CN112952329A - 一种共面波导型微波铁氧体环行器、制备方法、设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环行器技术领域，公开了一种共面波导型微波铁氧体环行器、制备方法、设计方法，硅基片上设置有共面微波导的中心电极层和接地电极层；中心电极层上方设置有铁氧体材料；铁氧体材料表面附有导电层；铁氧体环行器为六边形状；铁氧体环行器的三个不相邻的边上分别设置有一个端口，三个端口形成的Y型结，夹角互为120°。本发明公开了一种新的铁氧体环行器结构，取代原有的非连接接地平面层，将铁氧体表面的导电层作为非连接接地平面，可使得电磁场在器件中的分布满足环行器理论需求。本发明的铁氧体环行器可以减少环行器的传输损耗，同时也更容易制备，可以降低环行器的制备成本，使它更利于商业的应用。
Description
技术领域
本发明属于环行器技术领域，尤其涉及一种共面波导型微波铁氧体环行器、制备方法、设计方法。
背景技术
目前，铁氧体环行器是一种实现信号单向传输的微波无源器件，一般为三端口或者四端口，其中电磁波的传输沿单方向环行，反方向则是隔离的。
Y结微波环行器是三端口器件，其微波信号如果从1端口输入，则会从2端口输出，不会传到3端口；如果从2端口输入，则会从3端口输入，不会传到1端口。信号传输会沿着顺时针或逆时针方向依次传递而不会逆向。微波铁氧体环行器的主要功用是在通信系统中作为收、发信机与天线连接的共用装置，起到去耦作用，从而达到保护通信系统，提高其稳定性、可靠性的目的。铁氧体在射频磁场和直流磁场共同作用下，会产生旋磁效应，铁氧体环行器就是基于铁氧体的旋磁效应制作的器件。利用环行器可以实现信号环行传输、反向隔离的功能，解决了雷达的级间隔离、阻抗以及天线共用等一系列问题。
随着民用电子工业快速发展，特别是其中的电子通信技术，以及市场需求的快速增长，造成了对微波铁氧体器件的巨大的需求。与此同时，单片微波集成电路向毫米波方向发展，要求设计制造的微波器件具有高性能、体积更加小型化的特点，因此发展微型化、易集成的微波铁氧体器件已成为当前微波器件的主要研究方向。自1952年，Hogen研制出了世界上第一个法拉第旋转器件开始，经过半个多世纪的发展，铁氧体环行器具有多种形式，市场上主要包括结环行器、集总参数环行器以及差相移式环行器等。按照所采用的传输线可以分为同轴、微带以及波导型，覆盖了微波所有频段。
波导Y型环行器是发展最早的较经典的微波铁氧体器件，其体积较大，并且应用频率较低。但是，随着电子技术的不断发展，特别是微波射频技术、以及集成电路的迅速发展，环行器也在随着向小型化、集成化改进。为了减小环行器的体积和重量，随着环行器理论的不断完善，环行器的外形也从大体积的波导式、差相移式环行器逐渐发展到应用于手机等无线设备的超小型环行器。
另外，传统的带线环行器需要上下两面外加磁体、整体封装结构复杂，相对于单面外加磁体、图形建立在基片表面的微带环行器，带线环行器体积大和重量重的特点都是劣势。虽然微带环行器具有易安装、一致性好、易集成、价格低廉等特点，使其成为主流的环行器结构之一。
但是微带环行器的图形是加工在软磁铁氧体上的，而铁氧体区别于其它一般陶瓷基片，有着抛光难度高、薄膜附着力差等缺点。市场对环行器的需要量是巨大的，且对环行器的性能及体积、重量、安装方法等有严格要求，电路与系统的小型化、集成化更是给环行器的研发带来了极大的挑战与机遇，如何制备高性能小型化的环行器是急需解决的问题。共面波导(CPW)结构的环行器与微波集成电路很好地匹配，因为信号线和接地线位于相同的平面中。
共面波导结构环行器的图形可以与其它电路图同时制作在同一介质基片上，无须单独安装、布线，对系统的平面集成化非常有利。与微带线不同，共面波导在表面安装元件和下面的接地平面之间几乎没有寄生损耗。因此，使用低成本光刻工艺可以容易地制造具有共面波导结构的环行器。Zahwe等人提出了一种具有共面波导结构的环行器，先在氧化铝基片上沉积圆形的非连接接地平面，再在整个基片表面上生长一层YIG薄膜，最后在铁氧体的表面上制备共面微波导的中心电极层和接地电极层。但是这种结构与使用纯共面微波导结构的环行器相比，这将使制造工艺更为困难，因为对于具有非连接接地面的共面微波导环行器，需要在两个不同的平面上制备金属电极层。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：微波器件不断朝着集成化和小型化方向发展，而现有的基于Y型的共面微波导环行器结构制备较为困难，封装结构复杂，且传输损耗大，性能不佳。
