CN1268031C - 紧凑型高功率模拟电控移相器 - Google Patents

Abstract

一种铁氧体移相器包括一个波导，该波导具有第一圆柱体和第二圆柱体，第二圆柱体的半径小于第一圆柱体的半径。第二圆筒形部件设置在第一圆筒形部件的内部，以使第一和第二圆柱体具有一个共同的对称轴。该波导结构包括呈圆盘状的第一隔片并置于第二圆柱体内。该圆盘上形成有一个扇形开口，并被设置在第二圆柱体的中央，所以两个圆柱体和圆盘具有共同的对称轴。第二圆柱体上具有一个与扇形开口对准的开口。波导进一步包括第二隔片，它从第一圆柱体延伸至圆盘中心同时将扇形圆盘孔一分为二。

Description

紧凑型高功率模拟电控移相器

技术领域

本发明主要涉及模拟移相器，更特别的地，涉及高功率铁氧体微波移相器。

背景技术

众所周知，铁氧体移相器采用外加的磁场来改变铁氧体的导磁率，从而控制速度并且从而控制通过移相器装置传播的信号的相移。一种传统的铁氧体移相器包括一个矩形的波导结构，一个装填和至少部分填充波导的铁氧体片，和一个缠绕在波导周围的线圈。安装该线圈来传送一个变化的控制电流用于产生磁场，该磁场横向地施加在铁氧体片上来调节在矩形波导结构中传播的信号的相位。

传统的铁氧体移相器的一个缺点是当移相器装置被设置来传送低频微波信号时，会变得相当大而且笨重。而且，这种又大又笨重的铁氧体微波移相器制造成本高，从而不适于大批量生产过程。

因此，需要一种更紧凑的铁氧体移相器来处理微波信号。这种铁氧体微波移相器应该是低成本并且适于大批量生产过程。也需要一种能够用于高功率应用中的紧凑型铁氧体移相器。

发明内容

根据本发明，提供了一种紧凑型、低成本的高功率铁氧体微波移相器。本发明的好处通过提供一种不仅减小了移相器装置的尺寸，而且还提高了所应用的射频(RF)磁场的效率的波导结构而获得。

在一个实施例中，高功率铁氧体微波移相器包括一个波导结构，该波导结构包括第一基本为圆筒形的部件和第二基本为圆筒形的部件，其中第二圆柱体的半径小于第一圆柱体的半径。该第二圆筒形部件设置在第一圆筒形部件的内部，以使第一和第二圆柱体具有一个共同的对称轴。该波导结构还包括一个呈圆盘状的第一隔片并置于第二圆柱体的内部。一个扇形(pie-shaped)开口形成在该圆盘上，从圆盘的圆周延伸至圆盘的中心并逐渐变细。该圆盘被设置在第二圆筒形部件的中央，以使第一圆柱体、第二圆柱体和圆盘具有共同的对称轴。第二圆柱体具有一个贯穿其整个长度的开口。第二圆柱体的内壁与圆盘的圆周边缘相耦合，以使第二圆柱体的开口与圆盘上的扇形开口对准。从而，该第二圆柱体耦合到圆盘而不阻挡扇形开口。波导结构进一步包括第二平面隔片，它从第一圆柱体的内壁延伸至圆盘的中心同时将扇形圆盘孔一分为二。第二隔片耦合到第一圆柱体的内壁和圆盘的中心，以使第二隔片大致垂直于圆盘平面。

在一个优选实施例中，铁氧体微波移相器被装填并且全部填充铁氧体。该铁氧体微波移相器包括一个缠绕在第一圆柱体的圆周的线圈并且安装该线圈来传送一个变化的控制电流用于产生一个射频磁场，该磁场横向地施加到铁氧体来可控制地调节在紧凑型波导结构中传导的信号的相位。

附图说明

通过参考下面结合附图对发明的详细描述，本发明将被更充分地理解。

图1a-1c是阐明本发明的改进的矩形波导结构的横断面端视图；

图2a-2b是进一步阐明本发明的改进的折叠矩形波导结构的端视图；

图3a-3b是进一步阐明本发明的改进的脊形波导结构的端视图；

图4a-4e是根据本发明的包括一个波导结构的高功率铁氧体微波移相器的平面图、横断面图和透视图；和

图5是阐明附图4a-4e所示的高功率铁氧体微波移相器的制造方法的流程图。

具体实施方式

于2001.6.14日申请的美国临时专利申请(Provisional PatentApplication)60/298,277在此引做参考。

本发明公开了一种尺寸小、制造成本低的高功率铁氧体微波移相器。现在公开的铁氧体微波移相器结合一个波导结构，在提高应用的射频(RF)磁场的效率的同时减小了移相器装置的尺寸。

