一种宽带自偏置隔离器的制作方法 专利技术说明

电气元件制品的制造及其应用技术1.本发明涉及隔离器技术领域，尤其涉及一种宽带自偏置隔离器。背景技术：2.铁氧体隔离器是现代微波/毫米波/太赫兹系统中广泛应用的无源非互易器件之一，可实现信号单向传输，反方向隔离，多用以隔离反射信号和保护信号源。当频段达到几十ghz以上时，铁氧体归一化饱和磁化强度相比微波频段大大下降，导致在微波频段常用的微带或带线形式铁氧体隔离器以及结型或差相移型波导形式的铁氧体隔离器，带宽较窄，隔离度较低。而在高频段下，法拉第隔离器带宽与归一化饱和磁化强度无关，具有满带宽、隔离度高的特性，可满足一些特殊系统对隔离器小型化、宽带、高隔离、高频率的要求。3.隔离器的宽带化，有利于系统提高抗干扰能力、提高探测目标测量精度、提升目标识别的准确度。隔离器的小型化，有利于系统集成，并减轻重量，提升系统的机动性。技术实现要素：4.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种宽带自偏置隔离器。5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种宽带自偏置隔离器，包括：一对阶梯波导、圆波导、一对带膜陶瓷锥、铁氧体、吸收体，一对所述阶梯波导一一对应安装在所述圆波导的两侧，所述带膜陶瓷锥分为圆柱体和锥体，圆柱体与锥体连接，一对所述带膜陶瓷锥的锥体一一对应安装在一对所述阶梯波导中，所述铁氧体以及所述吸收体均安装在所述圆波导中，所述吸收体套设在所述铁氧体外侧，一对所述带膜陶瓷锥的圆柱体一一对应与所述铁氧体的两侧连接。6.采用本发明技术方案的有益效果是：吸收体用于消除电磁波在铁氧体介质波导过模传输过程中激发的高次模，避免出现损耗尖峰。带膜陶瓷锥用于实现电磁波从阶梯波导中的长方形内腔到铁氧体介质波导的良好转换。阶梯波导、圆波导、带膜陶瓷锥、铁氧体、吸收体共同构成射频传输系统，实现电磁波的传输。满足太赫兹波、毫米波以及高频微波对隔离器满带宽、高隔离度以及高频率的需求。7.进一步地，一对所述阶梯波导、所述圆波导、一对所述带膜陶瓷锥、所述铁氧体、所述吸收体均同轴设置。8.采用上述进一步技术方案的有益效果是：便于实现隔离器的良好电气性能。9.进一步地，所述阶梯波导的两侧中部分别设有长方体腔，位于所述阶梯波导的两侧中部的长方体腔连通，位于所述阶梯波导的两侧中部的长方体腔之间的夹角为11.25度。10.采用上述进一步技术方案的有益效果是：便于实现电磁波的良好传输，以及提高结构紧凑型。位于所述阶梯波导的两侧中部的长方体腔之间的夹角为11.25度，实现电磁波极化旋转。11.进一步地，所述铁氧体形成介质波导，采用过模传输设计。12.采用上述进一步技术方案的有益效果是：铁氧体采用过模传输设计，内腔中部内置吸收体，消除电磁波在铁氧体介质波导过模传输过程中激发的高次模，保证器件的良好电气性能。13.进一步地，所述带膜陶瓷锥为延轴向设有电阻膜的带膜陶瓷锥，一对带膜陶瓷锥的电阻膜的夹角为45度。14.采用上述进一步技术方案的有益效果是：电阻膜对器件性能，尤其是隔离度影响明显。当电磁波正向输入时，电场极化方向均与电阻膜垂直，电阻膜几乎不产生损耗，信号实现传输。而当电磁波反向输入时，电场极化方向与左端电阻膜平行，产生损耗，转化生热，信号实现隔离。15.进一步地，所述铁氧体为自偏置铁氧体。16.采用上述进一步技术方案的有益效果是：铁氧体自身自偏置，无需外加偏置永磁体供磁，即可产生法拉第旋转效应，提高结构紧凑型。