CN105633521B - 一种基于介电可调薄膜的微波铁氧体环形器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波可调器件与微电子材料领域，涉及微波铁氧体环形器，提供一种基于介电可调薄膜的微波铁氧体环形器，用于拓宽微波铁氧体环形器的带宽、降低插损。本发明环形器采用微带三端口结构，包括硅基片、设置于硅基片上的铁氧体厚膜、以及铁氧体厚膜上设置的微带结构；所述微带结构中每个端口均集成有一个介电可调薄膜变容管及其对应的外加电场结构，所述介电可调薄膜变容管由从下往上依次层叠的下电极、介电可调薄膜及上电极构成，所述下电极设置于铁氧体厚膜上，所述上、下电极分别连接微带线，上、下电极之间相绝缘。本发明采用介电可调薄膜变容管作为微带结构中的微带匹配结，有效降低了插损，拓宽了工作带宽。

Description

一种基于介电可调薄膜的微波铁氧体环形器
技术领域
本发明属于微波可调器件与微电子材料领域，涉及微波铁氧体环形器，具体为一种基于介电可调薄膜的微波铁氧体环形器。
背景技术
环形器是一种多端口器件，电磁波在环形器中的传输只能沿单方向环行反方向隔离，作为一种重要的微波铁氧体器件广泛应用于无线收发系统中。目前商用的主要是基于尖晶石和石榴石铁氧体的环形器，这类环形器在高频使用时，需要一个强大的外加偏置磁场，因此不利于器件的小型化，集成化，高频化发展；六角晶系铁氧体材料具有高的磁晶各向异性场，可以应用到毫米波段，所需外加偏置场非常小，甚至不需外加偏置磁场，因而能够实现自偏置功能。微波铁氧体环形器由于材料物理损耗原因，其插损较大；外围匹配结构因空间物理尺寸限制不能实现宽带化；常见微波环形器的结构有微带式、波导式及带状线，其中微波铁氧体环形器主要采用微带三端口结构，其结构如图1所示，基片上采用铁氧体材料作为介质，上置导带结构，加恒定磁场就具有环行特性。
上述微波铁氧体环行器性能的优劣除了铁氧体本身的磁参数外，最直接的决定因素是整个环行器三端口的阻抗匹配程度，而该环形器采用分布参数的微带线结构作为匹配网络，其等效容值固定不变，限制了匹配调整的灵活性，从根本上决定了其无法解决环形器带宽窄、难调谐的问题。因此本发明通过在多级变换的微带匹配节中加入可调电容，进一步优化微波铁氧体环形器的微波特性。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术中缺陷，提供一种基于介电可调薄膜的微波铁氧体环形器，有效拓宽微波铁氧体环形器的带宽、降低插损。本发明基于介电可调材料，利用介电可调薄膜可变电容作为环形器微带匹配结中的等效匹配网络，从而实现微波铁氧体环形器性能优化。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于介电可调薄膜的微波铁氧体环形器，该环形器采用微带三端口结构，包括硅基片、设置于硅基片上的铁氧体厚膜、以及铁氧体厚膜上设置的微带结构；其特征在于，所述微带结构中每个端口均集成有一个介电可调薄膜变容管及其对应的外加电场结构，所述介电可调薄膜变容管由从下往上依次层叠的下电极、介电可调薄膜及上电极构成，所述下电极设置于铁氧体厚膜上，所述上、下电极分别连接微带线，上、下电极之间相绝缘。
进一步的，所述介电可调薄膜采用钛酸锶钡BaxSr1-xTiO3(BST)材料或铋基焦绿石结构的Bi1.5ZnNb1.5O7(BZN)、Bi1.5MgNb1.5O7(BMN)材料。所述微带结构采用三节阻抗变换。所述铁氧体厚膜采用六角钡铁氧体材料。所述微带结构采用Au薄膜。
本发明提供基于介电可调薄膜的微波铁氧体环形器采用介电可调薄膜变容管作为微带结构中的微带匹配结，通过调节电容大小实现调节环形器的匹配网络，从而优化微波铁氧体环形器的微波性能，有效降低了插损，拓宽了工作带宽；本发明能够提供中心频率为12GHz、相对带宽为20％-40％、插损小于1dB的微波铁氧体环形器。另外，对于设计要求尺寸小、带宽宽的匹配网络结构，介电可调薄膜作为等效可变电容参数引入匹配网络中，有利于实现环行器的小型化和集成化。
附图说明
图1为常见铁氧体环形器的结构示意图。
