[发明专利]一种S波段SIW双环铁氧体移相器及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及微波技术、无源器件以及铁氧体器件领域。特别涉及一种铁氧体移相器。

背景技术

在过去的几十年，微波技术及铁氧体器件技术有了很大进展。其中一种非常重要的微波铁氧体器件——移相器，一种调节电磁波相位的器件，在微波、射频、雷达领域的应用越来越广泛。在微波、毫米波段，常见的铁氧体移相器是波导铁氧体移相器，由矩形波导及一个或两个铁氧体环以及一段高介电常数介质片构成。通过调节铁氧体环的位置、大小，可使入射波在铁氧体内部的磁场成为一个左旋极化波，从而使入射波的相移大于反射波的相移，达到移向目的。同时，可以通过改变外加磁场的大小，在相当大的范围内，改变铁氧体材料的张量磁导率，从而实现不同的相移。

但是，传统波导铁氧体移相器仍有诸多问题。首先是受标准波导口径限制，导致体积过大。第二，由于高介电常数的介质片的引入，导致了高次模的截止频率提前，影响器件工作带宽。

发明内容

针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种S波段SIW双环铁氧体移相器，包括一段SIW传输线和对称设置于SIW传输线内的两个相同的铁氧体方环，还包括一个设于两个铁氧体方环中间的介质片，两个铁氧体方环与介质片紧贴；铁氧体方环高度与SIW和介质片等高，壁厚1mm-2mm，宽度小于SIW宽度的一半,长度等于SIW长度，介质片厚度小于2mm，长度等于SIW长度。

其设计方法如下：

1，根据工作的频段，设计基片集成波导传输线。

2，在基片集成波导传输线中加上对称的两个铁氧体环和介质片；介质片夹在两个铁氧体环的中间与其紧贴，使得两个铁氧体环关于介质片对称。

3，根据所需的相移量、工作频率，调整铁氧体环的大小、壁厚以及介质片的厚度得到移相器最终各个参数尺寸。

上述技术方案具有如下优点：抑制了TM模的出现，推迟了高次模式的截止频率；较传统波导移相器体积更小；介质填充的SIW具有比波导更大的击穿电压。

附图说明

图1是S波段波导双环移相器截面图

图2是S波段SIW双环铁氧体移相器截面图

图3是S波段波导双环移相器相移量随长度的变化

图4是S波段SIW双环铁氧体移相器相移量随长度的变化

图5是S波段波导双环移相器的插入损耗

图6是S波段SIW双环铁氧体移相器的插入损耗

图7是S波段波导双环移相器驻波比

图8是S波段SIW双环铁氧体移相器驻波比

图9是S波段波导双环移相器的基模和高次模传播常数

图10是S波段SIW双环铁氧体移相器的基模和高次模传播常数

具体实施方式

现用一个500°相移、S波段、工作频率在2.7～3.1GHz的SIW双环铁氧体移相器为例，并与一个同样500°相移相同工作频率的S波段波导移相器对比，说明本发明的设计方法及优点。需要说明的是，两个移相器采用了相同的铁氧体材料，饱和磁化强度为600高斯。而介质片的介电常数，波导移相器是60，SIW双环铁氧体移相器是80。

步骤一，设计SIW传输线，选择宽度20mm，通孔直径0.8mm，孔间距2mm。SIW的高度选择6mm。基板介电常数10.2，损耗角0.0035。在3GHz处，纵向长度为一个波导波长时，驻波小于1.04，插入损耗0.12db，回波损耗小于35db。

步骤二，在SIW中间加入一段介电常数为80的介质片，介质片宽1.5mm，高度6mm。

步骤三，紧靠介质片，加入两个对称的铁氧体环。铁氧体环壁厚1mm，内径6mm*4mm,外径8mm*6mm。移相器模型如图2所示。

SIW双环铁氧体移相器每毫米相移15.3°，整体尺寸25mm*6mm*32.66mm，矩形波导移相器每毫米相移16°，整体尺寸30mm*18mm*31.25mm。SIW双环铁氧体移相器插损小于0.024db，波导移相器插损小于0.08db。端口的驻波比，SIW移相器小于1.04，波导移相器小于1.31。可以看到，SIW双环铁氧体移相器约40％的体积实现了接近波导移相器的性能。同时需要说明的是，波导移相器因为介质层的引入出现了高次模，因而实际器件性能会低于理论值，而SIW移相器直到4.5GHz处才会出现高次模。