專利名稱：基片集成波導(dǎo)環(huán)行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
二十世紀(jì)四十年代中后期，微波鐵氧體器件就開始登上歷史舞臺，但這類器件85%以上都作為軍品，需求有限。到了二十世紀(jì)九十年代，微波鐵氧體器件的應(yīng)用迅速擴(kuò)展到民用通訊、能源技術(shù)、工農(nóng)醫(yī)等領(lǐng)域，并逐漸在衛(wèi)星通信、微波通信、微波能應(yīng)用、醫(yī)療、微波測量技術(shù)等多種電子設(shè)備中起著特殊的作用，需求日益增加。隨著通訊事業(yè)的發(fā)展，微波通訊等設(shè)備的整機(jī)朝著集成化方向發(fā)展，微波鐵氧體器件，如環(huán)行器、隔離器等也必須順應(yīng)整機(jī)發(fā)展方向發(fā)展。例如，相控陣?yán)走_(dá)在其雷達(dá)陣列中所需的移相器、環(huán)行器至少要有幾百上千的數(shù)量，而有的雷達(dá)中其數(shù)量多達(dá)萬計，因此其整機(jī)的體積大小將受鐵氧體器件的大小限制。因此，環(huán)行器的小型化、集成化成為一種發(fā)展趨勢?；刹▽?dǎo)(Substrate Integrated Waveguide簡稱SIW)是一種新型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，它源于矩形波導(dǎo)和微帶線，具有低成本、低損耗、高Q值和可高密度集成于微波毫米波電路及其子系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)?；刹▽?dǎo)技術(shù)發(fā)展迅猛，其產(chǎn)品有基片集成波導(dǎo)濾波器、基片集成波導(dǎo)定向耦合器、基片集成波導(dǎo)一微帶線轉(zhuǎn)接器等無源器件。基片集成波導(dǎo)已逐漸成為微波傳輸線及器件的一個重要發(fā)展方向。鐵氧體微波器件是利用微波在鐵氧體媒質(zhì)中的非互易傳播效應(yīng)設(shè)計制成的。環(huán)行器是最常用的微波鐵氧體器件之一，是一種具有定向傳輸?shù)奶攸c(diǎn)非互易性器件。環(huán)行器的種類很多，常用的有傳統(tǒng)的矩形波導(dǎo)結(jié)環(huán)形器，隨著微帶線的發(fā)展，也產(chǎn)生了微帶結(jié)環(huán)行器。傳統(tǒng)的矩形波導(dǎo)結(jié)環(huán)行器具有高品質(zhì)因數(shù)、低損耗、溫度特性好、高功率容量等優(yōu)點(diǎn)，但它們體積大、加工工藝和調(diào)試過程復(fù)雜、系統(tǒng)造價昂貴、維護(hù)困難。平面結(jié)構(gòu)的微帶環(huán)行器體積小、重量輕、易集成、造價低，但電路中電磁波的泄漏和輻射比較嚴(yán)重，電路的插入損耗大、Q值比較低、最不足的是功率較小，不能滿足需求?；谇懊嫠龅膬煞N環(huán)行器存在的的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，本發(fā)明基片集成波導(dǎo)環(huán)行器結(jié)合了前面兩種環(huán)行器的優(yōu)點(diǎn)，克服了他們存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明基片集成波導(dǎo)環(huán)行器具有體積小、功率大、損耗低、易集成、造價低等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種小型化、大功率、可集成化、低成本的環(huán)行器，在X波段(8.2GHz 12.5GHz)內(nèi)具有高隔離性能，低插入損耗和低端口駐波。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，基片集成波導(dǎo)環(huán)行器，在雙面覆有金屬層的介質(zhì)基板上，設(shè)置有三個互成120°角的基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及中心鐵氧體柱，基片集成波導(dǎo)由金屬化通孔排列構(gòu)成，其特征在于，在介質(zhì)基板的上表面，三個波導(dǎo)內(nèi)設(shè)置有微帶匹配線，第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)的內(nèi)嵌微帶匹配線連接有50歐姆標(biāo)準(zhǔn)微帶線，50歐姆標(biāo)準(zhǔn)微帶線的端口垂直于基板的邊緣；三個波導(dǎo)寬度s相同，5.9mm<S<8.9_，金屬化通孔的孔間距為P，p/d < 2，d為金屬化通孔的直徑。
