CN109066032B - 一种Ka波段双面铁氧体薄膜微带线环行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Ka波段双面铁氧体薄膜微带线环行器，属于微波铁氧体器件领域。该环行器包括非磁性介质基片、基于镀膜工艺在所述介质基片的两面生长的铁氧体薄膜层、以及在其中一面的铁氧体薄膜层上形成的阻抗匹配微带线，另外一面形成的金属接地板。本发明在单面铁氧体薄膜环行器的基础上，改变环行器的结构形式，即在介质基片上下两面镀上铁氧体薄膜，这样不仅缓解了环行器对单层铁氧体厚膜的需求与单层铁氧体厚膜制作难度大之间的矛盾，同时大大提升了环行器的性能。实验结果表明，适当厚度的双层铁氧体薄膜结构的环行器在经过阻抗匹配优化后，其带宽、插入损耗、隔离度、回波损耗等参数相比传统结构的单层铁氧体薄膜环行器都有明显的提升。
Description
技术领域
本发明属于微波器件技术领域，尤其涉及一种Ka波段双面铁氧体薄膜微带线环行器。
背景技术
铁氧体环行器是微波铁氧体器件中的一种，在雷达、通信等设备系统中，它一般被用作信号收、发的共用装置。在信号发射和接收系统中，铁氧体环行器可以把输入输出的信号进行隔离，同时也有信号放大以及去耦、匹配的作用。现代通信、射频技术的发展趋势是得微波铁氧体器件必定要朝着小型化、集成化、轻量化的方向发展，所以微带线结构的铁氧体环行器成为了研究重点，而将铁氧体薄膜技术应用于环行器是减少设备尺寸和重量合理有效的方法。但铁氧体薄膜环行器一般对铁氧体薄膜厚度有要求，而铁氧体薄膜在制作方面会有随着薄膜厚度的增加导致薄膜断裂、薄膜性能降低的缺点，这种问题严重制约薄膜器件的发展。
故，针对现有技术的缺陷，实有必要提出一种技术方案以解决现有技术存在的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种高性能且对镀膜工艺要求较低的Ka波段双面铁氧体薄膜微带线环行器，通过在介质基片二面镀上铁氧体薄膜，从而降低镀膜难度，同时也能显著提高环行器的环行性能。
为了克服现有技术的缺陷，本发明的技术方案如下：
一种Ka波段双面铁氧体薄膜微带线环行器，其特征在于，包括：介质基片、以镀膜工艺在所述介质基片上下二面依次形成二层厚度相同的铁氧体薄膜、以及设置所述的一面铁氧体薄膜层上的微带线，所述微带线作为环行器的导体电路与外部电路相连接；所述介质基片需要二面被打磨光滑。
优选地，所述二层铁氧薄膜层的厚度相同。
优选地，所述环行器为三端器件，所述微带线包括一个圆盘结和三个Y结，所述Y结以所述圆盘结的圆心为中心形成对称分布，每个Y结之间的夹角为120°。
优选地，所述介质基片1为Al2O3晶体介质基片。
优选地，所述二层铁氧体薄膜层2和3为BaM铁氧体薄膜层。
优选地，还包括设置在所述介质基片底端的金属接地板5。
优选地，所述介质基片1的厚度为150μm。
优选地，所述第一铁氧体薄膜层2和第二铁氧体薄膜层3的厚度为5μm。
优选地，所述微带线路采用铜，其厚度为5μm。
本发明在传统单层薄膜铁氧体环行器的基础上，改变环行器的整体结构形式，采用双层薄膜结构，在介质基片二面分别镀上厚度相同的铁氧体薄膜，满足了环行器对铁氧体厚膜的需求，改善了环行器的环行效果和工作带宽。同时，双层式薄膜相较与单层薄膜在性能与制作方面都有较大优势，降低了环行器对单层铁氧体薄膜厚度的要求，避免在镀单层铁氧体厚膜时薄膜容易开裂等问题。
附图说明
