阅读说明：本技术 一种强迫液冷非互易性微波器件 (Forced liquid cooling nonreciprocal microwave device ) 是由 陶华 于 2020-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种强迫液冷非互易性微波器件,上层金属基板设置于下层金属基板上方；铁氧体设置于上层金属基板和下层金属基板上,且冷却液设置于上层金属基板和下层金属基板内部,还包括非金属密封套；非金属密封套的上端设置于上层金属基板上,且非金属密封套的下端设置于下层金属基板上；铁氧体均位于非金属密封套内部；非金属密封套内设置直接接触于铁氧体的冷却液,且非金属密封套内的冷却液连通于上层金属基板和下层金属基板内部的冷却液。本发明一种强迫液冷非互易性微波器件,将包含有铁氧体材料的区域使用非金属材料形成一个密封区域,对铁氧体采用液体直接冷却的方式进行散热,从而大幅度降低了铁氧体的温度。(The invention discloses a forced liquid cooling non-reciprocal microwave device, wherein an upper layer metal substrate is arranged above a lower layer metal substrate; the ferrite is arranged on the upper layer metal substrate and the lower layer metal substrate, the cooling liquid is arranged inside the upper layer metal substrate and the lower layer metal substrate, and the ferrite further comprises a non-metal sealing sleeve; the upper end of the non-metal sealing sleeve is arranged on the upper-layer metal substrate, and the lower end of the non-metal sealing sleeve is arranged on the lower-layer metal substrate; the ferrites are all positioned in the non-metal sealing sleeve; the nonmetal sealing sleeve is internally provided with cooling liquid which is directly contacted with the ferrite, and the cooling liquid in the nonmetal sealing sleeve is communicated with the cooling liquid in the upper metal substrate and the lower metal substrate. The forced liquid cooling non-reciprocal microwave device of the invention forms a sealing area by using a non-metal material in an area containing ferrite material, and dissipates heat of the ferrite by adopting a liquid direct cooling mode, thereby greatly reducing the temperature of the ferrite.)

一种强迫液冷非互易性微波器件

技术领域

本发明涉及微波器件技术领域，具体涉及一种强迫液冷非互易性微波器件。

背景技术

非互易性微波器件是一种不可逆的单向传输器件，包括了环行器、隔离器、定向耦合器等。采用了铁氧体旋磁材料，在外加高频场与恒定直流磁场的共同作用下，产生旋磁特性，使得铁氧体中传播的高频场发生极化的旋转(法拉第效应)，使得高频场只能按特定的方向传输。它广泛的应用在微波系统当中，作为保护微波功率源或其它特定的用处。

如图1所示，目前该类器件的冷却是靠与铁氧体连接的金属基片上做冷却水路。当微波在器件中传输时，铁氧体会因电磁损耗而发热，热量将通过连接的基板传递到冷却水路，由冷却水路将热量带走。但由于铁氧体自身热导率非常低(只有普通陶瓷的10％左右)，因此铁氧体的热量很难带走，造成铁氧体的温度较高，将限制器件的最大承载功率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的非互易性微波器件对铁氧体进行间接冷却方式，使得，铁氧体的热量很难带走，造成铁氧体的温度较高，限制了器件的最大承载功率，目的在于提供一种强迫液冷非互易性微波器件，解决上述问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种强迫液冷非互易性微波器件，包括上层金属基板、铁氧体、冷却液和下层金属基板；所述上层金属基板设置于所述下层金属基板上方；所述铁氧体设置于所述上层金属基板和/或所述下层金属基板上，且所述冷却液设置于所述上层金属基板和所述下层金属基板内部，还包括非金属密封套；所述非金属密封套的上端设置于所述上层金属基板上，且所述非金属密封套的下端设置于所述下层金属基板上；所述铁氧体均位于所述非金属密封套内部；所述非金属密封套内设置直接接触于所述铁氧体的冷却液，且所述非金属密封套内的冷却液连通于所述上层金属基板和所述下层金属基板内部的冷却液。

