一种紧凑四端口波导结型环行器的制作方法

本发明属于环行器领域，特别是一种紧凑四端口波导结型环行器。

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又可分为结型以及差相移式等。其中的波导结型环行器体积小，适用于对系统紧凑性要求较高的场合。

现有的波导结型环行器一般为三端口结构，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，该环行器的插入损耗为两个三端口环行器的插入损耗，同时环行器的尺寸也将增加。

技术实现要素：

为了解决现有四端口波导结型环行器插入损耗大、尺寸大的技术问题，本发明提供一种紧凑四端口波导结型环行器。

本发明的技术解决方案如下：

一种紧凑四端口波导结型环行器，其特殊之处在于：包括一个四端口波导接头、第一金属块、第一铁氧体片、第二金属块、第二铁氧体片、四个波导弯折及四个标准波导；

所述四端口波导接头为对称结构，周向为四个矩形端口，相邻两个端口之间的夹角为90度；

第一金属块及第一铁氧体片由上至下依次设置于四端口波导接头的上端内侧，第二金属块及第二铁氧体片由下至上依次设置于四端口波导接头的下端内侧；

所述四端口波导接头、第一金属块、第一铁氧体片、第二金属块及第二铁氧体片同轴设置；

四个波导弯折的结构相同，弯折角度均为45度；

四个标准波导为同型号的矩形波导；

四个标准波导分为两组，位于同组的两个标准波导平行设置，位于不同组的相邻两个标准波导夹角为180度；

四个标准波导分别通过四个波导弯折与四端口波导接头的四个端口一一对应连接；标准波导端口的轴线与对应的四端口波导接头的端口轴线之间的夹角为45°。

进一步地，所述四端口波导接头为两个矩形波导沿e面十字交叉所形成的空心结构。

本发明四端口波导接头采用两个矩形波导十字交叉而非其他角度的原因是为了保证结构的对称性；采用沿e面而非h面进行交叉的原因是为了保证结构的紧凑性。

进一步地，为了扩展环行器的带宽，所述第一铁氧体片及第二铁氧体片的形状四端口波导接头的内腔相适配，第一铁氧体片及第二铁氧体片为正十字型，具有四个端部，四个端部分别位于四端口波导接头的四个端口内，且端部的边缘为圆弧形。

进一步地，每个标准波导内还设置有用于调节四端口波导接头端口反射系数的第一金属圆柱和第二金属圆柱，第一金属圆柱的直径大于第二金属圆柱的直径；

每个标准波导内第一金属圆柱和第二金属圆柱的数量分别为两个，两个第一金属圆柱对称设置在标准波导的上下内壁处，两个第二金属圆柱对称设置在标准波导的上下内壁处；第二金属圆柱与第一金属圆柱相比，第二金属圆柱更靠近四端口波导接头。

本发明中的第一金属圆柱和第二金属圆柱用于调节反射系数以将环行器的纵向尺寸控制得比较短，从而提高器件的紧凑性；其他的设置方式还有很多，一种比较容易想到的方案是在波导弯折与标准波导之间再加入一段过渡波导，从而进行反射系数的调节，但是这种做法将会导致环行器纵向尺寸较长。

进一步地，为了提高紧凑四端口波导结型环行器的性能，满足小尺寸、低插入损耗、大带宽要求，所述四端口波导接头由两个内腔截面尺寸为20.443mm×8.894mm的波导沿e面十字交叉组成的空心结构；

与同组标准波导相连接的两个波导弯折的波导通道的间距为3mm；

第一铁氧体片及第二铁氧体片是截面形状为宽度8.702mm、高度2.152mm的矩形铁氧体片十字交叉后被同心的直径为18.062mm的圆切割形成的形状；

所述第一金属块和第二金属块是直径为15.768mm、高度为2.224mm的圆柱形金属块与四端口波导接头及四个波导弯折同心叠层放置时，去掉重叠部分后的剩余部分；

所述标准波导为bj100波导；

所述第一金属圆柱的直径为7.308mm，高度为6.745mm；同一个bj100波导内，第一金属圆柱中心与第二金属圆柱中心间距为5.056mm；

所述第二金属圆柱的直径为2.569mm，高度为8.391mm，同一个bj100波导内第二金属圆柱的中心与bj100波导靠近波导弯折一端的间距为9.645mm；

同一个bj100波导内，两个第一金属圆柱的轴线及两个第二金属圆柱的轴线位于bj100波导窄边方向的中心面上。

进一步地，所述四端口波导接头的上方和下方分别设置有磁钢。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

本发明提供了一种e面宽带四端口波导结型环行器，该环行器具有四个波导端口，整个结构沿环行器中心呈中心对称分布，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。

