[发明专利]液氦和液氮温区的C波段隔离器及应用

说明书

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体为一种基于低温铁氧体技术的非互易液氦和液氮温区的C波段隔离器及其在低噪声接收机前端、卫星通讯及超导雷达接收机系统中的应用。

背景技术

微波隔离器是一种实现单向传输的无源器件，广泛应用于雷达接收机、无线通信领域，是接收机前端系统的关键器件。为了降低热噪声，射电天文接收机需要在液氮温区以下到液氦温区的低温环境工作，然而常温隔离器在低温下其特性发生严重恶化，随着环境温度的降低，其工作频段发生偏移，带宽越来越窄，甚至在低温下完全失去隔离特性，所以常温隔离器不能直接用于低温环境，不能满足低温隔离器的要求，且其温度特性在低温下并没有可预测性。国内低温隔离器的研制目前尚属空白，通常对常温隔离器采取温度补偿措施，在偏置永磁体和器件基座之间添加镍合金补偿片等方法，以求隔离器在较宽工作温度内保持较好的工作状态，但这种温度补偿的方法，也只能实现工作温度最大范围为233K~353K，这仍无法满足液氦和液氮温区工作环境的需求。

国外对低温隔离器研究比较早，当微波带线结型隔离器理论发展起来之后，R. L. Comstock和C. E. Fay就开始了低温隔离器的研究，其基于微波铁氧体单晶和多晶YIG材料，实现了低温4K窄带隔离器研制，工作频率为3.9GHz~4.1GHz，（R. L. Comstock，C. E. Fay, “Performance and Ferrimagnetic Material Considerations in Cryogenic Microwave Devices,” J. Appl. Phys. vol. 36, 1965, pp. 1253-1258.），然而单晶和多晶YIG材料其饱和磁化强度4πM_s值比较固定，限制了其他工作频率隔离器的设计。D. H. ROTH等人使用微波铁氧体CVB材料进行了低温隔离器的设计（D. H. ROTH, etc., “Investigation of Ferrimagnetic Materials at Low Temperatures and Some Applications in Low-Noise Receivers,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. Mag-2, No. 3, 1966, pp. 256-259.），也实现了低温4K窄带隔离器研制，工作频率为3.3GHz~4.3GHz，但是CVB材料饱和磁化强度4πMs值覆盖范围较小，无法覆盖更宽的微波频率。近年来，随着更高灵敏度低噪声射电天文接收机、卫星通讯及超导雷达接收机的日益发展与广泛应用，低温隔离器的需求也日益剧增，宽带化要求也越来越高。对于超导混频接收机来说，低温隔离器可以应用于超导混频器和低温低噪声放大器之间；对半导体低温接收机中可用于天线和放大器之间或第一级放大器后，实现级间隔离、阻抗匹配的作用。低温隔离器可以大大抑制级间失配引起的驻波对混频器等器件的影响，这对接收机整体性能有着重要的作用，所以低温隔离器，尤其是低温宽带隔离器对于低噪声接收机而言是非常必要的。目前国内对低温隔离器的研究尚属空白，因而对低温宽带隔离器的研制成为低噪声接收机领域迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提供了一种低温4K~90K下具有隔离度高，插入损耗小，可以满足低噪声接收机系统前端需求的低温微波隔离器。

本发明具体技术方案如下：

一种液氦和液氮温区的C波段隔离器，包括铁氧体，其特征在于所述铁氧体采用YAlIG-6A制成，其中Al₂O₃含量为5.24％，该材料300K时，饱和磁化强度为4πM_s＝590Gauss， 4K时4πM_s＝980Gauss。

上述液氦和液氮温区为4K~90K之间。

上述隔离器的工作频率范围为5.35GHz~6.65GHz。

本发明所述的隔离器为本领域常规使用的类型和结构，包括波导型或微带型的谐振式隔离器或场移式隔离器以及法拉第旋转式隔离器等，优选Y结型环行器，进一步优选Y结型带线中心导体圆直径为8mm，铁氧体直径为14mm，厚度为0.85mm，可以实现低温4K~90K下相对工作带宽大于21%。

本发明还提供了上述隔离器在低噪声接收机前端、卫星通讯及超导雷达接收机系统中的应用。