一种基于磁表等离激元的微波功率分配器的制作方法

本发明属于微波系统电子器件领域，涉及一种功率分配器，具体是一种工作频率可调的宽带微波功率分配器，更具体是一种采用铁氧体构成的具备反向隔离特性的可调微波功率分配器。

背景技术：

在现代微波系统中，功率分配器作用在于实现将输入微波功率按照一定的比例分配成双路或者多路的功能，是非常重要而常用的部件，常简称为功分器。目前常规的功分器主要有两种类型：一种是T形结功分器，一种是威尔金森功分器。

前者形式为传输线直接分叉形成T形结，然后加上阻抗匹配器构成，其主要缺点在于输出端口之间没有隔离度，两个端口之间会相互影响；

威尔金森功分器通过在输出端口增加一个隔离电阻，可以实现两个输出端口间较好的隔离度，其缺陷在于带宽较窄，如果采用多节级联的形式可以拓展带宽，但是面积会变大。如果采用CN105514561A的引入慢波结构方式一定程度上拓展了相对带宽并减小了体积，但是这种周期性慢波结构适合工作在高频段，在低频段时其面积仍然较大。

以上基于现有技术的功分器还具有两个共同的局限：一方面，它们都不具有反向隔离特性，即输出与输入端口是互易的，在采用并馈形式的微波大功率合成应用场景，由于输出端口的失配，大功率会反射回输入端口导致器件损坏，因此需要在输出端口加上额外的隔离器件保护输入端口的有放大器，从而导致体积和成本增加；另一方面，现有技术的功分器工作频率是一般都是固定的，不可调谐，因而在其使用过程中系统灵活性会受到一定程度的制约。

技术实现要素：

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种工作频率可调且具备反向隔离特性的微波功分器。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

基于磁表等离激元，利用准一维铁氧体光子晶体波导构成的微波功率分配器，包括金属腔体、金属上盖板、下盖板、软磁铁氧体柱和永磁体、微波吸收体、金属探针、同轴输入输出端口；两列按照一定周期排列的软磁铁氧体柱位于金属腔体内，与金属腔体中部底板和金属上盖板紧密接触；两列圆柱具有平行段和距离渐开段两部分区域；永磁体有两部分，都位于两列软磁铁氧体阵列的正下方，且位于金属腔体中部底板下侧；软磁铁氧体外侧安置了微波吸收体；金属探针有三个，分别位于两列软磁铁氧体阵列的平行段中部和渐开段边缘；同轴输入输出端口有三个，位于金属腔体上部，其同轴内导体与金属探针相连。

进一步地，铁氧体圆柱的材料为钇铁石榴石铁氧体、镁锰铁氧体或镍锌铁氧体。

进一步地，永磁体的典型材料为锶铁氧体或钡铁氧体或钕铁硼永磁体。

进一步地，多个铁氧体圆柱横截面为圆形。

进一步地，两列铁氧体下方的永磁体磁场方向相反。

进一步地，微波吸收体为羰基铁填充的聚氨酯海绵体。

改变软磁铁氧体的偏置磁场可以得到工作在不同频段的微波功分器。

工作原理：软磁铁氧体圆柱上下底面与金属腔体紧密贴合，按照电磁场镜像原理，上下金属面对软磁铁氧体有上下垂直延拓的作用，其结果是有限长的软磁铁氧体可以等效为无限长；垂直于金属腔上下面的金属探针可以激励恒电场模式，这种模式可以在等效无限长软磁铁氧体柱构成的阵列表面激励出磁表面等离激元；在平行段，输入探针位于两列铁氧体线阵的中间，输入电磁波沿着两列铁氧体线阵的上下表面构成的公共通道向前传输；在渐开段，有磁表面等离激元的局域作用，电磁波能量逐步局域到两个软磁铁氧体线阵表面，由于结构和电磁参数的对称性，两列线阵表面分配的功率相同，从而实现功率等分。由于铁氧体线阵中磁表面等离激元具有单向传播特性，因此这种功分器具有良好的反向隔离特性；由于磁表面等离激元的能带会受到线阵结构参数和偏置磁场的调控，因此可以改变线阵圆柱半径和周期设计功分器，而在结构参数一定情况下，可以利用不同永磁体为软磁铁氧体圆柱提供的不同偏置磁场实现工作频率的调控。

有益效果：本发明采用在金属腔体中加载铁氧体圆柱线阵组成微波功率分配器（简称“功分器”）。这种功分器具有体积小、结构简单、加工容易、成本低廉的优势。特别是这种功分器具有反向隔离特性，在高功率合成应用场景，可以减少额外的隔离器使用，简化系统设计；同时，通过改变偏置磁场可以得到不同频段的功分器，提高系统的灵活性。这种功分器的一系列有点为实际微波系统应用提供了极为便利的条件。

