CN110581332B - 基于m型六角铁氧体纳米线阵列的自偏置毫米波环行器 - Google Patents

基于m型六角铁氧体纳米线阵列的自偏置毫米波环行器 Download PDF

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Abstract

基于M型六角铁氧体纳米线阵列的自偏置毫米波环行器，属于微波铁氧体器件技术领域。该环行器包括介质层、铁氧体、中心结导体、微带Y结匹配线、50Ω微带馈线和接地导体面，介质层为六棱柱形状，铁氧体为圆片状、位于介质层中心，中心结导体为圆形贴片、位于铁氧体的正上方，匹配线采用两段式Y型微带线，馈线也采用微带线形式，其特征在于，所述铁氧体为圆片状的M型六角铁氧体纳米线阵列，且嵌入介质层的上表面内。本发明提供的一种基于M型六角铁氧体纳米线阵列的自偏置毫米波环行器，工作于毫米波频段且具有自偏置功能，无需外加偏置永磁体即可正常工作，具有体积小、重量轻、隔离度高、插入损耗低等特点。

Description

基于M型六角铁氧体纳米线阵列的自偏置毫米波环行器
技术领域
本发明属于微波铁氧体器件技术领域，具体涉及一种应用于微波系统特别是毫米波雷达的射频信号收发模块中的基于M型六角铁氧体纳米线阵列的自偏置毫米波环行器。
背景技术
环行器是微波器件领域最重要的元件之一，它通常具有三个端口，由于环行器内部放置有铁氧体，所以三个端口具有非互易性的特点，电磁波信号能沿着某个特定方向(比如顺时针或者逆时针)实现环行传输，信号沿着反方向则不能传输，实现了特定端口传输和隔离的特性。正是由于环行器的上述特性，使得它被广泛应用于微波系统的信号收发模块中，实现收发天线的统一，彻底解决了接收和发射电磁波信号要分别使用两副天线的问题，极大地节省了通信系统的成本和体积。
环行器最重要的应用场景之一是雷达，而雷达又是微波系统最普遍的应用之一。按工作频段，雷达可分为超视距雷达、厘米波雷达和毫米波雷达。随着空间雷达技术的飞速发展，毫米波雷达的前景极为广阔，它工作在毫米波频段，有着分辨率高、干扰少、体积小和质量轻的特点。毫米波雷达是测量被测物体相对距离、相对速度、方位的高精度传感器，早期被应用于军事领域，近年来，随着雷达技术的发展与进步，毫米波雷达开始应用于无人驾驶、无人机、智能交通等多个领域。不过，毫米波雷达对于微波器件的要求很高，对于有源相控阵毫米波雷达，天线单元多达几万个，每个单元的收发模块独立，为减少天线单元数量，收发天线必须统一，因此每一个单元需要配置一个环行器。这样，一个有源相控阵毫米波雷达所需的环行器数量也高达数万个，并且环行器尺寸要求在毫米级别，对微波器件体积、质量和工作频段都有较高的要求。
近些年来，环行器不断朝着小型轻量化的方向发展，也有不少学者提出了自偏置微带环行器，Peng Bin等人(Peng Bin,et al."Self-Biased Microstrip JunctionCirculator Based on Barium Ferrite Thin Films for Monolithic MicrowaveIntegrated Circuits."IEEE Transactions on Magnetics 47.6(2011):1674-1677)提出了基于钡铁氧体连续薄膜的自偏置环行器，该环行器是将整个钡铁氧体薄膜沉积在蓝宝石基片上，介电损耗和磁损耗很高，性能也很差，插入损耗为1.2dB，带宽仅为0.1GHz。熊飞等人(专利号CN206163671U)设计的环行器采用波导结构，铁氧体上下各有一片金属匹配块，体积大，重量大，无法应用到微带电路系统中。陈良等人(专利号CN102386469A)提出的铁氧体微带环行器，需要外加厚度为0.8mm、半径为3.4mm的圆柱形偏置永磁体，且不具备自偏置功能，工作在X波段，存在体积大、重量大、工作频段低等缺陷。