本发明应用时，采用了一种强迫液冷的方式对非互易性微波器件中的铁氧体进行直接降温，在现有技术中，采用的降温方式为通过金属基板内部的冷却液进行降温，但是铁氧体本身的导热性不高，所以会造成局部过热，降低器件本身的最大承载功率。而本发明中增加了非金属密封套，当非金属密封套设置在非互易性微波器件上时，可以与金属基板围成一个封闭于外界的空间，然后将这个封闭空间和金属基板内部自身带有的冷却液通道连通，并且在封闭空间内填充冷却液，这样可以使得金属基板和封闭空间内的冷却液连通为一体，在冷却液进行流动时，对铁氧体进行快速的冷却降温，由于冷却液在这个封闭空间内是直接接触于铁氧体的，所以可以极大的提高散热效率，并且由于冷却液本身与金属基板内部的冷却液是连通的，所以在现有的降温设备不需要改变的情况下，就可以将本发明直接应用于非互易性微波器件中，降低了改造难度。

区别于现有技术中的间接降温方式，本发明采用对铁氧体直接降温的方式来提高器件的最大承载功率，而本发明采用这种方式可以对不影响微波器件性能，并且具有广泛的适应性。

同时发明人发现，在现有技术中，铁氧体之间会产生一个高温温度场，这个温度场会持续影响铁氧体的工作状态，并且会在器件停止工作后持续影响铁氧体，由于器件停止工作后，冷却液也会停止流动，这就会使得铁氧体持续处于高温状态，造成铁氧体性能变化，降低器件使用寿命。

进一步的，所述非互易性微波器件为三端环行器、四端环行器、多端环行器、波导环行器、带线环行器、隔离器或定向耦合器。

进一步的，所述非金属密封套特氟龙、陶瓷、石英或蓝宝石或其他可以用于密封的非金属材料。

进一步的，当所述非互易性微波器件为单层结构时，所述铁氧体设置于所述上层金属基板的下底面和/或所述下层金属基板的上顶面；所述非金属密封套为柱状体，且所述柱状体的上端设置于所述上层金属基板的下底面，且所述柱状体的下端设置于所述下层金属基板上顶面；所述冷却液和所述铁氧***于所述柱状体内部。

进一步的，当所述非互易性微波器件为双层或多层结构时，还包括底层金属基板；所述底层金属基板设置于所述下层金属基板下方；所述非金属密封套包括第一非金属密封套和第二非金属密封套；所述铁氧体包括铁氧体A、铁氧体B、铁氧体C和铁氧体D；

所述铁氧体A设置于所述上层金属基板的下底面；所述铁氧体B设置于所述下层金属基板的上顶面；所述铁氧体C设置于所述下层金属基板的下底面；所述铁氧体D设置于所述底层金属基板的上顶面；

所述第一非金属密封套的顶部设置于所述上层金属基板的下底面；所述第一非金属密封套的底部设置于所述下层金属基板的上顶面；所述第二非金属密封套的顶部设置于所述下层金属基板的下底面；所述第二非金属密封套的底部部设置于所述底层金属基板的上顶面；所述铁氧体A和铁氧体B位于所述第一非金属密封套内，所述铁氧体C和铁氧体D位于所述第二非金属密封套内；

所述冷却液设置于所述第一非金属密封套和第二非金属密封套内部并接触于所述铁氧体A、铁氧体B、铁氧体C和铁氧体D。

进一步的，当所述非互易性微波器件为带线结构时；还包括底层金属基板；所述底层金属基板设置于所述下层金属基板下方；所述非金属密封套包括第一非金属密封套和第二非金属密封套；所述铁氧体包括铁氧体A和铁氧体B；

所述铁氧体A的顶部设置于所述上层金属基板的下底面；所述铁氧体A的底部设置于所述下层金属基板的上顶面；所述铁氧体B的顶部设置于所述下层金属基板的下底面；所述铁氧体B的底部部设置于所述底层金属基板的上顶面；

所述第一非金属密封套的顶部设置于所述上层金属基板的下底面；所述第一非金属密封套的底部设置于所述下层金属基板的上顶面；所述第二非金属密封套的顶部设置于所述下层金属基板的下底面；所述第二非金属密封套的底部部设置于所述底层金属基板的上顶面；所述铁氧体A位于所述第一非金属密封套内，所述铁氧体B位于所述第二非金属密封套内；