图1a-1c、2a-2b、3a-3b描述了现在公开的铁氧体微波移相器的改进。特别地，图1a描述了一个在X-Y平面上具有矩形横截面的矩形波导100的说明性实施例。应该理解到矩形波导100沿Z轴纵向延伸，Z轴为波导中RF能量的传播方向。矩形波导100具有一个较长的沿X轴方向的横向尺寸定义其宽度“a”，和一个较短的沿Y轴的横向尺寸定义其高度“b”。

本领域技术人员将意识到一个如矩形波导100的矩形波导的长宽比通常为2∶1。进一步，长宽比为2∶1的矩形波导100所具有的相关的截止波长λc等于波导的宽度的两倍，也就是：λc＝2a。

图1b描述了一种用于矩形波导100的RF传播模式104，该矩形波导100被构成来传导RF能量。在所说明的实施例中，RF传播模式104是TE₁₀或者是矩形波导100的主要模式。根据RF传播模式104，电(E)场和磁(H)场都存在于矩形波导100内。电场具有沿Y轴方向的电力线，磁场的磁力线垂直于电场的电力线(force line)。此外，电场幅度在矩形波导100的中心处最大，在越靠近波导的短边处越减小。

图1c是矩形波导100沿线1C-1C的横断面视图，进一步描述用于波导的RF传播模式104。特别地，图1c描述矩形波导100内的磁场的环形极化。

图2a描述了一个折叠矩形波导200的说明性实施例。例如，概念上，可以通过将矩形波导100(参见图1a)较长的横向尺寸对折形成折叠矩形波导200。在所说明的实施例中，折叠矩形波导200在X-Y平面内的横截面为矩形，一个较长的沿Y轴方向的横向尺寸为a/2，以及一个较短的沿X轴方向的横向尺寸为2b。进一步，矩形波导200具有一个耦合到波导的一个短边的隔片202并且在波导的中心沿Y轴延伸。象矩形波导100(参见图1a)一样，折叠矩形波导200，包括隔片202在内，沿Z轴纵向延伸，Z轴定义了波导内RF能量的传播方向。并且，折叠矩形波导200具有一个等于2a的相关的截止波长λc，是波导较长的横向尺寸a/2的4倍。应该认识到，在概念上，通过将矩形波导100(参见图1a)折叠而形成折叠波导结构200，如上面所描述的，矩形波导100的至少一个尺寸减小了50％。

图2b是折叠矩形波导200的端视图，描述了一种用于波导的RF传播模式204，该波导被安装来传导RF能量。如图2b所示，RF传播模式204在隔片202附近被折叠。根据这种RF传播模式204，电场和磁场都存在于波导200内。电场具有从隔片202发出的电力线，磁场的磁力线垂直于电场的电力线。进一步，电场幅度在平行于Y轴的波导的中心处最大，在隔片202的越靠近波导底部的短边处越减小。应该理解到，象矩形波导100(参见图1c)内的磁场一样，在折叠矩形波导200内的磁场也被环形极化。

图3a描述了另一种折叠矩形波导300的说明性实施例。应该注意到，折叠矩形波导300除去包括一个交叉片306垂直耦合到隔片302而形成一个“T”字型之外，与折叠矩形波导200(参见图2a)是一样的。隔片302和交叉片306都沿Z轴方向延伸。交叉片306被设置来增加矩形波导300的载流面积，从而减小损耗。并且，具有交叉片306的折叠矩形波导300增加了波导中心的电容并减小了波导侧部的电感系数，从而，减小了波导的有效阻抗。作为结果，使得折叠矩形波导300的阻抗接近50Ω，以便波导和标准同轴连接器之间阻抗匹配。

此外，具有交叉片306的折叠矩形波导300使得该波导的性能与脊形波导的性能相似。例如，概念上，通过在交叉片306的相对端插入铰链308，并且在波导的靠近铰链308的对应的角插入铰链310，可以改进矩形波导结构300使其接近脊形波导。然后，概念上，矩形波导300能够在铰链308和310处被打开来获得一个单脊波导结构，如图3b所描述的。应该注意到，与单脊波导结构有关的截止波长λc能够被提高，并且通过减小脊形波导的间隙宽度g(参见图3b)能够减小脊形波导的有效阻抗。类似地，通过减小交叉片306和相邻的波导短边之间的间隙宽度g(参见图3a)，能够调整折叠矩形波导300相应的截止波长λc和相应的有效阻抗。应该理解到，折叠矩形波导300内的RF传播模式(未示出)与折叠矩形波导200内的RF传播模式204(参见图2b)相似。