解决以上问题及缺陷的难度为：要实现共面波导型结构的铁氧体环行器，就需要在传统的共面微波导结构上增加一个金属电极层作为非连接接地面，因此为器件的制备工艺带来困难。
解决以上问题及缺陷的意义为：对共面波导型环行器结构的设计和改进，一方面可以减少环行器的传输损耗，另一方面新的器件结构更容易制备，可以降低环行器的制备成本，使它更利于商业的应用。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种共面波导型微波铁氧体环行器、制备方法、设计方法。
本发明是这样实现的，一种共面波导型微波铁氧体环行器，包括中心电极层、接地电极层，所述中心电极层上方设置有铁氧体材料；所述铁氧体材料表面附有作为非连接接地平面的金属导电层；
所述接地电极层与多条共面波导传输线信号线位于同一平面上，所述多条共面波导传输线连接在一个公共结点上；所述公共节点用于提供所述多条共面波导传输线之间的耦合。
所述共面波导型微波铁氧体环行器进一步设置有：
硅基片；
所述硅基片上设置有共面微波导的中心电极层和接地电极层。
所述铁氧体环行器为六边形状；
所述铁氧体环行器的三个不相邻的边上分别设置有一个端口，三个端口形成的Y型结，夹角互为120°。
进一步，所述共面波导型微波铁氧体环行器还包括：
所述接地电极层与信号线位于同一平面上，三条共面波导传输线连接在一个公共结点上；所述公共结点可提供共面波导传输线之间的耦合结构。
本发明的另一目的在于提供一种制备所述共面波导型微波铁氧体环行器的共面波导型微波铁氧体环行器制备方法，所述共面波导型微波铁氧体环行器制备方法包括：
步骤一，在硅基片上制备共面微波导的中心电极层和接地电极层；
步骤二，将一块圆柱形的铁氧体陶瓷片置于中心导体上面，此铁氧体陶瓷片上表面预先制备金属导电层，将铁氧体表面的金属导电层作为非连接接地平面，即可得到共面波导型微波铁氧体环行器。
本发明的另一目的在于提供一种共面波导型微波铁氧体环行器的设计方法，包括：
Y型结环行器采用三端口的网络定义环行器的端口特性，由散射矩阵定义的S参数如下：
其中
这里的Pi和Pi′分别为第i个端口的输入和输出功率；
参考端口1中的回波损耗S11、隔离损耗S31以及插入损耗S21，对于端口2和端口3具有相同的相应参数；
理想的环行器满足无损耗和阻抗匹配的条件；
无损耗的条件为：
S*S＝1；
其中S*为S的复共轭；
匹配条件为在端口处没有阻抗失配，满足：
S11＝S22＝S33＝0；
由S*S＝1，S11＝S22＝S33＝0两式得理想环行器满足条件：
S12＝S23＝S31＝0，S13＝S21＝S32＝1；
能量从端口1流向端口2，从端口2流向3，从端口3流向端口1，为正向环行。
进一步，所述由S*S＝1，S11＝S22＝S33＝0两式得理想环行器满足条件或为：
S12＝S23＝S31＝1，S13＝S21＝S32＝0；
这里，能量从端口1流向端口3，从端口3流向2，从端口2流向端口1，为反向环行。
本发明还提供一种雷达，所述雷达搭载所述共面波导型微波铁氧体环行器，在级间隔离、阻抗以及天线共用上应用。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明公开了一种新的铁氧体环行器结构，取代原有的非连接接地平面层，将铁氧体表面的导电层作为非连接接地平面，可使得电磁场在器件中的分布满足环行器理论需求。
本发明的铁氧体环行器可以减少环行器的传输损耗，同时也更容易制备，可以降低环行器的制备成本，使它更利于商业的应用。
相比微带结构环行器，本发明共面结构的器件与微波集成电路匹配较好，因为信号线和接地位于同一平面上，因此很容易与其它器件互连。
对比的技术效果或者实验效果。包括：
首先是器件结构改变后使得制备工艺简化，另外，仿真结果图5和图6说明该环行器具有较优异数据结果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的共面微波导环行器的结构图。
图2是本发明实施例提供的共面微波导环行器的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的环行器AB端的横截面示意图。
图中：1、中心电极层；2、接地电极层；3、铁氧体材料；4、金属导电层；5、硅基片。
图4是本发明实施例提供的共面波导型微波铁氧体环行器制备方法流程图。
图5是本发明实施例提供的共面波导环行器运行时的电场分布仿真结果图。