所述冷却液设置于所述第一非金属密封套和第二非金属密封套内部并接触于所述铁氧体A和铁氧体B。

进一步的，当所述非互易性微波器件为整体密封结构时，所述铁氧体设置于所述上层金属基板的下底面和所述下层金属基板的上顶面；所述非金属密封套为柱状体，且所述柱状体的上端设置于所述上层金属基板的侧面，且所述柱状体的下端设置于所述下层金属基板的侧面；所述冷却液和所述铁氧***于所述柱状体内部。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明一种强迫液冷非互易性微波器件，将包含有铁氧体材料的区域使用非金属材料形成一个密封区域，对铁氧体采用液体直接冷却的方式进行散热，从而大幅度降低了铁氧体的温度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为传统的环行器作用空间剖面示意图；

图2为本发明强迫液冷环行器作用空间剖面示意图；

图3为实施例中双层结构波导环行器空间剖面示意图；

图4为实施例中带线环行器空间剖面示意图；

图5为实施例中密封冷却环形器空间剖面示意图；

图6为实施例中现有环形器结构示意图；

图7为实施例中现有环形器的温度分布图；

图8为实施例中强迫液冷的环行器结构示意图；

图9为实施例中强迫液冷的环行器的温度分布图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-上层金属基板，2-铁氧体，3-冷却液，4-下层金属基板，5-非金属密封套，6-底层金属基板，51-第一非金属密封套，52-第二非金属密封套。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图2所示，一种强迫液冷非互易性微波器件，包括上层金属基板1、铁氧体2、冷却液3和下层金属基板4；所述上层金属基板1设置于所述下层金属基板4上方；所述铁氧体2设置于所述上层金属基板1和/或所述下层金属基板4上，且所述冷却液3设置于所述上层金属基板1和所述下层金属基板4内部，还包括非金属密封套5；所述非金属密封套5的上端设置于所述上层金属基板1上，且所述非金属密封套5的下端设置于所述下层金属基板4上；所述铁氧体2均位于所述非金属密封套5内部；所述非金属密封套5内设置直接接触于所述铁氧体2的冷却液3，且所述非金属密封套5内的冷却液3连通于所述上层金属基板1和所述下层金属基板4内部的冷却液3。

本实施例实施时，采用了一种强迫液冷的方式对非互易性微波器件中的铁氧体进行直接降温，在现有技术中，采用的降温方式为通过金属基板内部的冷却液进行降温，但是铁氧体本身的导热性不高，所以会造成局部过热，降低器件本身的最大承载功率。而本发明中增加了非金属密封套，当非金属密封套设置在非互易性微波器件上时，可以与金属基板围成一个封闭于外界的空间，然后将这个封闭空间和金属基板内部自身带有的冷却液通道连通，并且在封闭空间内填充冷却液，这样可以使得金属基板和封闭空间内的冷却液连通为一体，在冷却液进行流动时，对铁氧体进行快速的冷却降温，由于冷却液在这个封闭空间内是直接接触于铁氧体的，所以可以极大的提高散热效率，并且由于冷却液本身与金属基板内部的冷却液是连通的，所以在现有的降温设备不需要改变的情况下，就可以将本发明直接应用于非互易性微波器件中，降低了改造难度。

区别于现有技术中的间接降温方式，本发明采用对铁氧体直接降温的方式来提高器件的最大承载功率，而本发明采用这种方式可以对不影响微波器件性能，并且具有广泛的适应性。

同时发明人发现，在现有技术中，铁氧体之间会产生一个高温温度场，这个温度场会持续影响铁氧体的工作状态，并且会在器件停止工作后持续影响铁氧体，由于器件停止工作后，冷却液也会停止流动，这就会使得铁氧体持续处于高温状态，造成铁氧体性能变化，降低器件使用寿命。

为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述非互易性微波器件为三端环行器、四端环行器、多端环行器、波导环行器、带线环行器、隔离器或定向耦合器。

为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述非金属密封套5特氟龙、陶瓷、石英或蓝宝石。

如图2所示，为了进一步的说明本实施例的工作过程，当所述非互易性微波器件为单层结构时，所述铁氧体2设置于所述上层金属基板1的下底面和/或所述下层金属基板4的上顶面；所述非金属密封套5为柱状体，且所述柱状体的上端设置于所述上层金属基板1的下底面，且所述柱状体的下端设置于所述下层金属基板4上顶面；所述冷却液3和所述铁氧体2位于所述柱状体内部。