图4a描述了根据本发明的铁氧体微波移相器400的说明性实施例。图4b-4c分别描述了铁氧体微波移相器400沿线4b-4b和4c-4c的横断面视图，以及图4d-4e描述了铁氧体微波移相器400的透视图。在所描述的实施例中，铁氧体微波移相器400包括一个波导401，概念上，该波导可以通过沿纵向尺寸将折叠矩形波导300弯曲(参见图3a)直到波导结构300的相对端相遇而形成。

如图4a-4e中所示，波导结构401包括第一基本上为圆筒形的部件420、第二基本上为圆筒形的部件422、第一隔片424和第二隔片430。特别地，第二圆柱体422的半径r2小于第一圆柱体420的半径r1。应该注意到，半径r1和r2之差基本上与折叠矩形波导300(参见图3a)的间隙宽度g相等。第二圆柱体422这样设置在第一圆柱体420之内使得第一和第二圆柱体420和422具有一个共同的对称轴。第一隔片424形成圆盘并且如此放置在第二圆柱体422的中心使得第一圆柱体420、第二圆柱体422和圆盘424具有共同的对称轴。一个扇形开口426形成在圆盘424上，从圆盘424的圆周向圆盘的中心延伸。第二圆柱体422具有一个贯穿其整个长度的开口428(参见图4d)。第二圆柱体422的内壁与圆盘424的圆周边缘相耦合，以使第二圆柱体422的开口428与圆盘424上的扇形开口426对准。从而，使该第二圆柱体422耦合到圆盘424而不阻挡扇形开口426。波导结构401的第二隔片430从第一圆柱体420的内壁延伸至圆盘中心同时将扇形圆盘孔426一分为二。第二隔片430同时耦合到第一圆柱体420的内壁和圆盘424的中心，并被导向使得第二隔片大致垂直于圆盘424的平面。设置第二隔片430来将波导401的输入与波导的输出分开。

应该认识到，波导401被装填并且至少部分填充铁氧体。例如，装填波导结构401的铁氧体可以由锂铁氧体或任何其它适合的铁氧体材料组成。在优化实施例中，波导结构401全部填充铁氧体440，如图4e所示。进一步，波导401包括罩部分432和434(参见图4b-4c)被设置来把铁氧体440包封在波导内，从而形成波导的整体结构。应该认识到，通过用铁氧体440完全填充波导结构401能够减小波导的尺寸，减小的量与铁氧体介电常数ε_r的平方根成比例。例如，在铁氧体440的介电常数ε_r等于14的情况下，波导401的尺寸能够减小的系数为(14)^1/2或者大约3.75∶1。并且，通过用铁氧体440完全填充波导401，能够实现波导中传播的信号的最大相移。

还应认识到，能够产生一个磁场并施加到装填波导401的铁氧体440上来改变铁氧体440的导磁率，从而控制铁氧体微波移相器400中传播的信号的速度并从而控制其相移。在现在公开的实施例中，铁氧体微波移相器400包括一个缠绕在第一圆柱体420周围的线圈(未示出)。线圈被设置来传送一个变化的控制电流，该电流用于产生横向地施加在铁氧体440上的磁场。特别地，RF磁场是与第一圆柱体420，第二圆柱体422和圆盘424的对称轴成对齐地施加的。应该理解到，前面描述线圈的目的是为了举例，可能采用其它结构来电磁产生所施加的磁场。进一步，在其它实施例中，可以通过一个或多个永磁体施加磁场。

根据用于矩形波导100的RF传播模式104(参见图1a)，在波导内的磁场被环形极化(参见图1c)。如图1c所示，在波导100内环形极化的磁场呈并排(side by side)取向。根据用于现在公开的波导401的RF传播模式，在波导401内的磁场也被环形极化。但是，因为波导401的RF传播模式在圆盘形隔片424的附近折叠，与折叠矩形波导200的RF传播模式204(参见图2b)非常相象，因此，在波导401内的圆盘形隔片424相对侧的环形极化的磁场是背靠背(back by back)方向，而不是上述的并排方向。因为这种背靠背的磁场具有相同的环形极化的方向，所以施加到铁氧体440的用于改变铁氧体导磁率的RF磁场的效率提高了。

通过参考下面的详述，将更好地理解铁氧体微波移相器400的作用。铁氧体材料的特征是具有可变化的导磁率。当置于偏振磁场中，铁氧体材料中的铁成分被“加压”。特别地，铁氧体材料内的铁原子的旋转被偏振磁场旋进(process)。进一步，一个施加到铁氧体材料的RF磁场会强化或减弱这种旋进，从而导致铁氧体材料的导磁率或电感特性的增加或减小。