附图说明

图1是本发明实施例的原理结构图；

图2的图1的端面视图；

图3为图2的b-b剖视图；

图4为图2的c-c剖视图；

图5为图1中四端口波导接头、四个波导弯折、两个金属块及两个铁氧体片的组合结构示意图，图5端面处，用虚线勾勒了四端口波导接头的端面图；

图6为图1中四端口波导接头、四个波导弯折、两个金属块及两个铁氧体片组合结构的另一视图；

图7为图1中四端口波导接头、四个波导弯折及两个金属块的组合结构示意图；

图8为图1中四端口波导接头的结构示意图；

图9为图1中两个铁氧体片的结构图；

图10为图1所示的环形器的内腔形状示意图；

图11是本发明实施例环行器各个端口反射系数、隔离度仿真结果曲线图；

图12是本发明实施例环行器插入损耗仿真结果曲线图。

其中附图标记为：1-四端口波导接头、21-第一金属块、22-第二金属块、31-第一铁氧体片、32-第二铁氧体片、4-波导弯折、5-标准波导、6-第一金属圆柱、7-第二金属圆柱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的进行详细说明。

本发明是通过单个器件实现四端口环行器的设计。如图1-9所示，本实施例的紧凑四端口波导结型环行器，包括一个四端口波导接头1，第一金属块21、第一铁氧体片31、第二金属块22、第二铁氧体片32、四个波导弯折4、四个bj100波导；八个在bj100波导内部上下两侧的第二金属圆柱7，以及八个在第二金属圆柱7外侧与bj100波导连接的第一金属圆柱6。为了对第一铁氧体片31、第二铁氧体片32提供偏置磁场，在四端口波导接头1中心的上下两侧加入磁钢(图中未示出)。四个bj100波导分为两组，位于同组的两个标准波导5平行设置，位于不同组的相邻两个标准波导5夹角为180度；四个标准波导5分别通过四个波导弯折4与四端口波导接头1的四个端口一一对应连接，第一金属块21、第二金属块22分别设置在四端口波导接头1的上端内壁和下端内壁处，第一铁氧体片31及第二铁氧体片32分别紧贴第一金属块21、第二金属块22设置，四端口波导接头1、第一金属块21、第二金属块22、第一铁氧体片31及第二铁氧体片32同轴设置。四端口波导接头1的端口轴线与bj100波导端口的轴线之间的夹角为45°，此夹角与波导弯折4的弯折角度是一致的，均为45°，波导弯折4的两个端口轴线分别与四端口波导接头1的端口的轴线及bj100波导端口的轴线同轴。

图10为图1所示的环形器的内腔形状示意图。

具体的，本实施例的四端口波导接头1由两个内腔截面尺寸为20.443mm×8.894mm的波导沿e面十字交叉组成；如图7所示，第一金属块21及第二金属块22是直径为15.768mm、高度为2.224mm的金属块与四端口波导接头1及四个波导弯折4同心叠层放置时，去掉重叠部分后的剩余部分；如图9所示，第一铁氧体片31、第二铁氧体片32均为截面形状为宽度8.702mm、高度2.152mm的矩形铁氧体片十字交叉后被同心的直径为18.062mm的圆切割形成的形状；标准波导5为bj100波导；第一金属圆柱6的直径为7.308mm，高度为6.745mm；同一个bj100波导内，第一金属圆柱6中心与第二金属圆柱7中心间距为5.056mm；第二金属圆柱7的直径为2.569mm，高度为8.391mm，同一个bj100波导内第二金属圆柱7的中心与bj100波导靠近波导弯折4一端的间距为9.645mm；同一个bj100波导内，两个第一金属圆柱6的轴线及两个第二金属圆柱7的轴线位于bj100波导窄边方向的中心面上。两个位于四端口波导接头1中心上下两侧的磁钢，磁场方向相同，对波导接头内部的第一铁氧体片31、第二铁氧体片32提供偏置磁场。

本发明中四端口波导接头1与第一铁氧体片31、第二铁氧体片32构成微波传输通道，实现环行器的环行性能，此外，本发明的第一铁氧体片31、第二铁氧体片32的具体的结构形式是为了扩展环行器的带宽；第一金属块21及第二金属块22对环行器的性能影响主要是对带宽进行扩展；波导弯折4对四端口波导接头1的输出端口进行弯折，使四个波导输出端口的轴线平行或同轴，实现环行器截面的紧凑化，不采用波导弯折结构，直接将四端口波导接头1与标准波导5进行连接也是可以的，但将会导致环行器的截面尺寸较大，不利于结构的紧凑性；将波导弯折4的输出端口连接到bj100波导，便于环行器与其他器件的连接以及性能测试。在bj100波导中加入粗、第二金属圆柱7，从而调整各端口的反射系数(即附图11中的端口1的反射系数s(1,1)参数)，使各个端口在整个工作频带内无反射。

为了验证本发明的设计方案四端口波导结型环行器的性能，本实施例通过仿真模拟，得到了以下结论：

参见图11和图12，从两幅图中可知端口1的反射系数s(1,1),端口2和端口1之间的隔离度s(1,2),端口1和端口3之间的隔离度s(3,1),端口1和端口4之间的隔离度s(4,1),端口1至端口2的插入损耗s(2,1),端口2至端口3的插入损耗s(3,2)的仿真结果表明在8.0-9.0ghz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25db,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20db,端口1至端口2的插入损耗小于0.17db,端口2至端口3的插入损耗小于0.16db。(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，本发明的结构设计满足四端口波导环行器的要求。)

该波导差相移环行器的内腔截面尺寸为22.86mm×23.32mm，长度为53mm,其带宽为1ghz。中心频率处其截面尺寸为0.65λ×0.66λ，λ为波长，中心频率下的λ为35.29mm，

以上仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明。