如图3所示，为了进一步的说明本实施例的工作过程，当所述非互易性微波器件为双层或多层结构时，还包括底层金属基板6；所述底层金属基板6设置于所述下层金属基板4下方；所述非金属密封套5包括第一非金属密封套51和第二非金属密封套52；所述铁氧体2包括铁氧体A、铁氧体B、铁氧体C和铁氧体D；

所述铁氧体A设置于所述上层金属基板1的下底面；所述铁氧体B设置于所述下层金属基板4的上顶面；所述铁氧体C设置于所述下层金属基板4的下底面；所述铁氧体D设置于所述底层金属基板6的上顶面；

所述第一非金属密封套51的顶部设置于所述上层金属基板1的下底面；所述第一非金属密封套51的底部设置于所述下层金属基板4的上顶面；所述第二非金属密封套52的顶部设置于所述下层金属基板4的下底面；所述第二非金属密封套52的底部部设置于所述底层金属基板6的上顶面；所述铁氧体A和铁氧体B位于所述第一非金属密封套51内，所述铁氧体C和铁氧体D位于所述第二非金属密封套52内；

所述冷却液3设置于所述第一非金属密封套51和第二非金属密封套52内部并接触于所述铁氧体A、铁氧体B、铁氧体C和铁氧体D。

如图4所示，为了进一步的说明本实施例的工作过程，当所述非互易性微波器件为带线结构时；还包括底层金属基板6；所述底层金属基板6设置于所述下层金属基板4下方；所述非金属密封套5包括第一非金属密封套51和第二非金属密封套52；所述铁氧体2包括铁氧体A和铁氧体B；

所述铁氧体A的顶部设置于所述上层金属基板1的下底面；所述铁氧体A的底部设置于所述下层金属基板4的上顶面；所述铁氧体B的顶部设置于所述下层金属基板4的下底面；所述铁氧体B的底部部设置于所述底层金属基板6的上顶面；

所述第一非金属密封套51的顶部设置于所述上层金属基板1的下底面；所述第一非金属密封套51的底部设置于所述下层金属基板4的上顶面；所述第二非金属密封套52的顶部设置于所述下层金属基板4的下底面；所述第二非金属密封套52的底部部设置于所述底层金属基板6的上顶面；所述铁氧体A位于所述第一非金属密封套51内，所述铁氧体B位于所述第二非金属密封套52内；

所述冷却液3设置于所述第一非金属密封套51和第二非金属密封套52内部并接触于所述铁氧体A和铁氧体B。

在本实施例中，底层金属基板6和上层金属基板1实际为器件的外导体，而下层金属基板4实际为器件的内导体，本发明在使用于带线环形器时依然可以具有良好的改造效果，证明了本发明的适用性。

如图5所示，为了进一步的说明本实施例的工作过程，当所述非互易性微波器件为整体密封结构时，所述铁氧体2设置于所述上层金属基板1的下底面和所述下层金属基板4的上顶面；所述非金属密封套5为柱状体，且所述柱状体的上端设置于所述上层金属基板1的侧面，且所述柱状体的下端设置于所述下层金属基板4的侧面；所述冷却液3和所述铁氧体2位于所述柱状体内部。

如图6～9所示，图6中展示了现有技术中的环形器，这是一款工作频率在15.16GHz的三端波导环行器，当该环行器插损为-0.405dB，当通过500W微波功率时，铁氧体吸收功率500×0.04139×2＝41.39W(该状态为全反射时铁氧体的吸收功率)，冷却介质为变压器油，流量为8L/min。如图7所示，从温度仿真来看，铁氧体此刻达到了209.19℃，温升189.19℃，并且显然的，两个铁氧体之间存在一个较强的温度场。

而图8为采用强迫液冷的非互易性微波器件，同样采用变压器油作为冷却介质，非金属密封套采用特氟龙，流量为8L/min。如图9所示，此刻铁氧体温度仅72.86℃，温升52.86℃。

综上所述，采用强迫液冷的非互易性微波器件，在相同功率下可以将工作时的温升降低至老结构的1/3左右，在铁氧体相同温度下，可以提高器件数倍的最大承载功率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。