图6是本发明实施例提供的S参数曲线：S11回波损耗，S21插入损耗以及S31隔离损耗仿真结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种共面波导型微波铁氧体环行器，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1至图3所示，本发明实施例提供的共面波导型微波铁氧体环行器包括中心电极层、接地电极层，所述中心电极层上方设置有铁氧体材料(铁氧体陶瓷片)；所述铁氧体材料表面附有作为非连接接地平面的导电层；
所述接地电极层与多条共面波导传输线信号线位于同一平面上，所述多条共面波导传输线连接在一个公共结点上；所述公共节点用于提供所述多条共面波导传输线之间的耦合。
所述共面波导型微波铁氧体环行器进一步设置有：
硅基片；
所述硅基片上设置有共面微波导的中心电极层和接地电极层。
所述铁氧体环行器为六边形状；
所述铁氧体环行器的三个不相邻的边上分别设置有一个端口，三个端口形成的Y型结，夹角互为120°。
本发明实施例提供的共面波导型微波铁氧体环行器还包括：
所述接地电极层与信号线位于同一平面上，三条共面波导传输线连接在一个公共结点上；所述公共节点可提供共面波导传输线之间的耦合结构。
如图4所示，本发明实施例提供的共面波导型微波铁氧体环行器制备方法包括以下步骤：
S101，在硅基片上制备共面微波导的中心电极层和接地电极层；
S102，将一块圆柱形的铁氧体陶瓷片置于中心导体上面，此铁氧体陶瓷片上表面预先制备金属导电层，将铁氧体表面的金属导电层作为非连接接地平面，即可得到共面波导型微波铁氧体环行器。
下面结合具体实施例以及仿真实验对本发明的方法与技术效果作进一步描述。
实施例1：
根据环行器的网络理论，Y型结环行器可以采用一个三端口的网络进行描述。S参数用来定义环行器的端口特性，由散射矩阵定义的S参数如下：
其中
这里的Pi和Pi′分别为第i个端口的输入和输出功率。假设参考端口1中的回波损耗(S11)、隔离损耗(S31)以及插入损耗(S21)，对于端口2和端口3则具有相同的相应参数。
理想的环行器同时满足无损耗和阻抗匹配的条件。
无损耗的条件表明了：
S*S＝1 (2)
其中S*为S的复共轭。
匹配条件是指在端口处没有阻抗失配，即满足：
S11＝S22＝S33＝0 (3)
由(2)，(3)两式可得理想环行器需满足条件：
S12＝S23＝S31＝0，S13＝S21＝S32＝1 (4)
这里，能量从端口1流向端口2，从端口2流向3，从端口3流向端口1(正向环行)。
或者S12＝S23＝S31＝1，S13＝S21＝S32＝0(5)
这里，能量从端口1流向端口3，从端口3流向2，从端口2流向端口1(反向环行)。
由于磁导率张量具有反对称性，意味着它的磁性是高度定向的，因此低损耗的铁氧体(如YIG)了可以用来满足理想环行器的无损和非互易条件。
本发明的铁氧体环行器具有六边形状和三个端口，三个端口形成的Y型结，夹角互为120°，如图2所示，其中W是信号线的宽度，d是信号线和接地层之间的间距，R是信号线中心圆形电导的半径。铁氧体圆片置于中心圆形电导上面，铁氧体圆片表面附有导电层。外加磁场Ho加在垂直于铁氧体的方向。图3显示了环行器A-B端的横截面结构。信号线和接地在同一平面上，三条共面波导传输线连接在一个公共结点上。公共结提供了共面波导传输线之间的耦合结构。制备的过程是：首先在高电阻Si基片上制备共面微波导Y型Au电极层(如图2所示)，然后将一块圆柱形铁氧体材料钇铁石榴石(YIG)置于中心导体上面，采用的YIG材料参数如表1所示。在铁氧体材料YIG表面附有Au导电层，作为共面微波导结构的非连接接地平面。设计的参数如下表：
表1 YIG材料参数
| 参数 | 数值 |
| 相对介电常数(ε<sub>r</sub>) | 15.3 |
| 共振线宽(ΔH) | 50A/m |
| 饱和磁化强度(4πMS) | 1750Oe |
| 居里温度(T<sub>C</sub>) | 471K |
| 介电损耗因子(tgδ<sub>ε</sub>) | 0.0005 |
表2共面微波导铁氧体环行器的设计参数
| 器件参数 | 数值 |
| YIG圆片厚度 | 0.3mm |
| YIG圆片半径 | 1.2mm |
| 信号线的宽度(W) | 0.3mm |
| 信号线中心圆形电导半径(R) | 1.2mm |
| 信号线和接地层之间的间距(d) | 0.1mm |
| 磁场强度(Ho) | 480000A/m |
