CN101667673A - 一种膜片集成式微带铁氧体环行器 - Google Patents

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Abstract

该发明属于固体电子器件中的集成式微带铁氧体环行器，包括底部设有凹槽的介电质或半导体基片及设于凹槽内的高电导率金属块或接地膜，附着于基片上部的铁氧体膜片，紧贴于铁氧体膜片上的高电导率中心结及其匹配段，位于基片底面的高电导率接地膜。该环行器由于在基片底面增设了凹槽，并在凹槽内置入了与其相同体积的金属块或在其内表面覆盖接地膜，其有效磁导率张量k/μ得到大幅度提高，而结阻抗则大幅度降低，在相同性能的前提下与背景技术相比、环行器的体积、厚度则可有效降低；从而具有在确保铁氧体环行器的性能和可靠性的前提下，可有效减小其体积、厚度；实现小型化、平面化、便于微波电路的集成，促进单片微波集成电路发展等特点。

Description

一种膜片集成式微带铁氧体环行器
技术领域
本发明属于固体电子器件中的微波器件生产技术领域，特别是涉及一种利用膜片铁氧体集成的微带铁氧体环行器。
背景技术
铁氧体环行器是一种非互易性的多端口微波器件，具有沿着特定方向传输微波信号、而反方向隔离的特性；在微波通信、电子对抗、微波测量、相控阵雷达T/R组件等系统中有着重要的作用。如在移动通信的基站和移动系统中，铁氧体环行器主要作为收、发电路与天线连接的共用装置；在发射和接收系统中作为功率放大器、开关放大器的输入和输出隔离以及在测量系统中起去耦作用，以达到保护系统、提高其稳定性、可靠性的目的。微波铁氧体环行器作为一种分立元件，是采用一定形状的铁氧体和各种微波传输线构成的一种非互易性的多端口微波器件。传统铁氧体块材结构环行器如带线结构和微带结构环行器的设计基本都是从H.Bosma等人的理论出发，大多采用将铁氧体块材嵌入基板的结构形式制作，这种结构的的环行器虽然具有铁氧体所占的比例较大，但体积亦大、很难直接与微波电路集成；以其中体积相对较小的微带结构环行器为例，该环行器采用Al2O3陶瓷类介电质材料或半导体材料作基板(片)，并在基板中开设圆孔，然后在该圆孔内嵌入与其孔径及厚度相同的铁氧体作为环行器芯片，最后在基板及钦氧体芯片的上、下面镀设高电导率金属膜和接地膜，分别作为环行器的中心结及其匹配段和接地膜，其中中心结的形状与铁氧体芯片相同、而匹配段位于基板上。此种类微带结构的铁氧体环行器由于在Al2O3陶瓷基板中心孔内嵌入铁氧体块材，导致环行器存在厚度及体积大、不能用于微波电路的集成，而且铁氧体与基板中心孔的结合强度差等缺陷。随着现代通信系统向小型化、轻量化、高可靠的方向发展，对微波铁氧体微波环行器提出了小型化、平面化、可集成的要求，以显著降低系统的体积和重量，提高其可靠性。针对上述采用嵌入式微带结构的微波铁氧体环行器所存在的缺陷，并为了满足其平面化、可集成等要求，有人又试图采用基板+铁氧体膜片的结构来制作环行器，即采用板体式基材(如：Al2O3陶瓷、蓝宝石或半导体材料如GaAs等)作为支撑铁氧体的基板，然后在其基板上印刷或溅射、沉积铁氧体膜片；这种结构的环行器虽然具有可小型化和易于集成的优点，
但由于此种环行器中铁氧体膜片的厚度一般远小于基板的厚度，在基板与铁氧体膜片所制成的结构体中铁氧体所占的比例往往很小，且随着钦氧体膜片厚度的减小，环行器的性能将会随之大幅降低；进而导致这种结构体的有效磁导率张量k/μ大幅降低(其中：k为铁氧体材料张量磁导率非对角分量，μ为铁氧体材料张量磁导率对角分量)，而根据环行器的理论，当结构体的k/μ太小时，环行器的环行性能极弱、甚至失去环行性能；同时，当k/μ很小时、也使得结环行器的负载QL值
Figure A20091016773300041
很大、导致环行器的结阻抗很大，从而又很难实现端口的阻抗匹配，也使环行器的环行性能极度降低、甚至失去环行性能。反之，若加大结构体中铁氧体膜片的厚度、提高铁氧体所占的比例，又不但增加了环行器的厚度、不利于微波电路的集成，亦降低了铁氧体膜片与其基板的结合强度。因而，背景技术存在环行器的厚度和体积与环行性能之间难以协调的矛盾，仍难以满足对环行器小型化、平面化、可集成的要求等弊病。
发明内容
本发明的目的是在背景技术基础上，改进设计一种膜片集成式微带铁氧体环行器，在确保铁氧体环行器性能和可靠性的条件下，有效减小其体积、厚度，达到小型化、平面化、便于微波电路的集成等目的。
本发明的解决方案是在传统的微带微波环行器基本结构的基础上，针对在相同厚度下基板与钦氧体膜片所制成的结构体中铁氧体所占的比例往往很小，造成有效磁导率张量k/μ小，而采用加大铁氧体膜片的厚度来提高结构体中铁氧体所占的比例、则有效磁导率张量k/μ在得到有效提高的同时，结构体的厚度(体积)也将随之大幅度增加，而不利于微波电路的集成的缺陷。本发明在基板背面增设一与环行器的中心结相同形状的凹槽，然后在凹槽内置入金属或在凹槽内表面覆盖接地膜，以有效降低基板在结构体中所占比例、提高有效磁导率张量k/μ、降低环行器的结阻抗，在确保铁氧体环行器性能和可靠性的条件下，有效减小其体积、厚度，从而实现其目的。因此，本发明集成式微带铁氧体环行器包括介电质或半导体基片，附着于基片上部的铁氧体膜片，紧贴于铁氧体膜片上的高电导率中心结及其匹配段，位于基片底面的高电导率接地膜，关键在于在基片底面还开设有一轴截面形状与中心结相同的凹槽，且在凹槽内置入了与凹槽腔体相同体积的高电导率金属块或在凹槽内表面覆盖接地膜；高电导率金属块与凹槽腔体的内壁紧固成一体，而接地膜则紧贴于该高电导率金属块及基片底面或基片底面和凹槽内表面。
上述介电质或半导体基片中：介电质基片为蓝宝石或Al2O3陶瓷基片，半导体基片则为GaAs。所述在基片底面还开设有一凹槽，凹槽槽底距基片上表面20～60μm(即槽底部位基片的厚度)。而所述附着于基片上部的铁氧体膜片，其膜片厚为3～80μm，其附着方法则采用脉冲激光沉积或磁控溅射、或丝网印刷方式将铁氧体附着于基片上。所述高电导率金属为Au(金)或Ag(银)、Cu(铜)、Pt(铂)。
本发明由于在基板背面增设了一与环行器的中心结形状相同的凹槽，并在凹槽内置入高电导率金属或在其内表面覆盖接地膜，在相同厚度(体积)铁氧体的条件下有效降低了基板在结构体中所占比例，而有效磁导率张量k/μ得到大幅度提高，而环行器的结阻抗则大幅度降低；反之，在相同性能的前提下铁氧体的厚度则可较大幅度降低。因而本发明具有在确保铁氧体环行器的性能和可靠性的前提下，可有效减小其体积、厚度；实现小型化、平面化、便于微波电路的集成，促进单片微波集成电路发展等特点。
附图说明
图1.为本发明集成式微带铁氧体环行器结构示意图；
图2.为本发明实施例1集成式微带铁氧体环行器各部件展开状态示意图；
图3.为实施例1微波特性的有限元仿真结果座标对比示意图；
图4.为本发明实施例2结构示意图(A-A视图)。
图中：1.基片，2.铁氧体膜片，3.中心结，4.匹配段，5.接地膜，6.(基板)凹槽，7.高电导率金属块。
具体实施方式
实施例1：图2.为本实施例环行器各部件展开状态示意图，基片1采用Al2O3陶瓷材料，其厚度为200μm(微米)，相对介电常数为9.8；其底部凹槽6半径R880μm、槽深150μm，；铁氧体膜片2为钡铁氧体、厚度为10μm、饱和磁化强度为2500Gs、相对介电常数为15、铁氧体薄膜受到的偏置磁场为106A/m，；中心结3、匹配段4、接地膜5均为厚度为3μm的金(Au)膜，其中，中心结3采用圆形、半径为R880μm，匹配段4均采用内端宽、外端窄的宽窄不同的两节线、其宽度和长度分别为：400μm、200μm及160μm、940μm；高电导率金属块7采用银(Ag)、其半径与中心结3的半径相同亦为880μm、其厚为150微米。
本实施例环行器的制作方法为：凹槽6采用激光刻蚀而成；铁氧体膜片2采用磁控溅射工艺将其牢固附着于基片1的上表面；高电导率金属块7是将银(Ag)粉置于凹槽6内采用高温火焰吹熔后、在凹槽6内冷却而成；然后将带铁氧体膜片2及高电导率金属块7的基片1送入蒸镀装置内在其上、下两面(铁氧体膜片2及高电导率金属块7和基片1的底面)进行镀金处理，最后采用光刻工艺将铁氧体膜片2上多余的金膜除去，即成。
本实施例所制得的环行器与相同性能的背景技术相比、可降低厚度20％左右；采用有限元软件对其进行电磁特性仿真试验，其结果如图3所示：即在29GHz左右，隔离大于30dB，而插入损失小于1dB，可见本发明环行器具有优异的环行性能。
实施例2：图4.为本实施例2结构示意图，基片1及其凹槽6、铁氧体膜片2、中心结3、匹配段4均与实施例1相同，该实施例在基片1的底面和凹槽6的内表面均蒸镀3μm厚的金膜，而省去金属块(Ag)7以节约部分贵金属并进一步降低重量。