为了利用铁氧体的这种可变导磁率特性可以使用环形极化的磁场。例如，能够产生环形极化的偏振磁场来导致环形的旋进，该环形的旋进允许在被偏振磁场旋进的铁原子的旋转和被施加的RF磁场旋进的原子旋转之间的最大相互作用。铁氧体环形极化的导磁率可以表示为

μ⁺＝1+γM_o/(γHα-ω)                (1)

μ^-＝1+γMO/(γHα+ω)          (2)

其中“γ”是铁氧体的效率特性，“M_o”是铁氧体的饱和特性，和“Hα”是磁力线宽度，它可以被看成是磁性能因数(Q)的值。上述等式(1)和(2)的结果可以分别乘以波导包含铁氧体的填充因数而得到一个最终的导磁率的值。应该认识到，在此详述当中，波导的填充因数可以被看成大约等于一。

本领域普通技术人员将认识到，可以采用单脊波导结构来加宽波导任何外表尺寸的带宽。越向脊形波导中心的阻抗越小，而越向波导外表边缘的阻抗越高，波导作为一个变换器提高截止波长λc的同时加宽波导的带宽。参考上面对折叠矩形波导200(参见图2a-2b)和单脊波导300的描述(参见图3a-3b)，用于波导200和300的RF传播模式分别在隔片202和302附近折叠。

同样如上所述，与矩形波导100有关的截止波长λc可以被表示为

                λc＝2a，        (3)

其中“a”是波导内部的宽度尺寸。当矩形波导100被折叠来形成折叠矩形波导结构200和300时，RF传播模式在折叠区域附近弯曲。RF场从而沿着“π”形弯曲而不是如在矩形波导100中一样沿着笔直的路径。

因此，在折叠矩形波导的折叠区域，在波导内部的高度尺寸“b”被“πb/2”所替代。因此，与折叠矩形波导有关的截止波长λc可以被表示为

λc＝2(a-b+πb/2)，或者

λc＝2(a+b(π/2-1))。            (4)

注意到折叠矩形波导200(参见图2a)的相对薄的隔片202是高载流区，减小该高载流区的横截面能够引起损耗增加。通过提供交叉片306在折叠矩形波导300的隔片302上形成一个加宽的T字型-顶部(参见图3a)，这个由隔片302和交叉片306形成的T结构能够承载更大的电流并且损耗减小。这个T结构还能够减小折叠矩形波导结构的阻抗。

如图1c所示，顺时针和逆时针交替的磁场回路穿过矩形波导100，其中交替回路的平面平行于波导的宽侧。在波导100的一侧，磁场回路被导向成顺时针方向，同时在波导的另一侧磁场回路被导向成逆时针方向。矩形波导100依靠这些顺时针和逆时针交替磁场回路来提供差动相移。注意到，为了将矩形波导100的两侧都利用，典型地，需要两个相对的偏振磁场，在波导的每侧有一个。

通过沿波导内RF能量传播方向将矩形波导100(参见图1a)折叠来形成折叠矩形波导200(参见图2a)和折叠矩形波导300(参见图3a)，顺时针和逆时针交替的磁场回路相互对准，并且当从波导的宽侧观察时看到环形极化的方向是相同的。波导200和300所需要的磁偏能够这样获得，即用单个磁场同时穿过波导的分别位于隔片202和302相对侧的两个通道。而且，通过沿波导的纵向尺寸将矩形波导300(参见图3a)弯曲来形成紧凑型波导结构401(参见图4a-4e)，能够在紧凑型波导401内获得最大的电长度(electric length)，同时保持折叠矩形波导300的磁场性质。

注意到，在波导结构401内传播的RF磁场的两侧都向圆盘424的中心延伸(参见图4a)。偏振磁场和所施加的RF磁场都被局限在波导的中心区域。而且，通过用铁氧体440完全填充所述波导401，波导的尺寸最小化而且填充系数最大化，反过来将铁氧体导磁率的变化最大化以更好地控制通过铁氧体微波移相器400传播的信号的相移。