因此，采用传统的块状铁氧体或者铁氧体薄膜，环行器要么无法实现自偏置功能，要么工作频率低，无法达到毫米波频段，或者是性能差、插入损耗高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于M型六角铁氧体纳米线阵列的低插入损耗、小型轻量化的自偏置毫米波环行器。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
基于M型六角铁氧体纳米线阵列的自偏置毫米波环行器，包括介质层(1)、铁氧体(2)、中心结导体(3)、微带Y结匹配线(4)、50Ω微带馈线(5)和接地导体面(6)，介质层(1)为六棱柱形状，铁氧体(2)为圆片状、位于介质层中心，中心结导体(3)为圆形贴片、位于铁氧体的正上方，匹配线(4)采用两段式Y型微带线，馈线(5)也采用微带线形式，其特征在于，所述铁氧体(2)为圆片状的M型六角铁氧体纳米线阵列，且嵌入介质层的上表面内。
进一步地，所述铁氧体(2)为M型钡铁氧体(BaFe12O19)或M型锶铁氧体(SrFe12O19)纳米线阵列，厚度为30μm～70μm，采用电子束光刻工艺或模板法制备；纳米线阵列间距为10nm～60nm，单根纳米线的长度为30μm～70μm，直径为10nm～60nm。
进一步地，所述铁氧体的直径为中心结导体直径的1.2倍。
进一步地，所述微带Y结匹配线中，第一段微带线的长度等于铁氧体的半径与中心结导体的半径之差。
进一步地，所述介质层(1)为六棱柱形状，材料为聚四氟乙烯，厚度为M型六角铁氧体纳米线阵列层厚度(30μm-70μm)的两倍，中心挖有圆形凹槽，用于放置圆片状的M型六角铁氧体纳米线阵列，凹槽尺寸与M型六角铁氧体纳米线阵列层完全匹配。
进一步地，所述中心结导体(3)为圆形贴片，由敷金刻蚀制得。
进一步地，所述环行器为Y型结结构，具有三个输入输出端口，两两端口互为120°。其中，阻抗匹配线采用两段式结构，第一段作为中心结导体与输出端的过渡，第二段为四分之一波长阻抗变换器，起到阻抗匹配的作用；馈线采用50Ω微带线，便于直接与微带电路集成。
本发明提供的自偏置毫米波环行器中，铁氧体(2)采用M型六角铁氧体(M型钡铁氧体BaFe12O19或M型锶铁氧体SrFe12O19)纳米线阵列，其磁谱和磁滞回线是采用微磁学模拟软件计算得到的，其介电常数是通过计算Spiegel等人(Spiegel,Judith,et al."Permittivity Model for Ferromagnetic Nanowired Substrates."IEEE Microwave&Wireless Components Letters 17.7(2007):492-494)提出的纳米线阵列有效介电常数的模型来获得的。
本发明采用三维电磁仿真软件对所设计的环行器进行建模和仿真，得到环行器的性能参数。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种基于M型六角铁氧体纳米线阵列的自偏置毫米波环行器，工作于毫米波频段且具有自偏置功能，无需外加偏置永磁体即可正常工作，具有体积小、重量轻、隔离度高、插入损耗低等特点。
2、本发明实施例提供的自偏置毫米波环行器，在不外加偏置磁体的情况下，实现了正常工作，工作频段为42.95GHz～43.95GHz；且在中心频率处，其隔离度大于40dB，插入损耗小于0.5dB。
附图说明
图1为本发明基于M型六角铁氧体纳米线阵列的自偏置毫米波环行器的结构示意图；其中，1-介质层，2-M型六角铁氧体纳米线阵列，3-中心结导体，4-微带匹配线，5-50Ω微带馈线，6-接地导体面；
