一种s、c、x波段带线结环行器及其设计方法
阅读说明：本技术 一种s、c、x波段带线结环行器及其设计方法 (S, C, X waveband strip line junction circulator and design method thereof ) 是由 汪晶吟 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种S、C、X波段带线结环行器,包括用于传输线信号的Y型带线结构,以及分别位于Y型带线结构上、下两侧的铁氧体,在所述铁氧体的中心上施加一方向垂直于环行器的偏置磁场；所述Y型带线结构由导带和三个均匀分布于导带外圆上的端口组成,所述导带为圆盘或圆环结构。本发明的优点是能够有效减小环行器的体积,实现了S、C、X波段带线结环行器的小型化、集成化和高性能,并在不同位置增加等边三角形切角来改善驻波,使其性能更加优越。(The invention relates to an S, C, X waveband strip line junction circulator, which comprises a Y-shaped strip line structure used for transmitting line signals, and ferrites respectively positioned on the upper side and the lower side of the Y-shaped strip line structure, wherein a bias magnetic field with a direction vertical to the circulator is applied to the center of each ferrite; the Y-shaped strip line structure is composed of a conduction band and three ports which are uniformly distributed on the excircle of the conduction band, and the conduction band is of a disc or ring structure. The invention has the advantages that the volume of the circulator can be effectively reduced, the miniaturization, integration and high performance of the S, C, X waveband strip line junction circulator are realized, and the equilateral triangle corner cut is added at different positions to improve the standing wave, so that the performance of the circulator is more excellent.)
技术领域
本发明涉及一种S、C、X波段带线结环行器及其设计方法，属于微波无源器件技术领域。
背景技术
据了解，环行器是一种重要的微波铁氧体器件，其利用铁氧体的非互异性实现环行，在各行业应用十分广泛。针对传统的S、C、X波段带线结环行器进行调查，发现其依旧存在体积较大的问题，不满足当前集成、小型化发展的趋势。
经检索发现，公开号为CN111430862A的中国专利公开了一种双Y型贴贴片式环形器，包括双Y型微带匹配线、中心结、上层圆形铁氧体、下层圆形铁氧体、基片和金属接地板，双Y型微带匹配线包括大Y匹配线和小Y匹配线，大Y匹配线与小Y匹配线通过中心结粘贴在上层圆形铁氧体与下层圆形铁氧体之间，大Y匹配线、小Y匹配线三条边的夹角均为120°，大Y匹配线与小Y匹配线相邻边的夹角为60°，结构设计简单对称，体积小，重量轻。公开号为CN102664298A的中国专利公开了一种环形器带线非互易结组件，两铁氧体旋磁片之间的带线与铁氧体旋磁片组成非互易结，它包括中心圆结组件、一个Y结租金和至少三个接口端，Y结组件和三个接口端间隔分布于中心圆结组件上，Y结构成并联电感，接口端的出口处构成电容，电感和电容构成LC匹配段，通过LC匹配段实现线路匹配。上述两件专利分别采用波导结构和带线结构，并且二者均是低场结构，存在尺寸大的问题。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的不足，提出一种极小体积的S、C、X波段带线结环行器，突破了基础设计原理。
