PL233021B1

PL233021B1 - Integrated micro-strip slotted broadband ferrite microwave insulator

Info

Publication number: PL233021B1
Application number: PL423093A
Authority: PL
Inventors: Jerzy Mazur; Wojciech Marynowski
Original assignee: Politechnika Gdanska
Priority date: 2017-10-06
Filing date: 2017-10-06
Publication date: 2019-08-30
Also published as: PL423093A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

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.The subject of the invention is an integrated microstrip-slit broadband ferrite microwave insulator applicable in microwave systems for suppressing a wave propagating in one selected direction between its doors.

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.In the publication of 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 shows a transversely magnetized ferrite insulator system. The system consists of a microstrip line placed on a ferrite substrate magnetized transversely to the direction of wave propagation and perpendicular to the substrate plane. To obtain a non-reciprocal effect, one of the edges of the line strip is short-circuited to the screen, while the other side remains open. In such a line structure, as a result of the field displacement phenomenon, a shore type wave is induced. The wave field distribution is asymmetric in the cross-section of the line. Depending on the direction of propagation or the direction of the magnetizing field, the energy of this wave is conducted along one of the line edges. If the wave energy is concentrated at the short edge, then the wave is converted to higher volume types which, due to the cut-off, are suppressed in the line. This causes a high attenuation for the wave propagating at the tight edge of the line. Changing the direction of wave propagation or the direction of the magnetizing field in the line concentrates the wave energy at the obtuse edge along which it is transmitted with little attenuation. A significant non-reciprocal effect occurring in the discussed type of insulator occurs only in the frequency range in which ferrite is characterized by negative effective magnetic permeability peff <0, where pf = (μ ² -μ ₃ ² ) / μ and μ and μ3 are elements of the material magnetic permeability tensor ferrite.

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%.From 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. In 2014, a solution of the aforementioned insulator system is known, based on the production of the edge of a compact ferrite line through a series of metallized vias that shorten the metal line strip to the screen. This isolator has a transmission loss of 2.2 dB and an insulation of 30 dB. The disadvantage of the presented solution is the narrow operating bandwidth of the system, which is about 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.Another ferrite insulator solution is presented in 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. This system consists of an integrated rectangular waveguide filled with ferrite material transversely magnetized by a set of two opposing magnetic fields. The described method of magnetizing the ferrite section was previously used in Joey Bray, Langis Roy US 6867664 B2 Ferrite-filled, antisymmetrically-biased rectangular waveguide phase shifter for phase shifter implementation. The ferrite section is connected to the microstrip gates of the system through a convergent impedance transformer. As a result of antisymmetric magnetization of the ferrite section, the em field distribution. in cross section it is symmetrical, but the energy concentration of the em field. depends on the direction of wave propagation or the direction of the magnetizing field. The ferrite section is excited from the microstrip line by an even type wave, which is guided with low attenuation along the magnetic plane representing the cross section of the longitudinal symmetry of the entire system. When the direction of excitation or the direction of the magnetizing fields is changed, the wave energy is conducted along the edges of the compact ferrite sections. In this case, this wave is strongly damped due to the effect of converting the energy of the wave to the severed higher field types. As a result, the system, like the above-described closed edge structures, has insulator properties in the frequency band where peff <0. The presented system has a working bandwidth of 16%, which ensures insulation at the level of 55 dB. The disadvantage of this system is the significant insertion losses varying in the operating range between 4.6 dB and 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.However, the above-described insulator arrangements require a short circuit between the edges of the signal strips and the screen in the ferrite section to provide insulation. The implementation of such a short circuit causes technological difficulties and increases the cost of making such a system. In addition, the quality and the adopted technology of making the short-circuit significantly affect the insulation value of the system.

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 rozwartychThe analysis of the ferrite microstrip line magnetized with an asymmetric field shows that at odd excitation, there is an electric plane in the symmetry section of the line. If such a line is excited by an odd wave, then for one direction of propagation this wave is guided along the symmetry section. Due to the electric wall present in the symmetry cross-section, this wave is strongly damped. For the opposite direction of propagation, the wave is guided along both obtuse ends

PL 233 021 B1 brzegów linii, gdzie ulega tylko niewielkiemu tłumieniu. W rezultacie taki układ posiada własności izolatora mikrofalowego.The edges of the lines where it is only slightly damped. As a result, such a system has the properties of a microwave insulator.

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.In order to implement such an insulator, a higher type of odd-type field should be energized in the microstrip line, for which the symmetry cross-section of the line is characterized by the electric plane. This type of wave can be excited in the line, if we introduce a slit into the screen along the symmetry section of the line. Then, in such a line configuration, there will be an odd-type wave excited through this slot.

