一种X波段波导环形器的制作方法

本发明涉及微波器件技术领域，特别是一种X波段波导环形器。

背景技术：

铁氧体样品的发现是微波技术中的一大突破，它是一种旋磁材料。由这种材料制作的环形器，作为一种微波铁氧体非互易器件，是微波工程中一类用途广泛的重要元件。它可用于微波通讯中的分路元件；在测试设备中可作为定向耦合器、隔离器；在参量放大器中用了环形器可提高放大器的增益带宽；在雷达和微波系统中，环形器可作为收发开关。

常见的波导结环形器由三个互成120°的波导相交而成，其中心结包含波导腔、匹配块、铁氧体样品、永磁体等。匹配块用于实现波导腔与铁氧体样品的阻抗匹配，永磁体为两片恒磁铁，提供铁氧体样品的外加磁场。

实际加工过程中，匹配块和铁氧体样品的尺寸必然会产生一定的误差。另外，在匹配块以及铁氧体样品的装配过程中，很难做到准确定位，也会产生一定的装配误差，从而导致环形器的阻抗不匹配问题。在装配与调试过程中，必然会耗费大量的时间，增加了工作量，造成成本的增加与时间的浪费。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种X波段波导环形器，其结构简单、容易调节，可有效解决环形器的阻抗匹配以及准确快速定位安装调试问题，缩短生产调试周期。

本发明采取的技术方案具体为：一种X波段波导环形器，包括上下对接形成三端口波导腔的上腔壳和下腔壳，波导腔内部中心设有Y形波导结；上腔壳和下腔壳外侧部、与波导腔内部中心相对应的位置分别设有永磁体容置槽，永磁体容置槽中安装有永磁体；

Y形波导结包括：形状相同且相对设置的三角形的第一匹配块与第二匹配块，形状相同且相对设置的三角形的第一铁氧体与第二铁氧体；第一匹配块的上表面固接上腔壳内壁，第二匹配块的下表面固接下腔壳内壁；第一匹配块、第二匹配块、第一铁氧体和第二铁氧体的三个角分别朝向波导腔的三个端口，且四者重心在垂直方向的投影相重合；

第一匹配块的下表面上和第二匹配块的上表面上分别设有与第一铁氧体和第二铁氧体形状相同的装配台阶，第一铁氧体和第二铁氧体分别固接所述装配台阶，且第一铁氧体和第二铁氧体与所固接的装配台阶之间外轮廓相重合；

上腔壳上，对应各波导腔端口的上方分别设有螺孔，螺孔内螺接有可旋入波导腔端口内部的调谐螺钉。

本发明中，匹配块上的装配台阶用于预先确定铁氧体的装配位置，当装配台阶位置固定时，只需将与装配台阶形状相同的铁氧体轮廓重合的粘接到装配台阶上即可满足装配要求。由于形状相同，铁氧体在装配时，较之将不同形状大小的两个结构进行重心重合且要求三角朝向一一对应的装配过程来说，装配难度大大降低。同时，本发明中三个端口上方设置的调谐螺钉形成了三螺钉匹配器，在环形器的测试中，通过该三螺钉匹配器可以有效调节阻抗匹配，减少加工误差的影响，并进一步拓展带宽。

进一步的，环形器的三个端口上分别固接有法兰盘，各法兰盘上分别设有扼流圈。法兰盘可采用标准法兰盘，以方便环形器与其它器件之间的连接。

更进一步的，本发明中，Y形环形器的其中两个臂分别连接一个波导弯头，使得环形器呈T形。即形成T-Y结构，可使环形器的结构更加紧凑，方便与其它器件进行连接，而不必在连接时另外连接150°波导弯头。应用于H面减高的结环结构，则所述波导弯头为H面波导弯头。

优选的，本发明中，上腔壳与下腔壳为非对称结构，上腔壳为板状，下腔壳内设有Y形凹槽，上腔壳覆盖于Y形凹槽上方形成Y形波导腔。这种结构的组合可使得上腔壳与下腔壳之间的装配更加方便。

优选的，上腔壳、下腔壳、第一匹配块、第二匹配块和装配台阶均为等边三角形。即环形器可呈相邻端口之间夹角120度的的三端口形态，后续可通过连接波导弯头实现T形环形器。