图2为以直径为50nm、间距为20nm和长度为500nm的M型钡铁氧体纳米线阵列为原始参量，分别改变直径、间距、长度得到的M型钡铁氧体纳米线阵列的磁滞回线图，数据由微磁学模拟软件计算得到；其中，图2a为直径分别为10nm、50nm和60nm的M型钡铁氧体纳米线阵列的磁滞回线图，图2b为间距分别为10nm、20nm和60nm的M型钡铁氧体纳米线阵列的磁滞回线图，图2c为长度分别为150nm、500nm、800nm的M型钡铁氧体纳米线阵列的磁滞回线图；从图中可以看出，M型钡铁氧体纳米线阵列的剩磁比接近于1，并且磁滞回线随直径、间距和长度的相对变化非常小，剩磁比高说明M型钡铁氧体纳米线阵列具有很好的自偏置效果，能用于自偏置环行器中；
图3为以直径为50nm、间距为20nm和长度为500nm的M型钡铁氧体纳米线阵列为原始参量，分别改变直径、间距、长度得到的M型钡铁氧体纳米线阵列的磁谱图，包括磁导率的实部曲线和虚部曲线，数据由微磁学模拟软件计算得到；其中，图3a为直径分别为10nm、50nm和60nm的M型钡铁氧体纳米线阵列的磁谱图，图3b为间距分别为10nm、20nm和60nm的M型钡铁氧体纳米线阵列的磁谱图，图3c为长度分别为150nm、500nm、800nm的M型钡铁氧体纳米线阵列的磁谱图；从图中可以看出，M型钡铁氧体纳米线阵列的磁导率虚部的共振频率在49GHz以上，并且磁谱随直径、间距和长度的相对变化也很小，共振频率高达49GHz，处于毫米波频段，表明M型钡铁氧体纳米线阵列可用于毫米波环行器中；
图4为以直径为50nm、间距为20nm和长度为500nm的M型钡铁氧体纳米线阵列为原始参量，分别改变直径、间距、长度得到的M型钡铁氧体纳米线阵列的介电常数谱图，包括介电常数的实部曲线和虚部曲线，数据通过计算纳米线阵列有效介电常数的模型得到；其中，图4a为直径分别为10nm、50nm和60nm的M型钡铁氧体纳米线阵列的介电常数谱图，图4b为间距分别为10nm、20nm和60nm的M型钡铁氧体纳米线阵列的介电常数谱图，图4c为不同长度的M型钡铁氧体纳米线阵列的介电常数谱图；从图中可以看出，M型钡铁氧体纳米线阵列的介电常数实部恒等于1，虚部非常小，接近于0，并且介电常数随直径和间距的变化非常小，介电常数不随长度的变化而变化，表明M型钡铁氧体纳米线阵列的介电损耗非常小，适用于低插入损耗环行器的设计中；
图5为实施例基于M型钡铁氧体纳米线阵列的自偏置毫米波环行器回波损耗的仿真结果图；
图6为实施例基于M型钡铁氧体纳米线阵列的自偏置毫米波环行器隔离度的仿真结果图；
图7为实施例基于M型钡铁氧体纳米线阵列的自偏置毫米波环行器插入损耗的仿真结果图；
图8为实施例基于M型钡铁氧体纳米线阵列的自偏置毫米波环行器电磁能量传输的仿真效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
本发明在使用微磁学模拟软件和磁性材料纳米线阵列有效介电常数模型得到M型六角铁氧体纳米线阵列的电磁参数的前提下，设计了一种基于M型六角铁氧体纳米线阵列的自偏置毫米波环行器，使用三维电磁仿真软件进行建模仿真得到环行器的性能参数。
如图1所示，为本发明基于M型六角铁氧体纳米线阵列的自偏置毫米波环行器的俯视图和横截面图；所述环行器包括介质层1、铁氧体2、中心结导体3、微带Y结匹配线4、50Ω微带馈线5和接地导体面6，其中，介质层采用六棱柱形状，中心挖有圆形凹槽，用于放置圆片状的铁氧体纳米线阵列层；铁氧体采用圆片状的M型六角铁氧体纳米线阵列，放置于介质层的凹槽内，位于中心结导体的正下方；中心结导体采用圆形贴片，放置于铁氧体的正上方；环行器采用Y型结环行器结构，采用三输入输出端口结构，三端口互为120°，阻抗匹配线采用两段微带线。
实施例
