阅读说明：本技术 一种紧凑脊波导级联四端口环行器 (Compact ridge waveguide cascade four-port circulator ) 是由 邓广健 李佳伟 黄文华 邵浩 郭乐田 谢少毅 方文饶 于 2019-11-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种紧凑脊波导级联四端口环行器。其主要技术特点是：脊波导四端口环行器由两个三端口脊波导结型环行器平行镜像排布,通过紧凑脊波导至同轴线过渡连接构成。本发明能够有效减小波导四端口环行器的截面尺寸及纵向长度,降低环行器的插入损耗,同时在较宽的带宽范围内实现低插入损耗及高隔离度,使得波导四端口环行器能够满足小尺寸、低插入损耗、大带宽要求下的应用。(The invention discloses a compact ridge waveguide cascaded four-port circulator. The main technical characteristics are as follows: the ridge waveguide four-port circulator is formed by arranging two three-port ridge waveguide junction-type circulators in parallel mirror image mode and transitionally connecting the compact ridge waveguide to a coaxial line. The invention can effectively reduce the section size and the longitudinal length of the waveguide four-port circulator, reduce the insertion loss of the circulator and simultaneously realize low insertion loss and high isolation in a wider bandwidth range, so that the waveguide four-port circulator can meet the application requirements of small size, low insertion loss and large bandwidth.)

一种紧凑脊波导级联四端口环行器

技术领域

本发明属于环行器领域，特别是一种脊波导环行器。

背景技术

环行器是最常用的微波元器件之一，在微波系统中，环行器常被用作天线的收发开关，实现收发隔离。环行器按传输线形式可分为微带、带线、同轴、波导等类型。波导式环行器，根据结构形式不同，又可分为结型以及差相移式等。其中，波导结型环行器体积小，适用于系统紧凑性要求的场合。

现有的波导结型环行器多为矩形波导三端口结构，为实现四端口环行，需要将两个三端口环行器级联在一起，构成四端口环行器。此时，该环行器的***损耗为两个三端口环行器的***损耗，同时矩形波导环行器的截面尺寸及纵向长度也比较大。

发明内容

本发明要的目的是提供一种紧凑的波导结型环行器，有效减小波导四端口环行器的截面尺寸及纵向长度，降低环行器的***损耗，同时在较宽的带宽范围内实现低***损耗及高隔离度，使得波导四端口环行器能够满足小尺寸、低***损耗、大带宽要求下的应用。

为了实现上述目的，本发明提出以下方案：

该紧凑脊波导级联四端口环行器，包括：两个平行镜像布置的三端口脊波导结型环行器和垂直布置的紧凑脊波导至同轴线过渡结构；

所述三端口脊波导结型环行器包括整体拼接为T型的三个单脊波导，其中位于同一直线上的两个单脊波导记为第一单脊波导和第二单脊波导，另一个记为第三单脊波导；三个单脊波导的脊条相接处形成脊柱，其中相应的第一脊条和第二脊条在靠近脊柱处形成脊波导弯折，使得三个脊条在相接处的夹角互为120°；第一脊条和第二脊条均为台阶结构，其靠近脊柱的部分高于远离脊柱的部分；第三脊条的高度与第一脊条和第二脊条中所述靠近脊柱的部分相当，其长度不超过所述靠近脊柱的部分的长度；所述脊柱表面紧贴设置有铁氧体片，对应位置的脊柱背面嵌有磁钢，用于对铁氧体片提供偏置磁场；两个三端口脊波导结型环行器中的磁钢磁场方向相同；

所述两个平行镜像布置的三端口脊波导结型环行器共用一个环行器盖板形成对接，环行器盖板与所述脊条以及铁氧体片保持间隙；

所述紧凑脊波导至同轴线过渡结构包括同轴线和两个组合波导；所述组合波导由一单脊波导和一矩形波导拼接而成，其中该单脊波导的脊条靠近矩形波导一端切割形成半圆柱形槽，该单脊波导的端口与所述第三单脊波导的端口适配对接；所述同轴线由同轴内导体、同轴外导体以及位于两者之间的介质套筒组成，其中，同轴外导体和介质套筒以及环行器盖板的厚度相等，同轴外导体兼作组合波导盖板并与所述环行器盖板构成一体件，同轴内导体贯穿介质套筒两端，分别伸入两个组合波导中的半圆柱形槽内，并与半圆柱形槽壁和矩形波导壁均保持间距。

基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：

可选地，所述脊柱由两块同心的金属圆柱组成，其中小圆柱对应于所述靠近铁氧体片的部分，大圆柱对应于所述远离铁氧体片的部分。

可选地，所述三端口脊波导结型环行器的波导腔体背部对应于脊柱所在位置形成凹槽结构，所述磁钢设置在该凹槽底部。

可选地，所述铁氧体片和磁钢均为圆形。进一步优选地，所述小圆柱直径为8.65mm，高度为2.23mm；所述大圆柱的直径为15.25mm，高度为4.09mm；所述铁氧体片的直径为11.66mm，高度为1.37mm。