图1是本发明所述一种Ka波段双面铁氧体薄膜微带线环行器的俯视图。
图2是本发明所述一种Ka波段双面铁氧体薄膜微带线环行器的剖视图。
图3是本发明所述一种Ka波段双面铁氧体薄膜微带线环行器微带线具体尺寸示意图。
图4是本发明所述一种Ka波段双面铁氧体薄膜微带线环行器在双层5μm薄膜结构下的整体环形效果图。
图5是常规单层铁氧体薄膜微带线环行器在10μm薄膜结构下的整体环形效果图。
图6是单面薄膜结构环行器的内部电场矢量分布图。
图7是双面薄膜结构环行器的薄膜内部电场矢量分布。
图8是双面薄膜结构环行器的基片内部电场矢量分布图
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的技术方案作进一步说明。
参见图1，所示为本发明Ka波段叠层式薄膜铁氧体微带线环行器的俯视图，其为三端器件，三个端口形成环行输入输出。参见图2，所示为本发明Ka波段叠层式薄膜铁氧体微带线环行器的剖视图，包括介质基片1、以镀膜工艺在所述介质基片上依次形成第一铁氧体薄膜层2和第二铁氧体薄膜层3、以及设置所述第二铁氧体薄膜层上的微带线4，微带线4作为环行器的导体电路与外部电路相连接以及接地板5。晶体介质基片、铁氧体薄膜、介质层的平面形状可以根据环行器的具体要求设置为矩形、六边形、圆形及其他形状，在以下仿真测试中设置为六边形。
采用上述技术方案，铁氧体薄膜整体结构是由传统单层结构转为双层结构，双层铁氧体薄膜分别依附于介质基片的二面上，降低了单层薄膜实物制作时薄膜断裂的风险，满足了薄膜环行器对于厚膜的需求，在介质基片二面上分别镀上单层膜，使得利用现有的单层镀膜技术可以制作效果更加优异的环行器。单层膜在达到一定的厚度后表面会出现裂纹，而且磁性能会变差，无法满足环行器对于薄膜厚度和性能的双重要求，通过在介质基片二面镀上厚度相同的薄膜，在环行器整体结构上加上原来单层薄膜环行器上双倍厚度的满足性能的薄膜，从而获得比传统单层薄膜铁氧体环行器更好的环行效果。
上述技术方案中，环行器的工作原理如下：由于采用了铁氧体旋磁材料，这种材料在外加微波场与恒定直流磁场的共同作用下，产生旋磁特性(张量磁导率特性)，正是这种旋磁特性，使在铁氧体中传播的电磁波因为法拉第效应发生极化的旋转，从而可以准确传输到输出端口，由于电磁波信号被封锁在接地端和微带线路之间的基片和铁氧体结构中传输，通过软件仿真传统单面薄膜结构环行器，观察其内部电磁信号矢量图，只有铁氧体薄膜中的电磁波信号发生极化旋转，基片中的电磁波信号矢量基本呈现杂乱分布，从而假设了一种薄膜结构不连续的环行器，即基片两面薄膜结构。为了充分利用现有的单面镀膜技术，同时使得环行器薄膜厚度最大，两面薄膜厚度设定为相等值。通过软件仿真双面薄膜结构环行器，两个铁氧体薄膜内部的电磁波信号矢量图显示，其内部的电磁波信号都发生了极化旋转，从而经过两面铁氧体薄膜内部的电磁波信号都会正确传输到输出端口，证明了两层的薄膜都对电磁波信号的环形传输起到作用，同时软件仿真结果图也验证了该结构的可行性。
在一种优选实施方式中，介质基片为Al2O3晶体介质基片，二层铁氧体薄膜均为BaM铁氧体薄膜层。铁氧体薄膜厚度主要由工艺条件决定，满足无裂纹且磁性能达到要求的前提下尽量提高厚度。在一种优选实施方式中，环行器由两层厚度为5μm的BaM铁氧体薄膜层通过镀膜工艺构成，其中，铁氧体饱和磁化强度为4000Gs，相对介电常数为12，铁磁共振线宽为100Oe；Al2O3晶体介质基片2厚度为150μm，其相对介电常数为9.8。本发明在性能仿真和实验中发现，上述结构的环行器整体性能比常规单层薄膜的整体性能提升很多，带宽等参数提升明显。