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.From 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. In 1988, a transition is known that enables the excitation of the slit line from the microstrip line. In order to obtain maximum signal transmission between these lines, they are terminated with resonators representing a short-circuit at the end of the microstrip line, and an opening at the end of the slit line. The work proposes the use of resonators of various shapes. The designed circuit, measured as a cascade of two transitions from the microstrip line to the slotted line and vice versa, provides losses of less than 0.5 dB in a wide frequency band from 1 to 10 GHz. In the publication of 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, the transition between the microstrip line and the slit line was used to obtain the output of the signal system in an out-of-phase, i.e. an odd-type wave.

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.An integrated microstrip-slotted broadband ferrite microwave insulator containing a dielectric substrate, on which on one side is applied a ferrite element magnetized with a transversely antisymmetric homogeneous field by means of two pairs of oppositely placed permanent magnets, according to the invention, a screen is applied between the dielectric substrate and the ferrite plate metallized, in which the coupling gap is made. A microstrip line with circular resonators is made between the dielectric substrate and the lower pair of permanent magnets. Metallized stripes are placed between the ferrite plate and the upper pair of permanent magnets.

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.The ferrite section of the insulator according to the invention is excited by the so-called odd type. With such excitation, the longitudinal plane of symmetry of the line is characterized by the electrical plane which is required for the system to function as an insulator as set out above. The advantage of the invention is the possibility of implementing an integrated ferrite insulator, in which, in order to obtain non-reciprocal effects, no physical short circuit in its structure is required. Additionally, the proposed insulator works in a much wider frequency range than insulators known from the literature, in which the ferrite section is excited by the so-called even type.

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.The invention is presented in more detail in the drawing, in which Fig. 1 shows the dielectric plate with microstrip lines - top view, Fig. 2 shows the plane of the screen with coupling slots, Fig. 3 shows the circumference of the microstrip line on the ferrite plate, Fig. 4 shows the structure made of in the ferrite area along with the marked directions of the magnetizing field in the cross-section, and Fig. 5 shows the scattering parameters of the proposed microwave insulator system.

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.The insulator contains plates: dielectric 1 and ferrite 2 placed one above the other and separated by a metal screen 3. On the outside of the dielectric plate 1 there are metal strips 4 constituting the gate to the system. The slit line 5 was created in the screen 3. The slit stimulation was realized by means of the transition from the microstrip line 6 to the slit line 5 using round resonators 7. In order to stimulate the ferrite section, the slit 5 made in the screen 3 was shortened in its central part. As a result, at the entrance of the ferrite section, an odd type of field is formed, which is characterized by the presence of an electric plane in the symmetry plane of the cross-section of the system. Due to the antisymmetric magnetization by means of two pairs of permanent magnets: lower 8 and upper 9, of the ferrite section, in the case of signal transmission through the system in one direction, the field is concentrated at the side edges of the ferrite section and, after passing through it, it energizes the slot-microstrip transformer. As a result, the signal is received on the microstrip line 6 representing the exit gates of the system. Conversely, when transmitting the signal through the circuit in the opposite direction, the field is concentrated in the central part of the cross section of the ferrite section. Due to the presence of an electric plane in this region, the signal energy is attenuated as a result of its transformation into suppressed higher field types.

PL 233 021 B1PL 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.An exemplary simulation result of the proposed microwave insulator system implemented according to the invention is shown in Fig. 2. Based on the results obtained, it can be concluded that the system operates in a wide frequency range of 4.2 GHz to 8.2 GHz (ie about 65%). In this band, the defeat factors (S11, S22) are lower than -15 dB, the system is characterized by high isolation between 25 dB and 45 dB and low insertion losses between 2.1 dB and 2.4 dB. In order to verify the results of the calculations, experimental tests of the realized insulator prototype were carried out. The measured system worked in a narrower frequency band than its simulated model, which is caused by difficulties in the physical implementation of the proper distribution of the antisymmetric magnetic field with the available technical facilities. However, the obtained results clearly confirmed the non-reciprocal nature of the proposed system. The greatest difference between the measured insulation and transmission is 37 dB at 7.62 GHz. Further work will be aimed at the implementation of the magnetizing system ensuring the appropriate distribution of the magnetic field, which is required for the proper operation of the insulator system.

Claims

Patent claim

1.Integrated microstrip-slit broadband ferrite microwave insulator containing a dielectric substrate, on which on one side is applied a ferrite element magnetized with a transversely antisymmetric homogeneous field by means of two pairs of oppositely placed permanent magnets, characterized in that between the dielectric substrate (1) and the ferrite plate (2) a metallized screen (3) with a coupling gap (5) is applied, a microstrip line (6) with circular resonators (7) is made between the dielectric substrate (1) and the lower pair of permanent magnets (8), and the metallized strips (4) are placed between the ferrite plate (2) and the upper pair of permanent magnets (9).