优选的，本发明中，上腔壳、第一匹配块与装配台阶为一体化加工而成的结构，下腔壳、第二匹配块与装配台阶为一体化加工而成的结构。一体化加工时，可通过模具预先确定各部分结构的尺寸和位置关系，使得环形器的结构稳定性和可靠性更高，避免分别装配带来的误差。

优选的，本发明中，上腔壳、下腔壳、第一匹配块、第二匹配块和装配台阶采用相同的铝材料制成。铝具有质轻、耐氧化高反射性等特点，应用于本发明可使得环形器的性能更好、重量更轻、寿命更长。

优选的，本发明所述装配台阶为位于第一匹配块和第二匹配块表面上的三角形凸起。在装配时，只需将铁氧体的外轮廓与装配台阶的外轮廓对准，然后通过导电胶固定即可。

优选的，本发明所述装配台阶为位于第一匹配块和第二匹配块表面的三角形凹陷部。在装配时，只需将铁氧体置入三角形凹陷部内，并通过导电胶固定即可。

优选的，本发明中永磁体与铁氧体之间间隔的距离为0.5-1毫米。永磁体与铁氧体之间有一定的间隙，铁氧体处的磁场会弱于表磁，在调试时，可加工一些不同厚度且与永磁体直径相同的薄铝片，通过在永磁体与铁氧体之间加入不同厚度的铝片来调整铁氧体的磁化场强。

优选的，本发明中，各波导腔端口上方的螺孔位于端口上方中间位置。调谐螺钉的轴向垂直于上腔壳所在平面。可使得调谐的效率更高，且更容易得到调谐的规律。

有益效果

1）本发明采用了波导内H面减高的结环结构，三端口中心结设计成部分高度两片上下对称的三角铁氧体形式，并且使三角形铁氧体的每一角顶点分别对准环形器的三个输入输出端口正中。这种结构能够有效减小铁氧体样品的尺寸，利于散热和减小外加磁场；

2）本发明使用了三角形金属阻抗变换器进行匹配。这种阻抗变换器是脊宽逐渐减小的双脊波导，其楔形结构的作用可理解为一渐变匹配变换器，利于增加带宽；

3）本发明采用装配台阶实现对铁氧体装配的预定位，可大大提高装配效率，减小装配误差带来的性能影响；

4）本发明通过调谐螺钉实现端口阻抗的匹配调节，进一步减少加工误差的影响；

5）本发明将环形器设计成T-Y结构形式，结构更加紧凑，更有利于环形器与其它器件之间的连接。

附图说明

图1所示为本发明整体结构示意图；

图2所示为本发明环形器剖面结构示意图；

图3所示为上腔壳外部结构示意图；

图4所示为上腔壳内部结构示意图；

图5所示为下腔壳外部结构示意图；

图6所示为下腔壳内部结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

结合图1至图6，本发明的X波段波导环形器，包括上下对接形成三端口波导腔的上腔壳1和下腔壳2，波导腔内部中心设有Y形波导结；上腔壳1和下腔壳2外侧部、与波导腔内部中心相对应的位置分别设有永磁体容置槽9（10），永磁体容置槽中安装有永磁体3（20）；

Y形波导结包括：形状相同且相对设置的三角形的第一匹配块13与第二匹配块14，形状相同且相对设置的三角形的第一铁氧体17与第二铁氧体18；第一匹配块13的上表面固接上腔壳1内壁，第二匹配块14的下表面固接下腔壳2内壁；第一匹配块13、第二匹配块14、第一铁氧体17和第二铁氧体18的三个角分别朝向波导腔的三个端口，且四者重心在垂直方向的投影相重合；

第一匹配块13的下表面上和第二匹配块14的上表面上分别设有与第一铁氧体17和第二铁氧体18形状相同的装配台阶15（16），第一铁氧体17和第二铁氧体18分别固接所述装配台阶15（16），且第一铁氧体和第二铁氧体与所固接的装配台阶之间外轮廓相重合；