本發(fā)明基片集成波導(dǎo)環(huán)行器，與現(xiàn)有X波段結(jié)環(huán)行器的技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)如下:(I)比傳統(tǒng)波導(dǎo)結(jié)環(huán)行器體積小很多，易加工調(diào)試，生產(chǎn)維護(hù)成本低，可實(shí)現(xiàn)器件和系統(tǒng)的集成。(2)比現(xiàn)有微帶結(jié)環(huán)行器功率容量大，插入損耗低。


圖1為本發(fā)明基片集成波導(dǎo)環(huán)行器。其中，I為中心結(jié)，2為內(nèi)嵌微帶匹配線，3為放置鐵氧體柱的圓形通孔，4為金屬化通孔，5為介質(zhì)基板，6為50Ω的標(biāo)準(zhǔn)微帶阻抗線。圖2為本發(fā)明基片集成波導(dǎo)環(huán)行器俯視圖。圖3為本發(fā)明基片集成波導(dǎo)環(huán)行器仰視圖。圖4為本發(fā)明基片集成波導(dǎo)環(huán)行的偏置磁化鐵氧體圖。圖5為本發(fā)明基片集成波導(dǎo)環(huán)行器的具體實(shí)施例1的端口一的反射和隔離曲線圖。圖6為本發(fā)明基片集成波導(dǎo)環(huán)行器的具體實(shí)施例1的端口二的反射和隔離曲線圖。圖7為本發(fā)明基片集成波導(dǎo)環(huán)行器的具體實(shí)施例1的端口三的反射和隔離曲線圖。圖8為本發(fā)明基片集成波導(dǎo)環(huán)行器的具體實(shí)施例1的三個端口的傳輸性能曲線圖。圖9為本發(fā)明基片集成波導(dǎo)環(huán)行器的具體實(shí)施例1的三個端口的駐波曲線圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的基片集成波導(dǎo)環(huán)行器由中心結(jié)、介質(zhì)基板、偏置磁化鐵氧體、內(nèi)嵌微帶匹配線及相當(dāng)于波導(dǎo)窄邊的金屬化通孔和50Ω標(biāo)準(zhǔn)微帶線組成，其中，介質(zhì)基板兩面覆銅，頂層為刻蝕的微帶電路，如圖1所示。在介質(zhì)基板的正中間開有圓形通孔，在四周開有相當(dāng)于矩形波導(dǎo)窄邊的金屬化通孔，金屬化通孔和介質(zhì)基板一構(gòu)成基片集成波導(dǎo)，中心的圓形通孔用于放置偏置磁化鐵氧體，如圖2所示。底層為覆銅層，如圖3所示。本發(fā)明基片集成波導(dǎo)環(huán)行器的端口利用內(nèi)嵌微帶匹配線四將Y結(jié)變成T型接頭，便于器件和系統(tǒng)的集成，如圖1所示。內(nèi)嵌微帶匹配線2采用線性漸變的三角形過渡，將中心結(jié)的阻抗過渡到50 Ω標(biāo)準(zhǔn)微帶阻抗線6，如圖2所示。采用內(nèi)嵌微帶線一方面可以減小器件的體積，另一方面可以增加基片集成波導(dǎo)與微帶傳輸線間的耦合，降低插損。由于SIW對頻率變化的敏感度要強(qiáng)于微帶對頻率的變化，所以，此處Y型接頭轉(zhuǎn)變成T型接頭采用微帶線而不采用基片集成波導(dǎo)。本發(fā)明基片集成波導(dǎo)環(huán)行器中的基片集成波導(dǎo)的寬度，即兩排金屬化通孔間距為s, 5.9mm〈s〈8.9mm,金屬化通孔直徑為d, d〈〈 λ , λ為中心頻率的波長,相鄰金屬化通孔的孔間距為P。為拓展環(huán)行器的帶寬，在金屬化通孔走向改變的地方金屬化通孔間距可以略小于 s, s〈〈 λ , s/d ^ 2o本發(fā)明基片集成波 導(dǎo)環(huán)行器的三個端口的內(nèi)嵌微帶匹配線2的過度長度L為1/4 λ，內(nèi)嵌微帶匹配線2寬的一端內(nèi)嵌進(jìn)入基片集成波導(dǎo)，窄的一端接50 Ω標(biāo)準(zhǔn)微帶線6，內(nèi)嵌微帶匹配線2的中心對稱線位于兩排金屬化通孔間中心位置，如圖2所示。實(shí)施例結(jié)合圖1和圖4，介質(zhì)基板為Imm厚，構(gòu)成基片集成波導(dǎo)的金屬化通孔直徑d為
