.根據權利要求1所述的W波段環(huán)行器，其特征在于，所述基片集成波導-微帶線轉接結構從基片集成波導端向微帶線端的方向上逐漸變寬。4.根據權利要求1所述的W波段環(huán)行器，其特征在于，所述鐵氧體中心結的厚度與所述基片集成波導的厚度相等。5.一種W波段環(huán)行器的設計方法，包括以下步驟: 步驟1:根據基片集成波導和傳統(tǒng)矩形波導的等效公式，在滿足輻射損耗條件的情況下設計基片集成波導，選擇介質基板，確定基板的厚度t、相對介電常數er，確定基片集成波導的寬度《、金屬化通孔直徑D和通孔間距P; 步驟2:設計鐵氧體中心結，確定鐵氧體材料飽和磁場強度4jtMs，確定中心結半徑R和高度h，通過調節(jié)外加偏置磁場Ho改變歸一化磁化強度，使其產生環(huán)行效果； 步驟3:設計基片集成波導-微帶線轉接結構以及微帶線，根據基片集成波導的端口阻抗確定轉接結構與基片集成波導連接處的寬度Wl，與微帶線連接處的寬度W2，轉接結構的長度L，微帶線的長度L2; 步驟4:根據步驟1-3得到的參數搭建環(huán)形器。
【文檔編號】H01P1/387GK105870558SQ201610190976
【公開日】2016年8月17日
【申請日】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
【申請人】電子科技大學