附图说明

图1为本发明实施例的外观立体结构图；

图2为图1顶面去盖的视图；

图3是图1的底面去盖视图；

图4和图5是本发明实施例的的结构参数示意图；

图6是图5的剖视图；

图7为本发明的两个输出端口功率分配值比较结果图；

图8、图9和图10为本发明在不同偏置磁场时前向传输和反向隔离对比结果图；

图中：输入端口1，第一功率分配输出端口2，第二功率分配输出端口3，上金属盖板4，金属腔体5，下金属盖板6，微波吸收体7，软磁铁氧体柱8，第一金属探针9，第二金属探针10，第三金属探针11，永磁体12。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

图1-图3示出了本发明所述的微波功率分配器的三维立体结构。本实施案例中，包括金属腔体、软磁铁氧体柱和永磁体、微波吸收体、金属探针、同轴输入输出端口；图1外观图中标号4和6分别为上下金属盖板，标号5为金属腔体，盖板与腔体可以采用螺钉连接或者激光缝焊连接；标号1为输入端口，标号2和3为功率分配输出端口，所有端口均为SSMA标准接头，SSMA接头通过法兰用螺钉固定在盖板上。SSMA接头内导体与金属探针连为一体；图2顶面去盖试图中，两列软磁铁氧体柱8位于金属腔体内，每列铁氧体圆柱按照等间距排列，与金属腔体中部底板和金属上盖板紧密接触；金属探针包括第一金属探针9、第二金属探针10和第三金属探针11三个，分别位于两列软磁铁氧体阵列的平行段中部和渐开段边缘；软磁铁氧体外侧安置了微波吸收体7；图3底面去盖试图中，永磁体12有两部分，均位于两列软磁铁氧体阵列的正下方，且位于金属腔体中部底板下侧。

图4、图5和图6示出了本发明所述的微波功率分配器的结构参数示意图。本实施例中，软磁铁氧体为钇铁石榴石铁氧体，其饱和磁化强度4πMs=1800Gauss,介电常数ε=15。钇铁石榴石铁氧体圆柱直径Φ=2mm，间距S1=4.4mm，输入端平行段两列圆柱各有6个圆柱，高度与腔体内腔同高Hf=10mm，两列圆柱间距Gap=6mm，渐开段各有4个圆柱，倾斜角度45°输出端各有7个圆柱，两列圆柱间距Gap2=24.5mm。永磁体为钕铁硼永磁材料，宽度Wm=6mm，高度Hp=5mm，长度Lm1=26mm，Lm2=10mm，Lm3=35mm，其中部偏折角度135°，长度为L=24mm。金属腔体界面为H型，长度Lc=79mm，宽度Hc=47mm形成上下两个腔体，上腔体高度Hf=10mm，下腔体高度Hm=5mm，中间底板厚度d0=1mm，腔体壁厚d=4mm；吸波体为羰基铁填充聚氨酯海绵体，紧贴钇铁石榴石圆柱外侧的吸波体最大长度Ls=70.5mm，最大宽度Hs=16.5mm，中间部分的吸波体长度Lsi=28.5mm，宽度His=6.5mm，吸波体高度与腔体内腔同高Hf=10mm。金属上盖板厚度2mm，下盖板厚度1mm。

图7示出了两个输出端口功率分配值比较结果图。实线标识的S21和虚线标识的S31分别为输出端口1到输出端口2和输出端口3的功率传输。S参数仿真结果表明，在偏置磁场为2000 Oe时，功分器中心频率10.25GHz，功率分配为3dB，插损在频率8.5GHz到12GHz范围内为2dB左右插入损耗小于2dB，实现了良好的功率分配功能。

图8、图9和图10示出了本发明在不同偏置磁场时前向传输和反向隔离对比结果图。三幅图分别对应了偏置磁场为2000 Oe、2500 Oe和3000 Oe，各中实线均为前向传输特性曲线S21,而虚线均为反向传输特性曲线S12；纵向的点划线标识其各自的工作频段；从仿真结果可以看出此功分器具有两方面的特性：一方面，在每幅图中的工作频带以内，前反向传输具有较大差，其差值为10-20dB，这证明此功分器具有良好的前反向隔离特性；另一方面，随着偏置磁场逐步增加，从左到右三幅图的工作频带也随之增加而且能保持较好的隔离特性，这证明此款功分器具有良好的磁可调特性。