可选地，所述介质套筒采用聚四氟乙烯材料。

可选地，所述组合波导中，单脊波导宽边尺寸为11mm，窄边尺寸为8mm，脊高度为6.32mm，宽度为5mm，矩形波导的截面尺寸为11mm×8mm，半圆柱形槽的直径为4.26mm；所述同轴线内导体外径为1.5mm，外导体内径为4.1mm，同轴线内导体伸入单脊波导的半圆柱形槽内，距单脊波导宽边距离为1.55mm，距矩形波导提供的短路金属壁的距离为4.31mm。

可选地，所述三端口脊波导结型环行器中，单脊波导宽边尺寸为11mm，窄边尺寸为8mm，脊高度为6.32mm/5.5mm，脊宽度为5mm。

可选地，两个三端口脊波导结型环行器通过U型连接片封盖磁钢并形成连通磁路。

可选地，该四端口环行器在边角处通过螺栓实现整体紧固锁定。

相比现有的矩形波导级联四端口环行器以及常规的脊波导环行器，本发明具有以下有益效果：

该紧凑脊波导级联四端口环行器通过采用紧凑脊波导至同轴过渡结构将两个平行镜像排布的三端口脊波导结型环行器连接起来，保证了环行器截面尺寸的结构紧凑性；其中通过在三端口脊波导环行器内引入脊台阶过渡，以及采用容性耦合的脊波导至同轴过渡实现较宽的工作带宽；并且由于该脊波导四端口环行器在正向传输时，仅通过单个结，该环行器具有较低的***损耗。

本发明结构紧凑，在较宽带宽范围内能实现良好的隔离度以及较低的***损耗，因此可在对截面尺寸受限、功率容量要求高的微波系统中有广泛的应用。

另外，本发明中设计的三端口脊波导结型环行器，相比常规的设计思路，也做了一些重要的优化，例如：采用两块同心的金属圆柱组成脊柱，该形式的脊柱也带来了多级阻抗变换，能有效增加工作带宽；同时，在脊柱的大圆柱背部设置圆柱形凹槽，以嵌入磁钢(且此种结构只需设置一块磁钢)，从而整体结构更加紧凑、尺寸更小。

附图说明

图1是本实施例的组装结构示意图；

图2是本实施例中的三端口脊波导结型环行器的结构示意图；

图3为图2的俯视图(未示意铁氧体片)。

图4是本实施例中的脊波导至同轴线过渡结构的组装示意图；

图5是本实施例组装后的正视图。

图6是除去盖板后的俯视图(对称面)。

图7是本发明环行器端口反射系数、隔离度仿真结果曲线图；

图8是本发明环行器***损耗仿真结果曲线图。

附图标记如下：

1-三端口脊波导结型环行器；

2-紧凑脊波导至同轴线过渡；

3-环形器盖板(以及紧凑脊波导至同轴线过渡相应的盖板)；

4-U型连接片；

101-单脊波导；102-Y形脊波导接头；103-脊波导弯折；104-脊柱(金属块)；105-铁氧体片；106-磁钢；107-第一单脊波导端口；108-第二单脊波导端口；109-第三单脊波导端口；110-波导腔体背部的凹槽；

201-同轴内导体；202-同轴外导体；203-介质套筒；204-单脊波导部分；205-矩形波导部分；206-半圆柱形槽；207-脊波导端口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，本实施例的紧凑脊波导级联四端口环行器，包括两个三端口脊波导结型环行器1和一个紧凑脊波导至同轴线过渡2。两个三端口脊波导结型环行器1采用平行镜像排布，共用环行器盖板3，通过紧凑脊波导至同轴线过渡2连接，从而实现紧凑截面尺寸及低***损耗；U型连接片4主要起到封盖磁钢以及连通磁路的作用。

从图1中可以看出，该四端口环行器结构可分为上、中、下三部分，图中上、下两部分互为镜像，均由一个三端口脊波导结型环行器和紧凑脊波导至同轴线过渡中的波导部分(单脊+矩形组合波导)适配拼接组成；中间部分是由上、下两部分共用的盖板以及紧凑脊波导至同轴线过渡中的同轴线部分组成。磁钢位于三端口脊波导结型环行器中部，相应的，U型连接片覆盖两个三端口脊波导结型环行器中部以及单脊+矩形组合波导，通过螺栓固定连接。

该四端口环行器可在边角处再通过螺栓实现整体紧固锁定。

参见图2、图3，本实施例中的三端口脊波导结型环行器的结构包括：

一个Y形三端口脊波导接头，由三个宽边尺寸为11mm，窄边尺寸为8mm，脊高度为6.32mm、脊宽度为5mm的单脊波导沿宽边方向以120°布置构成；这里，相当于是将整个第三单脊波导(图3中所示竖直的波导)视为该Y形三端口脊波导接头的一部分。

