PL233021B1 - Zintegrowany mikropaskowo-szczelinowy szerokopasmowy ferrytowy izolator mikrofalowy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zintegrowany mikropaskowo-szczelinowy szerokopasmowy ferrytowy izolator mikrofalowy znajdujący zastosowanie w systemach mikrofalowych do wytłumienia fali rozchodzącej się w jednym wybranym kierunku między jego wrotami.

W publikacji K. Araki, T. Koyama and Y. Naito, A New Type of Isolator Using the Edge-Guided Mode (Letters), in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 23, no. 3, pp. 321321, Mar 1975 przedstawiono magnesowany poprzecznie układ izolatora ferrytowego. Układ składa się z linii mikropaskowej umieszczonej na podłożu ferrytowym magnesowanym poprzecznie do kierunku rozchodzenia się fali i prostopadle do płaszczyzny podłoża. Aby uzyskać efekt niewzajemny, jeden z brzegów paska linii jest zwarty do ekranu, zaś drugi pozostaje rozwarty. W takiej strukturze linii w wyniku zjawiska przemieszczania pola wzbudza się fala rodzaju brzegowego. W przekroju poprzecznym linii rozkład pola tej fali jest asymetryczny. W zależności od jej kierunku rozchodzenia się lub zwrotu pola magnesującego energia tej fali prowadzona jest wzdłuż jednego z brzegów linii. Jeżeli energia fali koncentruje się przy brzegu zwartym, wówczas fala ulega konwersji do wyższych rodzajów objętościowych, które w wyniku odcięcia, są tłumione w linii. Powoduje to duże tłumienie dla fali rozchodzącej się przy zwartym brzegu linii. Zmiana kierunku rozchodzenia się fali lub zwrotu pola magnesującego w linii powoduje koncentrację energii fali przy brzegu rozwartym, wzdłuż którego jest transmitowana z niewielkim tłumieniem. Znaczący efekt niewzajemny powstający w omawianym typie izolatora występuje jedynie w zakresie częstotliwości, w którym ferryt charakteryzuje się ujemną efektywną przenikalnością magnetyczną peff<0, gdzie pf = (μ²-μ₃ ²)/μ oraz μ i μ3 są elementami tensora przenikalności magnetycznej materiału ferrytowego.

Z publikacji Y. J. Cheng, Q. D. Huang, Y. R. Wang and J. L. W. Li, Narrowband Substrate Integrated Waveguide Isolators, in IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 24, no. 10, pp. 698-700, Oct. 2014 znane jest rozwiązanie w/w układu izolatora oparte na wykonaniu brzegu zwartego linii ferrytowej przez szereg metalizowanych przelotek zwierających metalowy pasek linii do ekranu. Izolator ten charakteryzuje się stratami transmisji na poziomie 2.2 dB zaś izolacją rzędu 30 dB. Wadą prezentowanego rozwiązania jest wąskie pasmo pracy układu, które wynosi około 6%.

Inne rozwiązanie izolatora ferrytowego jest prezentowane w publikacji C. K. Seewald and J. R. Bray, Ferrite-Filled Antisymmetrically Biased Rectangular Waveguide Isolator Using Magnetostatic Surface Wave Modes, in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 58, no. 6, pp. 1493-1501, June 2010. Układ ten składa się ze zintegrowanego falowodu prostokątnego wypełnionego materiałem ferrytowym poprzecznie magnesowanym przez układ dwóch pól magnetycznych przeciwnie skierowanych. Opisany sposób magnesowania sekcji ferrytowej został wcześniej wykorzystany w publikacji Joey Bray, Langis Roy US 6867664 B2 Ferrite-filled, antisymmetrically-biased rectangular waveguide phase shifter do realizacji przesuwnika fazy. Sekcja ferrytowa połączona jest z mikropaskowymi wrotami układu poprzez zbieżny transformator impedancji. W wyniku antysymetrycznego magnesowania sekcji ferrytowej rozkład pola em. w przekroju poprzecznym jest symetryczny, ale koncentracja energii pola em. zależy od kierunku rozchodzenia się fali lub zwrotu pola magnesującego. Sekcja ferrytowa pobudzana jest z linii mikropaskowej falą typu parzystego, która prowadzona jest z małym tłumieniem wzdłuż płaszczyzny magnetycznej reprezentującej przekrój symetrii wzdłużnej całego układu. Przy zmianie kierunku pobudzenia lub zwrotu pól magnesujących energia fali prowadzona jest wzdłuż brzegów zwartych sekcji ferrytowej. W tym przypadku fala ta jest silnie tłumiona na skutek efektu konwersji energii fali do odciętych wyższych rodzajów pola. W wyniku tego układ, tak jak wyżej opisane struktury ze zwartym brzegiem, posiada własności izolatora w paśmie częstotliwości, w którym peff<0. Prezentowany układ charakteryzuje się pasmem pracy rzędu 16% zapewniającym izolację na poziomie 55 dB. Wadą tego układu są znaczące straty wtrąceniowe wahające się w paśmie pracy między 4.6 dB a 11 dB.