17.进一步地，所述吸收体的两侧分别安装有支撑环，一对所述带膜陶瓷锥的另一端一一对应通过所述支撑环与所述铁氧体的两侧连接。18.采用上述进一步技术方案的有益效果是：支撑环实现对带膜陶瓷锥与铁氧体的定位支撑。19.进一步地，所述支撑环的厚度小于0.15毫米。20.采用上述进一步技术方案的有益效果是：保证支撑性的同时减弱支撑环对电磁场的影响。21.进一步地，所述阶梯波导以及所述圆波导均为圆柱形结构，所述阶梯波导的两侧分别安装有螺纹孔、过孔和销钉，所述圆波导的两侧分别安装有螺纹孔和销钉孔，所述圆波导的侧壁上设有灌胶孔。22.采用上述进一步技术方案的有益效果是：圆波导外形为圆柱形，左右两端面分别设置了螺纹孔、销钉孔，用于与左右两端阶梯波导精确定位并连接。曲面处设置了灌胶孔，用以粘接吸收体。23.进一步地，所述带膜陶瓷锥的锥尖直径小于0.15毫米。24.采用上述进一步技术方案的有益效果是：锥尖处直径控制在0.15mm以内，保证电磁波从阶梯波导中的长方形内腔到铁氧体介质波导的良好转换。25.本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。附图说明26.图1为本发明实施例提供的宽带自偏置隔离器的结构示意图之一。27.图2为本发明实施例提供的宽带自偏置隔离器的结构示意图之二。28.图3为本发明实施例提供的宽带自偏置隔离器在60～90ghz实例的仿真曲线图。29.附图标号说明：1、阶梯波导；2、圆波导；3、带膜陶瓷锥；4、支撑环；5、铁氧体；6、吸收体；7、长方体腔；8、电阻膜；9、灌胶孔。具体实施方式30.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。31.如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种宽带自偏置隔离器，包括：一对阶梯波导1、圆波导2、一对带膜陶瓷锥3、铁氧体5、吸收体6，一对所述阶梯波导1一一对应安装在所述圆波导2的两侧，所述带膜陶瓷锥3分为圆柱体和锥体，圆柱体与锥体连接，一对所述带膜陶瓷锥3的锥体一一对应安装在一对所述阶梯波导1中，所述铁氧体5以及所述吸收体6均安装在所述圆波导2中，所述吸收体6套设在所述铁氧体5外侧，一对所述带膜陶瓷锥3的圆柱体一一对应与所述铁氧体5的两侧连接。32.采用本发明技术方案的有益效果是：吸收体用于消除电磁波在铁氧体介质波导过模传输过程中激发的高次模，避免出现损耗尖峰。带膜陶瓷锥用于实现电磁波从阶梯波导中的长方形内腔到铁氧体介质波导的良好转换。阶梯波导、圆波导、带膜陶瓷锥、铁氧体、吸收体共同构成射频传输系统，实现电磁波的传输。满足太赫兹波、毫米波以及高频微波对隔离器满带宽、高隔离度以及高频率的需求。33.其中，电磁波从宽带自偏置隔离器的一侧单向传输至另一侧。34.如图1和图2所示，进一步地，一对所述阶梯波导1、所述圆波导2、一对所述带膜陶瓷锥3、所述铁氧体5、所述吸收体6均同轴设置。35.采用上述进一步技术方案的有益效果是：便于实现隔离器的良好电气性能。36.如图1和图2所示，进一步地，所述阶梯波导1的两侧中部分别设有长方体腔7，位于所述阶梯波导1的两侧中部的长方体腔7连通，位于所述阶梯波导1的两侧中部的长方体腔7之间的夹角为11.25度。37.采用上述进一步技术方案的有益效果是：便于实现电磁波的良好传输，以及提高结构紧凑型。位于所述阶梯波导的两侧中部的长方体腔之间的夹角为11.25度，实现电磁波极化旋转。38.