图2为微波铁氧体环形器的HFSS仿真模型示意图。
图3为基于介电可调薄膜的变容管等效电路外加电场模型示意图。
图4—图6为实施例中基于介电可调薄膜的微波铁氧体环形器的微波性能仿真结果；其中，图4为环行器的驻波比随微带线等效线宽变化图，图5为环形器的插损随微带线等效线宽变化图，图6为环形器的隔离度随微带线等效线宽变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细说明。
本实施例中基于介电可调薄膜的微波铁氧体环形器，其结构如图2所示，该环形器采用微带三端口结构，包括硅基片、设置于硅基片上的铁氧体厚膜、以及铁氧体厚膜上设置的微带结构；所述微带结构中每个端口均集成有一个介电可调薄膜变容管及其对应的外加电场结构，所述介电可调薄膜变容管由从下往上依次层叠的下电极、介电可调薄膜及上电极构成，所述下电极设置于铁氧体厚膜上，所述上、下电极分别连接微带线，上、下电极之间相绝缘；所述的介电可调薄膜变容管及其对应的外加电场结构如图3所示。
六角钡铁氧体材料，其具有较高的磁晶各向异性场(＞16KOe)，作为为永磁材料，具有高的剩磁比，不需要外加磁场就可以使环行器工作。因此，本实施例中铁氧体厚膜采用六角钡铁氧体厚膜材料。根据工作频率、钡铁氧体的磁参数计算出结半径和结阻抗，通常结阻抗相对较高，因此需要按照传输线阻抗变换理论进行阻抗变换设计；本实施例中采用三节阻抗变换，从结阻抗匹配到标准负载阻抗，按照四分之一波长变化理论进行阻抗变换，最后匹配到50Ω。通过史密斯圆图得到分布参数微带线等效为集总参数电容值的关系，在阻抗变换结中采用具有调谐性的介电可调薄膜变容管替代部分微带结构，对整个环形器的阻抗匹配经行调谐，优化阻抗变换中因阻抗失配所引起的驻波比和插损。
本实施例中基于介电可调薄膜的微波铁氧体环形器模型和微波性能均采用电磁仿真软件HFSS和ADS进行性能仿真，优化并验证方案的可行性。
下面结合基于铋基焦绿石结构的Bi1.5ZnNb1.5O7(BZN)介电可调薄膜的微波铁氧体环形器的微波性能仿真结果进一步说明本发明的有益效果。
通过改变重合部分微带的宽度大小来等效集总参数可调电容的容值变化，从而优化环形器的微波性能。根据ADS软件仿真结果，微带线宽与容值对应关系为0.1mm≈3pf、0.4mm≈2pf、0.9mm≈0.4pf；在保持此匹配节长度不变的情况下，随着宽度变大，插损、驻波比、隔离度性能进一步提升。
如图4所示为环行器驻波比随匹配网络线宽的变化图，从图中曲线可以看出，环形器的端口驻波呈现出明显的拓宽宽带特性，回波损耗＜-10dB的带宽达到3GHz，相对带宽为25％；
如图5所示为环行器的隔离度随匹配网络线宽的变化图，从图中可见隔离度＜-10dB的带宽达到4GHz，相对带宽达到33.3％；
如图6所示为环行器的插损随匹配网络线宽的变化图，从图中的数据可得知，当插损＜1dB时候环行器的带宽为2.6GHz，其相对带宽为21.6％。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种基于介电可调薄膜的微波铁氧体环形器，该环形器采用微带三端口结构，包括硅基片、设置于硅基片上的铁氧体厚膜、以及铁氧体厚膜上设置的微带结构；其特征在于，所述微带结构中每个端口均集成有一个介电可调薄膜变容管及其对应的外加电场结构，所述介电可调薄膜变容管由从下往上依次层叠的下电极、介电可调薄膜及上电极构成，所述下电极设置于铁氧体厚膜上，所述上、下电极分别连接微带线，上、下电极之间相绝缘。
2.按权利要求1所述基于介电可调薄膜的微波铁氧体环形器，其特征在于，所述介电可调薄膜采用钛酸锶钡(BST)材料或铋基焦绿石结构的Bi1.5ZnNb1.5O7(BZN)、Bi1.5MgNb1.5O7(BMN)材料。
3.按权利要求1所述基于介电可调薄膜的微波铁氧体环形器，其特征在于，所述微带结构采用三节阻抗变换。
4.按权利要求1所述基于介电可调薄膜的微波铁氧体环形器，其特征在于，所述铁氧体厚膜采用六角钡铁氧体材料。
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