Jednak przedstawione powyżej układy izolatorów w celu uzyskania izolacji wymagają realizacji zwarcia pomiędzy brzegami pasków sygnałowych a ekranem w sekcji ferrytowej. Realizacja takiego zwarcia stwarza trudności technologiczne oraz podwyższa koszt wykonania takiego układu. Dodatkowo jakość oraz przyjęta technologia wykonania zwarcia wpływa w istotny sposób na wartość izolacji układu.

Z analizy ferrytowej linii mikropaskowej magnesowanej polem asymetrycznym wynika, że przy pobudzeniu nieparzystym w przekroju symetrii linii występuje płaszczyzna elektryczna. Jeżeli taka linia pobudzona jest falą typu nieparzystego, wówczas dla jednego kierunku propagacji fala ta prowadzona jest wzdłuż przekroju symetrii. Ze względu na występującą w przekroju symetrii ściankę elektryczną fala ta jest silnie tłumiona. Dla przeciwnego kierunku propagacji fala prowadzona jest wzdłuż obu rozwartych

PL 233 021 B1 brzegów linii, gdzie ulega tylko niewielkiemu tłumieniu. W rezultacie taki układ posiada własności izolatora mikrofalowego.

Aby zrealizować taki izolator należy pobudzić w linii mikropaskowej wyższy rodzaj pola typu nieparzystego, dla którego przekrój symetrii linii charakteryzuje płaszczyzna elektryczna. Taki typ fali może zostać pobudzony w linii, jeżeli wprowadzimy do ekranu szczelinę wzdłuż przekroju symetrii linii. Wówczas w takiej konfiguracji linii będzie występować fala typu nieparzystego pobudzona poprzez tę szczelinę.

Z publikacji B. Shuppert, Microstrip/slotline transitions: modeling and experimental investigation, in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 36, no. 8, pp. 1272-1282, Aug. 1988 znane jest przejście umożliwiające pobudzenia linii szczelinowej z linii mikropaskowej. W celu uzyskania maksymalnej transmisji sygnału między tymi liniami są one zakończone rezonatorami reprezentującymi na zakończeniu linii mikropaskowej zwarcie, zaś rozwarcie na końcu linii szczelinowej. W pracy zaproponowano wykorzystanie rezonatorów o różnych kształtach. Zaprojektowany układ zmierzony jako kaskada dwóch przejść z linii mikropaskowej na szczelinową i odwrotnie zapewnia straty mniejsze niż 0.5 dB w szerokim paśmie częstotliwości od 1 do 10 GHz. W publikacji M. E. Bialkowski and A. M. Abbosh, Design of a Compact UWB Out-of-Phase Power Divider, in IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 17, no. 4, pp. 289-291, April 2007 przejście pomiędzy linią mikropaskową a szczelinową zostało wykorzystane w celu uzyskania na wyjściu układu sygnałów w przeciwfazie czyli fali typu nieparzystego.

Zintegrowany mikropaskowo-szczelinowy szerokopasmowy ferrytowy izolator mikrofalowy zawierający podłoże dielektryczne, na którym po jednej stronie nałożony jest element ferrytowy magnesowany poprzecznie antysymetrycznym polem jednorodnym za pomocą dwóch par naprzeciwlegle umieszczonych magnesów stałych charakteryzuje się według wynalazku tym, że pomiędzy podłożem dielektrycznym a płytką ferrytową nałożony jest ekran metalizowany, w którym wykonana jest szczelina sprzęgająca. Między podłożem dielektrycznym a dolną parą magnesów stałych wykonana jest linia mikropaskowa z okrągłymi rezonatorami. Metalizowane paski nałożone są pomiędzy płytką ferrytową a górną parą magnesów stałych.

Sekcja ferrytowa izolatora według wynalazku pobudzana jest tak zwanym rodzajem typu nieparzystego. Przy takim pobudzeniu wzdłużna płaszczyzna symetrii linii charakteryzuje się płaszczyzną elektryczną, która jak przedstawiono powyżej jest wymagana dla działania układu jako izolator. Zaletą wynalazku jest możliwość realizacji zintegrowanego izolatora ferrytowego, w którym dla uzyskania efektów niewzajemnych, nie jest wymagana fizyczna realizacja zwarcia w jego strukturze. Dodatkowo proponowany izolator pracuje w znacznie szerszym zakresie częstotliwości niż znane z literatury izolatory, w których sekcja ferrytowa pobudzana jest tak zwanym rodzajem parzystym.