Claims (5)

1.一种膜片集成式微带铁氧体环行器，包括介电质或半导体基片，附着于基片上部的铁氧体膜片，紧贴于铁氧体膜片上的高电导率中心结及其匹配段，位于基片底面的高电导率接地膜，其特征在于在基片底面还开设有一轴截面形状与中心结相同的凹槽，且在凹槽内置入了与凹槽腔体相同体积的高电导率金属块或在凹槽内表面覆盖接地膜；高电导率金属块与凹槽腔体的内壁紧固成一体，而接地膜则紧贴于该高电导率金属块及基片底面或基片底面和凹槽内表面。
2.按权利要求1所述膜片集成式微带铁氧体环行器，其特征在于所述介电质或半导体基片中：介电质基片为蓝宝石或Al2O3陶瓷基片，而半导体基片则为GaAs。
3.按权利要求1所述膜片集成式微带铁氧体环行器，其特征在于所述在基片底面还开设有一凹槽，凹槽槽底距基片上表面30～60μm。
4.按权利要求1所述膜片集成式微带铁氧体环行器，其特征在于所述附着于基片上部的铁氧体膜片，其膜片厚为3～20μm；而其附着的方法则采用脉冲激光沉积或磁控溅射、或丝网印刷方式将铁氧体附着于基片上。
5.按权利要求1所述膜片集成式微带铁氧体环行器，其特征在于所述高电导率金属为Au或Ag、Cu、Pt。
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