为了达到以上目的，本发明的技术方案如下：
一种S、C、X波段带线结环行器，包括用于传输线信号的Y型带线结构，以及分别位于Y型带线结构上、下两侧的铁氧体，在所述铁氧体的中心上施加一方向垂直于环行器的偏置磁场；所述Y型带线结构由导带和三个均匀分布于导带外圆上的端口组成，所述导带为圆盘或圆环结构。
本发明的S、C、X波段带线结环行器中采用新的设计理念，实现了S、C、X波段环行器的小型化、集成化和高性能。本发明采用带线加准集中结构设计，同时采用高场结构设计，基于上述设计，在保证高性能的同时，使其体积超小型化，尺寸只有波导的20%，其它带线的4~10%，甚至更小，更利于集成化。
本发明进一步细化的技术方案如下：
优选地，所述铁氧体为圆柱体，并且两个铁氧体关于Y型带线结构的圆点中心对称布置，两个铁氧体的材料、半径和厚度均相同；相邻两端口之间互成120°构成Y型带线结构。
优选地，在所述Y型带线结构的上方设置有介质基板。
优选地，在所述圆环结构的内圆面上制有三个均匀分布的凹槽，所述凹槽的中心线位于导带圆心到端口的垂直线上，或者与垂直线呈60°夹角。
优选地，所述圆环结构的外圆面具有三个分布均匀的凸起，所述凸起的中心线与导带圆心到端口的垂直线呈60°夹角。
优选地，所述凹槽、凸起的截面均为等边三角形。
本发明的导带内、外圆面的等边三角形切角设计，采用了压缩的分支匹配技术和压缩的短截线匹配技术，通常都是用四分之一匹配技术（尺寸很大），导带内圆面的等边三角形切角设计是为了改善分支结构的阻抗，外圆面的等边三角形切角设计是为了外加短截线匹配，以改善阻抗匹配和相位匹配，使得器件的行波更好。
本发明还提供了S、C、X波段带线结环行器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、根据所需要的传输波段确定Y型带线结构的相关参数，所述相关参数包括导带厚度t，导带宽度w，介质基板厚度t1，介质基板宽度w1，介质基板相对介电常数；
步骤2、设计铁氧体结，确定铁氧体材料和饱和磁场强度，并确定铁氧体半径R和高度h；
步骤3、基于步骤1和步骤2确定带线中心圆环导带的内半径R1和外半径R2，以及铁氧体的外加偏置磁场，并调节参数，获取良好传输性能；
步骤4、针对步骤1、步骤2、步骤3所设计的Y型带线结构的导带进行改良，在圆环导带的内圆面上制有三个均匀分布的凹槽，和/或在圆环导带的外圆面上具有三个均匀分布的凸起。
所述步骤3中，基于步骤1和步骤2确定带线中心圆盘导带的半径R2。
优选地，所述凹槽、凸起的截面均为等边三角形。
优选地，所述凹槽的中心线位于导带圆心到端口的垂直线上，或者与导带圆心到端口的垂直线呈60°夹角；所述凸起的中心线与导带圆心到端口的垂直线呈60°夹角。
本发明的优点是能够有效减小环行器的体积，实现了S、C、X波段带线结环行器的小型化、集成化和高性能，并在不同位置增加等边三角形切角来改善驻波，使其性能更加优越。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1 为本发明的结构示意图。
图2为本发明实施例1中环行器的导带中心为圆盘的结构透视图。
图3为本发明实施例1中圆盘形Y型带线结构的示意图。
图4为本发明实施例1中环行器的导带中心为圆环的结构示意图。
图5为本发明实施例1中圆环形Y型带线结构的示意图。
图6为本发明实施例1中环行器的参数曲线图。
图7为本发明实施例1中环行器的S参数曲线图。
图8为本发明实施例1中环行器的端口阻抗曲线图。
图9为本发明实施例2中环行器的结构示意图。
图10为本发明实施例2中Y型带线结构的示意图。
图11为本发明实施例3中环行器的结构示意图。
图12为本发明实施例3中Y型带线结构的示意图。
图13为本发明实施例4中环行器的结构示意图。
图14为本发明实施例4中Y型带线结构的示意图。
图15为本发明实施例5中环行器的结构示意图。
图16为本发明实施例5中Y型带线结构的示意图。
图17为本发明实施例6中环行器的结构示意图。
图18为本发明实施例6中Y型带线结构的示意图。
图19为本发明实施例2中环行器的S参数曲线图。
图20为本发明实施例3中环行器的S参数曲线图。
图21为本发明实施例4中环行器的S参数曲线图。
图22为本发明实施例5中环行器的S参数曲线图。
图23为本发明实施例6中环行器的S参数曲线图。
图中：1.Y型带线结构，2.铁氧体，3.介质基板。
具体实施方式
下面结合实施例及说明书附图对本发明进行详细说明。
实施例1