Wynalazek został bliżej przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia płytkę dielektryczną z liniami mikropaskowymi widok z góry, fig. 2 przedstawia płaszczyznę ekranu wraz ze szczelinami sprzęgającymi, fig. 3 przedstawia obwód linii mikropaskowej na płytce ferrytowej, fig. 4 przedstawia strukturę wykonaną w obszarze ferrytowym wraz z zaznaczonymi kierunkami pola magnesującego w przekroju poprzecznym, zaś fig. 5 przedstawia parametry rozproszenia proponowanego układu izolatora mikrofalowego.

Izolator zawiera płytki: dielektryczną 1 i ferrytową 2 umieszczone jedna nad drugą i rozdzielone metalowym ekranem 3. Na zewnętrznej stronie płytki dielektrycznej 1 umieszczone są metalowe paski 4 stanowiące wrota układu. W ekranie 3 wykonana została linia szczelinowa 5. Pobudzenie szczeliny zrealizowane zostało przy pomocy przejścia z linii mikropaskowej 6 na szczelinową 5 wykorzystującego okrągłe rezonatory 7. W celu pobudzenia sekcji ferrytowej szczelina 5 wykonana w ekranie 3 została zwarta w jej centralnej części. W rezultacie na wejściu sekcji ferrytowej powstaje nieparzysty rodzaj pola, który charakteryzuje się występowaniem płaszczyzny elektrycznej w płaszczyźnie symetrii przekroju poprzecznego układu. Z uwagi na antysymetryczne magnesowanie za pomocą dwóch par magnesów stałych: dolnych 8 i górnych 9, sekcji ferrytowej w przypadku transmisji sygnału przez układ w jednym kierunku, pole koncentruje się przy bocznych krawędziach sekcji ferrytowej i po przejściu przez nią pobudza transformator szczelinowo-mikropaskowy. W rezultacie sygnał odbierany jest w linii mikropaskowej 6 reprezentującej wrota wyjściowe układu. Z kolei przy transmisji sygnału przez układ w przeciwnym kierunku, pole koncentruje się w centralnej części przekroju poprzecznego sekcji ferrytowej. Ze względu na występowanie w tym obszarze płaszczyzny elektrycznej, energia sygnału jest tłumiona w wyniku jej transformacji w tłumione wyższe rodzaje pola.

PL 233 021 B1

Przykładowe wyniki symulacji proponowanego układu izolatora mikrofalowego zrealizowanego według wynalazku przedstawiono na fig. 2. Na podstawie uzyskanych rezultatów można stwierdzić, że układ pracuje w szerokim zakresie częstotliwości 4.2 GHz do 8.2 GHz (tj. około 65%). W tym paśmie współczynniki obicia (S11, S22) są mniejsze niż -15 dB, układ charakteryzuje się wysoką izolacją pomiędzy 25 dB a 45 dB oraz niskimi stratami wtrąceniowymi pomiędzy 2.1 dB i 2.4 dB. W celu weryfikacji rezultatów obliczeń przeprowadzono badania eksperymentalne zrealizowanego prototypu izolatora. Mierzony układ pracował w węższym paśmie częstotliwości niż jego symulowany model, co jest spowodowane trudnościami w fizycznej realizacji właściwego rozkładu antysymetrycznego pola magnetycznego przy dostępnym zapleczu technicznym. Jednak, uzyskane rezultaty jednoznacznie potwierdziły niewzajemny charakter proponowanego układu. Największa różnica między mierzoną izolacją a transmisją wynosi 37 dB na częstotliwości 7.62 GHz. Dalsze prace będą miały na celu zrealizowanie układu magnesującego zapewniającego odpowiedni rozkład pola magnetycznego, który jest wymagany dla właściwej pracy układu izolatora.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Zintegrowany mikropaskowo-szczelinowy szerokopasmowy ferrytowy izolator mikrofalowy zawierający podłoże dielektryczne, na którym po jednej stronie nałożony jest element ferrytowy magnesowany poprzecznie antysymetrycznym polem jednorodnym za pomocą dwóch par naprzeciwlegle umieszczonych magnesów stałych, znamienny tym, że pomiędzy podłożem dielektrycznym (1) a płytką ferrytową (2) nałożony jest ekran metalizowany (3), w którym wykonana jest szczelina sprzęgająca (5), między podłożem dielektrycznym (1) a dolną parą magnesów stałych (8) wykonana jest linia mikropaskowa (6) z okrągłymi rezonatorami (7), zaś metalizowane paski (4) nałożone są pomiędzy płytką ferrytową (2) a górną parą magnesów stałych (9).