通过参考图5描述了一种包括波导结构401(参见图4a-4e)的铁氧体微波移相器400的制造方法。如步骤502所述，提供第一和第二圆筒形部件，其中第二圆柱体的半径小于第一圆柱体的半径。然后，如步骤504所述，沿第二圆柱体的全长形成一个开口。然后，如步骤506所述，第二圆柱体被置于第一圆柱体的内部，以使第一和第二圆柱体具有一个共同的对称轴。下一步，如步骤508所述，提供第一圆盘形隔片。然后，如步骤510所述，在圆盘上形成一个扇形开口，从圆盘的圆周向圆盘的中心延伸并逐渐变细。下一步，如步骤512所述，圆盘被置于第二圆柱体的中心，以使第一圆柱体、第二圆柱体和圆盘具有共同的对称轴。然后，如步骤514所述，第二圆柱体的内壁与圆盘的圆周边缘相耦合，以使第二圆柱体的开口与圆盘上的扇形开口对准。然后，如步骤516所述，提供第二平面隔片。然后，如步骤518所述，第二平面隔片耦合到第一圆柱体的内壁和圆盘的中心，以使第二隔片将扇形开口一分为二并且大致垂直于圆盘平面。最后，如步骤520所述，铁氧体微波移相器用铁氧体完全填充。然后，可以将一个RF磁场横向地施加到铁氧体上，用于可控制地将通过移相器装置传播的信号移相。

本领域的普通技术人员将进一步认识到，可以对上述的紧凑型高功率模拟电控移相器进行改进和变化而不偏离此处公开的发明的思想。因此，除去所附的权利要求的范围和精神外，本发明不应该被视为是限制性的。

Claims (10)

1.一种铁氧体移相器，包括：

一输入；

一输出：

一置于输入和输出之间的波导结构；和

装填并且至少部分填充波导结构的铁氧体材料，

其中该波导结构包括

具有第一半径的第一圆筒形的部件，

具有一长度和第二半径的第二圆筒形的部件，所述第二半径小于第一半径，第二圆柱体具有一个在整个长度上延伸的开口，第二圆柱体被置于第一圆柱体的内部，以使第一和第二圆柱体具有一个共同的对称轴，

第一呈圆盘状的隔片，被同心地设置在第二圆柱体内，以使第二圆柱体和所述第一隔片具有共同的对称轴，第一隔片具有一周边、中心和一个穿过它形成的扇形的孔，该孔由圆盘的圆周向圆盘的中心延伸并逐渐变细，第二圆柱体的开口与扇形开口对准，以不阻挡扇形开口，和

呈平面的第二隔片，被置于第一圆柱体内，使得第二隔片从第一圆柱体延伸至第二隔片的中心同时将扇形圆盘孔一分为二，并且垂直于第一隔片，设置所述第二隔片来将铁氧体移相器的输入和输出分开。

2.如权利要求1的铁氧体移相器，其中铁氧体材料装填并完全填充波导结构。

3.如权利要求1的铁氧体移相器，其特征在于进一步包括被设置用于将铁氧体材料包封在波导结构内的多个罩部分。

4.如权利要求1的铁氧体移相器，其特征在于进一步包括用于产生磁场并将该磁场相对于所述波导结构延伸的纵向而横向地施加到铁氧体材料上的装置。

5.如权利要求4的铁氧体移相器，其中所述产生和施加磁场的装置是可以电控的装置。

6.一种铁氧体移相器的制造方法，包括以下步骤：

制造一个波导结构，包括以下步骤

提供具有第一半径的第一圆筒形的部件，

提供具有一长度和第二半径的第二圆筒形的部件，第二半径小于第一半径，第二圆柱体具有一个在整个长度上延伸的开口，

将第二圆柱体置于第一圆柱体的内部，以使第一和第二圆柱体具有一个共同的对称轴，

提供第一呈圆盘状的隔片，其具有一周边、中心和一个穿过它形成的扇形的孔从第一隔片的圆周向中心延伸，

将第一隔片置于第二圆柱体的内部，使得第一隔片位于第二圆柱体的中心，并且第一隔片和第二圆柱体具有共同的对称轴，第二圆柱体的开口与扇形开口对准，以不阻挡扇形开口，

提供呈平面的第二隔片，和

将第二隔片置于第一圆柱体内，使得第二隔片从第一圆柱体延伸至第二隔片的中心同时将扇形圆盘孔一分为二，并且垂直于第一隔片，从而将铁氧体移相器的输入和输出分开；和

用铁氧体材料装填并至少部分填充波导结构。

7.如权利要求6的方法，其中装填步骤包括用铁氧体材料装填并完全填充波导结构。

8.如权利要求6的方法，其特征在于进一步包括提供多个罩部分并将罩部分设置在波导结构的相对侧面以将铁氧体材料包封在波导内的步骤。

9.如权利要求6的方法，其特征在于进一步包括产生磁场并将该磁场相对于所述波导结构延伸的纵向而横向地施加到铁氧体材料的步骤。

10.如权利要求9的方法，其中产生磁场的步骤包括电磁地产生该磁场。

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