0.4mm,相鄰金屬化通孔間距P為0.7mm,兩排金屬化通孔間距s為7.2mm?；刹▽?dǎo)環(huán)行器的偏置磁化鐵氧體由飽和磁化強(qiáng)度4JiMs=2500gauss的鋰鋅鐵氧體材料構(gòu)成，介電常數(shù)ε =15.3，直徑D為5.2mm，厚度為介質(zhì)基板的厚度1mm，如圖4所示。其內(nèi)嵌微帶匹配線的過渡長度L為1/4λ，λ為中心頻率的波長，內(nèi)嵌微帶匹配線內(nèi)接SIW的寬邊W尺寸為3.1mm,外接50 Ω標(biāo)準(zhǔn)微帶線的窄邊Wl尺寸為0.85mm,整個環(huán)行器的尺寸為1 2mmX 1 2mmX 1mm,如圖 2 所不，a=b=12mm。測試結(jié)果如圖4至圖8?？梢娙齻€端口在X波段內(nèi)的回波損耗和隔離度，20dB帶寬超過3.2GHz，優(yōu)于23dB的帶寬超過2.6GHz，優(yōu)于25dB的帶寬達(dá)到2GHz。插入損耗在9GHz^ll.7GHz內(nèi)都優(yōu)于0.2 dB,實(shí)現(xiàn)高性能的寬頻帶。
權(quán)利要求
1.片集成波導(dǎo)環(huán)行器，在雙面覆有金屬層的介質(zhì)基板上，設(shè)置有三個互成120°角的基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及中心鐵氧體柱，基片集成波導(dǎo)由金屬化通孔排列構(gòu)成，其特征在于，在介質(zhì)基板的上表面，三個波導(dǎo)內(nèi)設(shè)置有微帶匹配線，第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)的內(nèi)嵌微帶匹配線連接有50歐姆標(biāo)準(zhǔn)微帶線，50歐姆標(biāo)準(zhǔn)微帶線的端口垂直于基板的邊緣；三個波導(dǎo)寬度s相同，5.9mm<s<8.9mm,金屬化通孔的孔間距為p, p/d < 2, d為金屬化通孔的直徑。
2.按權(quán)利要求1所述的基片集成波導(dǎo)環(huán)行器，其特征在于，介質(zhì)基板厚度為1mm，構(gòu)成基片集成波導(dǎo)的金屬化通孔直徑d為0.4mm,相鄰金屬化通孔間距p為0.7mm,兩排金屬化通孔間距s為7.2mm ;中心鐵氧體柱的直徑D為5.2mm,厚度為Imm ;其內(nèi)嵌微帶匹配線的過渡長度L為1/4 λ，λ為中心頻率的波長，內(nèi)嵌微帶匹配線內(nèi)接SIW的寬邊W尺寸為3.1mm,外接50 Ω標(biāo)準(zhǔn)微帶線的窄邊Wl尺寸為0.85mm。
全文摘要
基片集成波導(dǎo)環(huán)行器，屬于微波器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在雙面覆有金屬層的介質(zhì)基板上，設(shè)置有三個互成120°角的基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及中心鐵氧體柱，基片集成波導(dǎo)由金屬化通孔排列構(gòu)成，其特征在于，在介質(zhì)基板的上表面，三個波導(dǎo)內(nèi)設(shè)置有微帶匹配線，第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)的內(nèi)嵌微帶匹配線連接有50歐姆標(biāo)準(zhǔn)微帶線，50歐姆標(biāo)準(zhǔn)微帶線的端口垂直于基板的邊緣；三個波導(dǎo)寬度s相同，5.9mm<s<8.9mm，金屬化通孔的孔間距為p，p/d≤2，d為金屬化通孔的直徑。本發(fā)明比現(xiàn)有微帶結(jié)環(huán)行器功率容量大，插入損耗低。
文檔編號H01P1/387GK103094651SQ20121059159
公開日2013年5月8日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者汪曉光, 熊林, 陳良, 鄧龍江, 付強(qiáng), 梁迪飛 申請人:電子科技大學(xué)