基于上述表1和表2中的参数，利用仿真软件HFSS设计并仿真共面微波导铁氧体环行器。在HFSS中设置中心频率10.5GHz，频率范围为10～11GHz。图5-图6为共面微波导铁氧体环行器的仿真结果。图5显示了环行器在运行时每个部分的电场分布，可以看出，在中心部分的电场较弱，而公共结边沿的电场较强，在中心频率附近，场图发生了旋转，电场零点旋转到了隔离端，从环行器的端口1输入的能量传输至端口2中，隔离端几乎没有输出能量。图6显示了S参数随频率的变化，其中S11代表回波损耗，S21代表插入损耗，S31表示隔离损耗。在中心频率10.5GHz时，回波损耗和隔离损耗分别为-38dB和-25dB，插入损耗为-0.5dB。仿真结果表明，该环行器在扫频范围内具有插入损耗小、隔离度大的特点，可望在微波铁氧体器件的集成化设计中得到应用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种共面波导型微波铁氧体环行器，包括中心电极层、接地电极层，其特征在于，所述中心电极层上方设置有铁氧体材料；所述铁氧体材料表面附有作为非连接接地平面的金属导电层；
所述接地电极层与多条共面波导传输线信号线位于同一平面上，所述多条共面波导传输线连接在一个公共结点上；所述公共节点用于提供所述多条共面波导传输线之间的耦合。
2.如权利要求1所述地共面波导型微波铁氧体环行器，其特征在于，所述共面波导型微波铁氧体环行器进一步设置有：
硅基片；
所述硅基片上设置有共面微波导的中心电极层和接地电极层。
3.如权利要求1所述地共面波导型微波铁氧体环行器，其特征在于，所述铁氧体环行器为六边形状。
4.如权利要求1所述地共面波导型微波铁氧体环行器，其特征在于，所述铁氧体环行器的三个不相邻的边上分别设置有一个端口，三个端口形成的Y型结，夹角互为120°。
5.一种制备如权利要求1-4所述共面波导型微波铁氧体环行器的共面波导型微波铁氧体环行器制备方法，其特征在于，所述共面波导型微波铁氧体环行器制备方法包括：
步骤一，在硅基片上制备共面微波导的中心电极层和接地电极层；
步骤二，将一块圆柱形的铁氧体陶瓷片置于中心导体上面，将铁氧体陶瓷片表面的金属导电层作为非连接接地平面，得到共面波导型微波铁氧体环行器。
6.如权利要求5所述共面波导型微波铁氧体环行器制备方法，其特征在于，所述步骤二中，所述铁氧体陶瓷片上表面预先制备金属导电层。
7.一种如权利要求1-4所述共面波导型微波铁氧体环行器的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：
Y型结环行器采用三端口的网络定义环行器的端口特性，由散射矩阵定义的S参数如下：
其中
这里的Pi和Pi′分别为第i个端口的输入和输出功率；
参考端口1中的回波损耗S11、隔离损耗S31以及插入损耗S21，对于端口2和端口3具有相同的相应参数；
环行器满足无损耗和阻抗匹配的条件。
8.如权利要求6所述共面波导型微波铁氧体环行器的设计方法，其特征在于，无损耗的条件为：
S*S＝1；
其中S*为S的复共轭。
9.如权利要求6所述共面波导型微波铁氧体环行器的设计方法，其特征在于，匹配条件为在端口处没有阻抗失配，满足：
S11＝S22＝S33＝0；
由S*S＝1，S11＝S22＝S33＝0两式得理想环行器满足条件：
S12＝S23＝S31＝0，S13＝S21＝S32＝1；
能量从端口1流向端口2，从端口2流向3，从端口3流向端口1，为正向环行；
所述由S*S＝1，S11＝S22＝S33＝0两式得理想环行器满足条件或为：
S12＝S23＝S31＝1，S13＝S21＝S32＝0；
能量从端口1流向端口3，从端口3流向2，从端口2流向端口1，为反向环行。
10.一种雷达，其特征在于，所述雷达搭载权利要求1-4所述共面波导型微波铁氧体环行器，在级间隔离、阻抗以及天线共用上应用。
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| CN113506971A (zh) * | 2021-07-16 | 2021-10-15 | 北京无线电测量研究所 | 一种太赫兹结环行器的制作方法 |
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- 2021-02-07 CN CN202110174375.XA patent/CN112952329A/zh active Pending
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