一种S、C、X波段带线结环行器，如图1至图5所示，包括用于传输线信号的Y型带线结构1，以及分别位于Y型带线结构1上、下两侧的铁氧体2，铁氧体2为圆柱体，两个铁氧体2关于Y型带线结构1的圆点中心对称布置，并且两个铁氧体2的材料、半径和厚度均相同。在铁氧体2中心上施加一方向垂直于环行器的偏置磁场。在Y型带线结构1的上方设置有介质基板3。Y型带线结构1由导带中心和三个均匀分布于导带中心外圆上的端口组成，相邻两个端口之间互成120°以构成Y型带线结构1，导带为圆盘或圆环结构。
上述S、C、X波段带线结环行器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、根据电磁场方程以及二次曲线匹配技术，确定所需要的传输波段确定Y型带线结构1的相关参数，相关参数包括导带厚度t=0.001~0.4mm，导带宽度w=0.01~0.9mm，介质基板3厚度t1=0.1~0.8mm，介质基板3宽度w1=0.2~3.5mm，介质基板3相对介电常数=10（2.1~30）。
步骤2、设计铁氧体结，由高场旋磁器件工作区间，以高场工作状态，确定铁氧体2材料的相对介电常数=14（2.1~30）和饱和磁场强度4=2500~5200Guass，=50，,确定铁氧体2半径R=0.15~5mm和高度h=0.1~0.8mm。
步骤3、基于步骤1和步骤2，根据电磁场方程计算结内阻抗，以及外加偏置磁场和二次曲线匹配的相关参数，在具有是好传输性能的情况下，确定带线中心圆环导带的内半径R1=0.1~2.5mm和外半径R2=0.2~3.5mm，以及铁氧体2的外加偏置磁场，并调节参数，获取良好传输性能（见图4）。同时，基于步骤1和步骤2确定带线中心圆盘导带的半径R2=0.2~2.5mm（见图2）。实施例所得到的环行器高0.25~3mm（上下两铁氧体的高度为0.15~0.7mm，介质基板3的高度为0.15~0.8mm）。
对S、C、X波段带线结环行器进行测试，获得其S参数、S21参数以及端口阻抗，并绘制成曲线（见图6、图7和图8）。由图6和图7可知，本实施个例的环行器在9.61GHz到10.3GHz范围内达到 20dB隔离，回波损耗小于-20dB，插入损耗在9.4~11.3GHz小于0.54dB。由图8可知，本实施例的环行器端口阻抗在整个X波段变化平缓，约为22.8，为后续的阻抗匹配提供了便利。
实施例2至6与实施例1相比，其不同之处在于：还包括步骤4，针对步骤1、步骤2、步骤3所设计的Y型带线结构1的导带进行改良。
实施例2
如图9和图10所示，本实施例的环行器是在圆环导带的内圆环做等边三角形切角，即在圆环导带的内圆面形成截面为等边三角形的凹槽。凹槽有三个，每个凹槽的中心线位于导带圆心到带线端口的垂直线上。
实施例3
如图11和图12所示，本实施例的环行器是在圆环导带的内圆面制有三个分布均匀的等边三角形凹槽，该凹槽的中心线与导带圆心到带线端口的垂直线成60°夹角。
实施例4
如图13和图14所示，本实施例的环行器是在环形导带的外圆环增加等边三角形切角，即在圆环导带的外圆面形成截面为等边三角形的凸起，凸起有三个，每个凸起的中心线与导带圆心到带线端口的垂直线成60°夹角。
实施例5
如图15和图16所示，本实施例的环行器是在圆环导带的内圆环做等边三角形切角，其中心线位于导带圆心到带线端口的垂直线上，同时在外圆环增加等边三角形切角，其中心线与导带圆心到带线端口的垂直线成60°夹角。这样，在圆环导带的内圆面上制有三个截面为等边三角形的凹槽，外圆面上制有三个截面为等边三角形的凸起，而凹槽与凸起间隔分布，相邻的凹槽与凸起之间相隔60°。
实施例6
如图17和图18所示，本实施例的环行器是在圆环导带的内圆环做等边三角形切角，其中心线与导带圆心到带线端口的垂直线成60°夹角，同时在外圆环增加等边三角形切角，其中心线与导带圆心到带线端口的垂直线成60°夹角。这样，在圆环导带的内圆面上制有三个截面为等边三角形的凹槽，外圆面上制有三个截面为等边三角形的凸起，而凹槽与凸起的位置重合，与端口相隔60°布置。
对实施例2至实施例6所述的环行器的相关参数进行微调，确定其带线中心外半径R2=0.2~2.45mm，内半径保持不变R1=0.2~2.3mm，而等边三角形垂直线距离为0.08~1.1mm，然后观察其S参数，结果如图19至23所示，环行器的驻波与隔离明显优于未加切角的形式，的最低点从-26dB均下降到-30dB以下，其中部分结构更能做到-40dB以下，且插入损耗也从0.54dB提升到0.35dB以内，性能更优。
以上所述为发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下。在本发明上做出相应改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
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