一个占据Y形三端口脊波导接头几何中心的金属块，其还在三个脊条相接处的***进行扩展，整体形成由两块同心金属圆柱组成的脊柱结构；顶部金属圆柱直径为8.65mm，高度为2.23mm，底部金属圆柱直径为15.25mm，高度为4.09mm；

一个与顶部金属圆柱表面紧贴的圆柱形铁氧体片，其直径为11.66mm，高度为1.37mm；

两个与Y形脊波导接头两个端口相接的脊波导弯折，由两个上述尺寸的单脊波导与Y形脊波导接头的两个波导30°交叉构成，构成弯折的两个脊波导共轴排布；

两个与脊波导弯折相接的单脊波导，其宽边尺寸为11mm，窄边尺寸为8mm，脊高度为5.5mm，脊宽度为5mm；这里，相当于将第一、第二单脊波导(图3中所示水平的左、右两个波导)均划分为三段(Y形三端口脊波导接头的一部分、脊波导弯折、与脊波导弯折相接的单脊波导，且后两者形成台阶脊)；

一个对应于脊柱位置嵌在波导腔体背部凹槽内的磁钢，对铁氧体片提供偏置磁场。两个三端口脊波导结型环行器中的磁钢磁场方向相同，通过U型连接片4封盖磁钢并连通磁路。

参见图4，本实施例中的脊波导至同轴线过渡结构由垂直布局的同轴线和单脊+矩形组合波导所构成：同轴线内导体外径为1.5mm，外导体内径为4.1mm，同轴线内导体与外导体之间填充聚四氟乙烯材料；单脊+矩形组合波导宽边尺寸为11mm，窄边尺寸为8mm，脊高度为6.32mm，宽度为5mm；同轴线内导体伸入单脊+矩形组合波导内，距单脊波导宽边距离为1.55mm；在单脊+矩形组合波导内同轴线所处截面处，一侧为单脊波导，脊上切割直径为4.26mm的半圆柱形槽，与同轴内导体分隔，另一侧为截面尺寸为11mm×8mm的矩形波导，矩形波导内壁(短路金属壁)与同轴线内导体中心的距离为4.31mm。

图4所示的脊波导至同轴线过渡结构的脊波导端口207与图2、图3所示的三端口脊波导结型环行器的第三脊波导端口109适配拼接，从而形成图1中上部分/下部分；图4所示的脊波导至同轴线过渡结构中，同轴外导体202和聚四氟乙烯材料的介质套筒203与图1中的中间部分(环行器盖板3)的厚度相等，同轴外导体202兼作组合波导盖板并与环行器盖板3构成一体件，同轴内导体201贯穿介质套筒两端面，分别伸入图1中上部分、下部分的两个三端口脊波导结型环行器中对应的半圆柱形槽206内。另可参见图5、图6。从图6中还可以看出，介质套筒以及同轴内导体与半圆柱形槽同轴心装配(介质套筒与半圆柱形槽的位置关系为同心，但截面尺寸可以不同)。

本实施例中提出的新型紧凑脊波导级联四端口环行器通过采用紧凑脊波导至同轴过渡将两个平行镜像排布的三端口脊波导结型环行器连接起来，保证了环行器截面尺寸的结构紧凑性。通过在三端口脊波导环行器内引入脊台阶过渡，以及采用容性耦合的脊波导至同轴过渡实现较宽的工作带宽；并且由于该脊波导四端口环行器在正向传输时，仅通过单个结，该环行器具有较低的***损耗。该脊波导四端口环行器结构紧凑，在较宽带宽范围内能实现良好的隔离度以及较低的***损耗，因此在对截面尺寸受限、功率容量要求高的微波系统中有广泛的应用。

最终得到的紧凑脊波导级联四端口环行器，四个端口分别对应于图1中左上端口、右上端口、左下端口以及右下端口，分别记为端口1、端口2、端口3以及端口4。

参见图7和图8，从两幅图中可知s(1,1)，s(1,2)，s(3,1)，s(4,1)，s(2,1)，s(3,2)的仿真结果表明在8.5-9.4GHz频率范围内，端口1的反射系数小于-20dB，端口2和端口1之间的隔离度大于20dB，端口1和端口3之间的隔离度大于20dB，端口1和端口4之间的隔离度大于40dB，端口1至端口2的***损耗小于0.16dB，端口2至端口3的***损耗小于0.29dB(即端口无反射，端口1至端口2传输，端口2至端口1隔离，端口1至端口3隔离，端口1至端口4隔离，其余端口间特性与此类似)，可见，满足四端口波导环行器的要求。

该脊波导级联四端口环行器，其内腔截面尺寸为23mm×19.4mm，中心频率处其截面尺寸为0.7λ×0.6λ，长度小于40mm，其带宽为0.9GHz。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。