本实施例中，M型六角铁氧体材料为M型钡铁氧体，铁氧体纳米线阵列采用电子束光刻工艺制得，纳米线阵列间距为20nm，单根纳米线的长度为50μm、直径为50nm。铁氧体纳米线阵列的电磁参数采用微磁学模拟软件和磁性材料纳米线阵列有效介电常数模型得到，如图2、图3和图4所示。图2-图4为采用不同尺寸的M型钡铁氧体纳米线阵列的磁性能参数，由微磁学模拟软件计算得到，由于软件的限制，只能计算长度为1μm以下的纳米线阵列，因此仅计算了长度分别为150nm、500nm、800nm的纳米线阵列的磁性能参数，从图2-图4可看出，不同长度的纳米线阵列其磁参数和介电参数基本不变。在纳米线长度大于几百纳米后，由于高形状各向异性的原因，M型钡铁氧体纳米线的剩磁磁化状态已趋于稳定，磁参数和介电参数趋于稳定，因此30μm-70μm的纳米阵列的磁性能和介电性能随长度的变化是稳定不变的，且磁参数和介电参数直接使用长度为800nm的纳米线阵列的磁参数和介电参数。
各部分参数如下：
中心带圆形凹槽的六棱柱型介质层：厚度为100μm，六棱柱内切圆半径为8mm，材料为聚四氟乙烯，中心挖有深度为50μm、直径为4.22mm的圆形凹槽；
铁氧体纳米线阵列层：形状为圆片状，置于介质层的凹槽内，厚度为50μm，直径为4.22mm；
中心结导体：厚度为1μm，直径为3.52mm，材料为金；
微带Y型匹配线：阻抗匹配线采用两段微带线，长度分别为0.35mm和1.87mm，宽度分别为0.668mm和0.54mm，厚度均为1μm，材料为金；
50Ω微带馈线：长度为2.94mm，宽度为0.3mm，厚度为1μm，材料为金；
接地导体面：位于六棱柱型介质层的底面，形状和尺寸与介质层底面完全匹配，厚度为1μm，材料为金。
通过以上参数在三维电磁仿真软件中进行环行器的建模仿真，模型可见图1，仿真结果如图5、6、7、8所示，表明该环行器在没有偏置永磁体的情况下，实现了正常工作，中心工作频率为43.5GHz，属于毫米波频段。在中心频率处，环行器的回波损耗大于35dB，隔离度大于40dB，插入损耗小于0.5dB。在42.95GHz～43.95GHz频率范围内，回波损耗大于20dB，隔离度也大于20dB，插入损耗小于0.53dB，绝对带宽为1GHz。
本发明采用M型六角铁氧体纳米线阵列结构来取代传统的块状铁氧体，M型六角铁氧体材料属于六角晶系结构，自发磁化择优取向六角晶轴，剩磁比高；同时，材料采用纳米线阵列结构，具有极高的形状各向异性，使得退磁场更低，进一步提高了剩磁比。因此，M型六角铁氧体纳米线阵列具有极高的内部有效磁场和剩磁比，使得本发明基于M型六角铁氧体纳米线阵列的微带环行器具有自偏置功能，无需外加偏置永磁体即可正常工作，减小了环行器的体积和重量；并且工作于毫米波频段，插入损耗低，对于毫米波雷达具有重要的意义。

Claims (2)

1.基于M型六角铁氧体纳米线阵列的自偏置毫米波环行器，包括介质层(1)、铁氧体(2)、中心结导体(3)、微带Y结匹配线(4)、微带馈线(5)和接地导体面(6)，介质层(1)为六棱柱形状，铁氧体(2)位于介质层中心，中心结导体(3)为圆形贴片、位于铁氧体的正上方，其特征在于，所述铁氧体(2)为圆片状的M型六角铁氧体纳米线阵列，且嵌入介质层的上表面内；
所述铁氧体为M型钡铁氧体或M型锶铁氧体纳米线阵列，厚度为30μm～70μm；纳米线阵列间距为10nm～60nm，单根纳米线的长度为30μm～70μm，直径为10nm～60nm；
所述铁氧体的直径为中心结导体直径的1.2倍；
所述微带Y结匹配线中，第一段微带线的长度等于铁氧体的半径与中心结导体的半径之差。
2.根据权利要求1所述的基于M型六角铁氧体纳米线阵列的自偏置毫米波环行器，其特征在于，所述介质层为六棱柱形状，材料为聚四氟乙烯。
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