如图1和图2所示，进一步地，所述铁氧体5形成介质波导，采用过模传输设计。39.采用上述进一步技术方案的有益效果是：铁氧体5采用过模传输设计，圆波导2内腔中部内置吸收体6，消除电磁波在铁氧体5介质波导过模传输过程中激发的高次模，保证器件的良好的电气性能。40.如图1和图2所示，进一步地，所述带膜陶瓷锥3为延轴向设有电阻膜8的带膜陶瓷锥，一对带膜陶瓷锥3的电阻膜8的夹角为45度。41.采用上述进一步技术方案的有益效果是：电阻膜对器件性能，尤其是隔离度影响明显。当电磁波正向输入时，电场极化方向均与电阻膜垂直，电阻膜几乎不产生损耗，信号实现传输。而当电磁波反向输入时，电场极化方向与左端电阻膜平行，产生损耗，转化生热，信号实现隔离。42.其中，电阻膜位于带膜陶瓷锥中部。43.如图1和图2所示，进一步地，所述铁氧体5为自偏置铁氧体。44.采用上述进一步技术方案的有益效果是：铁氧体自身磁偏置，无需外加偏置永磁体供磁，即可产生法拉第旋转效应，提高结构紧凑型。45.如图1和图2所示，进一步地，所述吸收体6的两侧分别安装有支撑环4，一对所述带膜陶瓷锥3的另一端一一对应通过所述支撑环4与所述铁氧体5的两侧连接。46.采用上述进一步技术方案的有益效果是：支撑环实现对带膜陶瓷锥与铁氧体的定位支撑。47.如图1和图2所示，进一步地，所述支撑环4的厚度小于0.15毫米。48.采用上述进一步技术方案的有益效果是：保证支撑性的同时减弱支撑环对电磁场的影响。49.如图1和图2所示，进一步地，所述阶梯波导1以及所述圆波导2均为圆柱形结构，所述阶梯波导1的两侧分别安装有螺纹孔、过孔和销钉，所述圆波导2的两侧分别安装有螺纹孔和销钉孔，所述圆波导2的侧壁上设有灌胶孔9。50.采用上述进一步技术方案的有益效果是：圆波导外形为圆柱形，左右两端面分别设置了螺纹孔、销钉孔，用于与左右两端阶梯波导精确定位并连接。曲面处设置了灌胶孔，用以粘接吸收体。51.如图1和图2所示，进一步地，所述带膜陶瓷锥3的锥尖直径小于0.15毫米。52.采用上述进一步技术方案的有益效果是：锥尖处直径控制在0.15mm以内，保证电磁波从阶梯波波导中的长方形内腔到铁氧体介质波导的良好转换。。53.实施例154.一种宽带自偏置隔离器，可以为宽带小型化自偏置隔离器，包括腔体，腔体由处于同一轴线的阶梯波导1与圆波导2构成。55.阶梯波导1外形为圆柱形，左右两端面分别设置了螺纹孔、过孔、销钉，内腔由两个夹角为11.25°的长方体腔7组成。两个阶梯波导1结构完全一致。56.圆波导2外形为圆柱形，左右两端面分别设置了螺纹孔、销钉孔，用于与左右两端阶梯波导1精确定位并连接。曲面处设置了灌胶孔9，用以粘接吸收体6。所述铁氧体5采用过模传输设计，圆波导2内腔中部内置吸收体6，消除电磁波在铁氧体5介质波导过模传输过程中激发的高次模，保证良好的电气性能。铁氧体介质波导过模传输。57.铁氧体5采用自偏置的高内场六角晶系铁氧体材料，与圆波导2处于同一轴线，其左右两端各粘接一只带膜陶瓷锥3，由铁氧体5端面向阶梯波导1内腔延伸，实现电磁波从阶梯波导1中的长方形内腔到铁氧体5介质波导的良好转换。带膜陶瓷锥3中间沿其长度方向设有一电阻膜8。两只带膜陶瓷锥3电阻膜平面呈45°夹角，且与各自所处阶梯波导1内腔的宽边平行。58.电阻膜对器件性能，尤其是隔离度影响明显。作为优选，吸收体可以采用羟基铁材料，电阻膜可以采用钽材料。带膜陶瓷锥材料的介电常数与铁氧体接近，保证小反射。59.采用介电常数较低的环氧树脂或聚酰亚胺等材料作支撑环保证对带膜陶瓷锥与铁氧体的定位支撑同时，降低对电磁波传输的影响。