在一种优选实施方式中，还包括设置在所述介质基片底端的金属接地板。具体可以采用设置屏蔽盒，屏蔽盒的高度设置为5mm。
在一种优选实施方式中，为了对铁氧体薄膜进行磁化，可以在匹配阻抗变化器(微带线)的上面安装永磁体。
参见图3，所示为本发明中微带线的结构图，微带线包括一个圆盘结和三个Y结，所述Y结以所述圆盘结的圆心为中心形成对称分布，每个Y结之间的夹角为120°。微带线的厚度由器件的工作频率的趋肤深度决定。为了实现50欧姆阻抗匹配，在本发明一种优选实施方式中，圆盘结5的半径为0.7mm,微带线采用二个递减式矩形框，其中，w1、w2分别为二个匹配线宽度；l1、l2为二个匹配线长度。具体尺寸w1＝0.006mm、w2＝0.152mm、l1＝0.615mm、l2＝1.39mm、采用正六边形图形,波端口尺寸0.77mm*0.96mm。
如图4—图8所示，双层薄膜结构环行器在Ka波段范围内通过改变微带线的尺寸完成阻抗匹配，得到其最佳环形效果图。研究结果：器件在中心频率37.3GHz附近具有明显的环行效果，通过对薄膜厚度为10μm结构的双层薄膜结构环行器和传统的单层薄膜结构环行器进行对比，研究双层薄膜结构环行器的可行性以及性能。研究结果：图4为双层5μm薄膜结构环行器的仿真结果图，图5为传统10μm单层薄膜结构环行器的仿真结果图，相对于传统单层薄膜结构的环行器，双层薄膜结构环行器15dB标准带宽达到了1GHz，20dB标准带宽达到了500MHz以上，而传统单层薄膜结构环行器的带宽参数则要差很多，一方面验证了双层式薄膜结构环行器的可行性，另一方面这种双层式薄膜结构环行器确实能稳定提高环行器环行效果与工作带宽。
所述环行器的铁氧体薄膜与介质层薄膜均可以采用PLD或磁控溅射镀膜技术制作，微带线阻抗匹配电路可以采用目前已经非常成熟的微带工艺技术制作。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种Ka波段双面铁氧体薄膜微带线环行器，其特征在于，包括非磁性介质基片、基于镀膜工艺在所述介质基片的两面生长的铁氧体薄膜层、以及在其中一面的铁氧体薄膜层上形成的阻抗匹配微带线并在另外一面的铁氧体薄膜层上形成的金属接地板，所述介质基片二面形成的铁氧体薄膜层厚度相同。
2.根据权利要求1所述的Ka波段双面铁氧体薄膜微带线环行器，其特征在于，所述环行器为三端器件，包括一个圆盘结和三个Y结，所述Y结以所述圆盘结的圆心为中心形成对称分布，每个Y结之间的夹角为120°。
3.根据权利要求1所述的Ka波段双面铁氧体薄膜微带线环行器，其特征在于，所述介质基片为Al2O3晶体介质基片。
4.根据权利要求1所述的Ka波段双面铁氧体薄膜微带线环行器，其特征在于，所述铁氧体薄膜层为BaM铁氧体薄膜层。
5.根据权利要求1所述的Ka波段双面铁氧体薄膜微带线环行器，其特征在于，微带线为二段结构。
6.根据权利要求1所述的Ka波段双面铁氧体薄膜微带线环行器，其特征在于，所述介质基片的厚度为150μm。
7.根据权利要求1所述的Ka波段双面铁氧体薄膜微带线环行器，其特征在于，所述铁氧体薄膜层的厚度均为5μm。
8.根据权利要求1所述的Ka波段双面铁氧体薄膜微带线环行器，其特征在于，所述微带线的厚度为5μm。
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