上腔壳1上，对应各波导腔端口的上方分别设有螺孔6（7、8），螺孔内螺接有可旋入波导腔端口内部的调谐螺钉。

本发明中，匹配块上的装配台阶用于预先确定铁氧体的装配位置，当装配台阶位置固定时，只需将与装配台阶形状相同的铁氧体轮廓重合的粘接到装配台阶上即可满足装配要求。由于形状相同，铁氧体在装配时，较之将不同形状大小的两个结构进行重心重合且要求三角朝向一一对应的装配过程来说，装配难度大大降低。同时，本发明中三个端口上方设置的调谐螺钉形成了三螺钉匹配器，在环形器的测试中，通过该三螺钉匹配器可以有效调节阻抗匹配，减少加工误差的影响，并进一步拓展带宽。

实施例

如图1和2所示，环形器包括：环形器上腔壳1，环形器下腔壳2，2片永磁体3（20），2片匹配块13（14），2片装配台阶15（16），2片铁氧体样品17（18）。

X波段波导环形器三端口P1、P2、P3在同一平面，中心结部分相邻两个端口之间互成120°构成Y形对称结构，在其两个端口P1、P3处与H面波导弯头连接，内腔结构上由120°Y形对称结构过渡为90°的T形外接端口，其T形外接端口通过标准法兰盘10（11、12）与系统整机连接，从而设计为T-Y结构。法兰盘10（11、12）均具有扼流圈。

环形器上腔壳1与下腔壳2结构不对称，上腔壳1为波导腔盖，下腔壳2为波导腔槽。

上腔壳1周边有多个定位销钉孔4，下腔壳2周边相对应有多个定位销钉孔22。上腔壳1和下腔壳2通过销钉孔进行定位。定位销钉孔4和22数量均有2个。

上腔壳1周边有多个螺孔5，下腔壳2周边相对应有多个螺孔21。上腔壳1和下腔壳2通过螺钉相连接。螺孔5和21数量具有6颗。

上腔壳1具有调节阻抗匹配调谐螺钉6（7、8），调谐螺钉6（7、8）为调节固定螺丝，调谐螺钉6（7、8）分别安装在上腔壳外部靠近三个法兰盘10（11、12）处，垂直于上腔壳1内部。

该环形器上腔壳1的外部中心结部分留有圆柱型槽9，内部具有三角形匹配块13，装配台阶15紧贴着匹配块13，铁氧体样品17紧贴于装配台阶15；环形下腔壳2的外部中心结部分留有圆柱型槽19，内部具有三角形匹配块14，装配台阶16紧贴着匹配块14，铁氧体样品18紧贴于装配台阶16。圆柱型槽的作用是存放永磁体，为铁氧体样品提供恒定的外加偏置磁场。

两个永磁体3（20）物理参数均相同，分别放置于波导腔体外部中心结部分与其尺寸相近的圆柱型槽9（19）内。

铁氧体样品均为等边三角形。匹配块均为等边三角形，三个角尖分别正对三个端口的中心。

本发明使用了装配台阶15（16），所述装配台阶可凸起，可凹进，其形状与铁氧体样品保持一致。其尺寸可通过高频仿真软件HFSS，进行参数的优化仿真。

为减少定位以及装配误差，在环形器加工时，上腔壳1、三角形匹配块13以及装配台阶15使用相同的铝材料，采取一体化加工方式。下腔壳2、三角形匹配块14以及装配台阶16使用相同的铝材料，采取一体化加工方式。

在环形器装配时，将铁氧体样品17一面涂上导电胶，紧贴粘于装配台阶15上，使三角形的三个尖角分别对准三角形匹配块13的三个轴线上，这时，铁氧体样品17与装配台阶15中心重合；将铁氧体样品18一面涂上导电胶，紧贴粘于装配台阶16上，使三角形的三个尖角分别对准三角形匹配块14的三个轴线上，这时，铁氧体样品18与装配台阶16中心重合。导电胶固化后，上腔壳1与下腔壳2利用销钉4和22定位，进而使用螺钉5和21紧固成型，如图1所示。为使波导环形器获得最佳的匹配性能，在环形器调试过程中，可通过调谐螺钉根据实际需求进行相应的调整。

综上，本发明引入装配台阶以及调谐螺钉，降低了由于加工误差以及装配安装误差所带来的性能的降低，有效解决了环形器的装配定位、阻抗匹配问题。