60.所述六角晶系铁氧体(铁氧体)自身磁偏置，无需外加偏置永磁体供磁，即可产生法拉第旋转效应。61.实现一些特殊系统对隔离器高隔离、宽带以及高频率的要求。62.通过优化铁氧体的材料配方与尺寸与表面粗糙度、锥体的尺寸与表面粗糙度与电阻膜来实现器件的，利用自偏置六角晶系高饱和铁氧体材料以及阶梯波导来实现器件的小型化，得到了一种宽带自偏置隔离器。如图3所示，该器件在e波段(60～90ghz)应用实例仿真设计达到如下性能：满带宽内，回波损耗优于16.2db，传输损耗低于2.8db，隔离度优于27.6db，尺寸小于φ12mmx15.05mm。图3中，横坐标frequency(ghz)为频率，纵坐标s参数(db)为s参数，四个参数中，s11和s22为回波损耗，s21为传输损耗，s12为隔离度。宽带自偏置隔离器能够实现电磁波的单向传输。63.宽带自偏置隔离器工作原理为：64.电磁波输入至左端阶梯波导1，传输te10模，电场极化方向垂直于左端电阻膜。通过左端带膜陶瓷锥3过渡，传输至铁氧体5，转换为he11混合介质模过模传输。圆波导2内置吸收体6，消除模式变换过程中产生的不必要的高次模，以免出现损耗尖峰。电磁波再通过铁氧体5的法拉第效应，其电场极化方向进行45°偏转，与右端电阻膜垂直。之后再通过右端带膜陶瓷锥3过渡至右端阶梯波导1转化为te10模输出。在此过程中，电场极化方向均与电阻膜垂直，电阻膜几乎不产生损耗，信号实现传输。而当电磁波反向输入时，电场极化方向与左端电阻膜平行，产生损耗，转化生热，信号实现隔离。65.实施例266.本实施例在实施例1的基础上进一步进行改进，其所述吸收体6两侧粘有支撑环4。支撑环4中间打孔，以便带膜陶瓷锥3穿过。支撑环4内孔涂胶，实现对带膜陶瓷锥3与铁氧体5的定位支撑。支撑环可选取介电常数较低的环氧树脂或聚酰亚胺等材料。67.所述铁氧体5采用自偏置的高内场六角晶系高饱和铁氧体材料。在保证产生45°法拉第旋转角的情况下，其长度尽可能缩短，以缩减器件尺寸，并降低传输损耗，同时减少外部杂散场对器件的干扰。68.多个元件共同构成射频传输系统，实现电磁波的传输。69.阶梯波导1与圆波导2内腔控制粗糙度，并对表面进行镀金处理，降低电磁波的导体损耗。70.实施例371.在实施例2的基础上，针对60～90ghz这一频段，给出了一具体实施例。阶梯波导1与圆波导2选择紫铜材质，表面镀金。带膜陶瓷锥3选择介电常数与铁氧体匹配的、损耗小的氧化铝陶瓷材料。锥尖处直径控制在0.15mm以内保证良好匹配。支撑环4选择聚酰亚氨，厚度控制在0.15mm以内保证支撑性的同时减弱其对电磁场的影响。铁氧体5选择采用m型六角晶系高饱和铁氧体材料，同时可采用纳米线阵列结构来代替传统的圆柱型结构。m型六角铁氧体材料属于六角晶系结构，自发磁化择优取向六角晶轴，剩磁比高；同时，材料采用纳米线阵列结构，具有极高的形状各向异性，使得退磁场更低，进一步提高了剩磁比。吸收体6选择厚度1mm的羟基铁圆环。72.本实施例的隔离器仿真性能如图3所示。从图3中可知，本实施例产品工作带宽为e波段满带，尺寸φ12mmx15.05mm，回波损耗优于16.2db，传输损耗低于2.8db，隔离度优于27.6db。73.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。









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