CN113203351A - 一种提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构 - Google Patents

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金立川
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Abstract

本发明提供一种提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构，属于微波毫米波段磁性材料参数测试领域，包括依次串联的第一级标准特性阻抗接地共面波导、第一级非标准微带线、中间级非标准特性阻抗接地共面波导、第二级非标准微带线和第二级标准特性阻抗接地共面波导；第一、二级标准特性阻抗接地共面波导和由第一级非标准微带线、中间级非标准特性阻抗接地共面波导和第二级非标准微带线组成的传输线的特性阻抗均为50Ω；中间级非标准特性阻抗接地共面波导的信号线宽度和槽间距均为工艺极限值；第一、二级非标准微带线的长度均为四分之一中心频率波长。通过多级传输线变换，实现工艺极限值信号线宽度和槽间距的接地共面波导，提高测试精度。

Description

一种提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构
技术领域
本发明属于微波毫米波段磁性材料参数测试领域，具体涉及一种提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构。
背景技术
在无线微波通信迅速发展的大背景下，通信系统各部分核心器件的工作频率逐渐步入微波段与毫米波段，据此提出了小型化、低功耗、高稳定性、高精度以及低成本的要求，传统的器件不再适用。随着巨磁阻效应的发现，磁性材料器件凭借尺寸小、精度高以及速度快的特点，逐渐突显出了巨大的应用潜力，因其占用体积小、可用频率高、各向异性强、损耗低的特性，在微波通信器件如环形器、隔离器中已得到大量应用，大大减小通信基站的尺寸，加快5G时代的发展。近些年来，磁性薄膜由于其垂直各向异性与磁矩的可翻转性，在高速磁存储领域展现了极大的可行性，有望成为下一代主流存储技术。但随着工作频率的提高，不仅传统器件出现了更多寄生效应，大大增加了能量损耗，对新型磁性薄膜器件也提出了更严格的要求。除小型化、集成度高、响应迅速之外，磁性损耗也是一项极为重要的指标，其大小直接决定了器件能否成功嵌入收发系统实现正常工作。因此，对于应用在微波毫米波器件的磁性薄膜，能否准确地测试其磁性参数以及损耗大小，有着极为重要的决定作用。
目前多用铁磁共振线宽来衡量磁性材料的磁性损耗大小，测试方法多为腔体法或传输线法。腔体法适用于球状铁氧体材料测试，而磁性薄膜适用接地共面波导或微带线法测试。当工作频率达到毫米波段，微带线相比共面波导具有更大的辐射损耗，因此在高频段通常使用接地共面波导传输线微扰法测试。这种测试方法使用射频信号发生器或者矢量网络分析仪产生微波信号，为最小化传输线的损耗与反射，接地共面波导结构须按照50欧姆特性阻抗设计，其尺寸大小由衬底介电常数、厚度、导带宽度和槽间距决定。加大接地共面波导的信号线宽度，一方面会产生不必要的杂散信号，另一方面增大微波磁场与样品互相作用面积，对于生长均匀度较差、缺陷较多、各向异性较强的薄膜，很容易产生不规则的铁磁共振线宽外部展宽，无法准确测得真实线宽大小。但当信号线宽度减小到工艺极限值时，由于50欧姆特性阻抗的限制，槽间距往往已经超过工艺极限值，因此无法实现线宽为工艺极限值的接地共面波导。另一种光刻式接地共面波导结构，不仅接地效果较差，信号隔离度差，介质损耗大，还对待测试样品有更多限制。因此，利用接地共面波导法进行铁磁共振线宽测试，在精度方面还有很大的提升空间。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构，通过多级传输线变换设计，实现工艺极限值信号线宽度和槽间距的接地共面波导，进而提高铁磁共振线宽测试精度。
一种提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构，其特征在于，包括依次串联的第一级标准特性阻抗接地共面波导、第一级非标准微带线、中间级非标准特性阻抗接地共面波导、第二级非标准微带线和第二级标准特性阻抗接地共面波导；第一级标准特性阻抗接地共面波导，第二级标准特性阻抗接地共面波导，和由第一级非标准微带线、中间级非标准特性阻抗接地共面波导和第二级非标准微带线串联而成的传输线的特性阻抗均为50Ω；其中，中间级非标准特性阻抗接地共面波导的信号线宽度和槽间距均为工艺极限值。
进一步地，所述第一级非标准微带线和第二级非标准微带线的特性阻抗 ZMICROSRIP均与中间级非标准特性阻抗接地共面波导的特性阻抗ZGCPW满足：
Figure BDA0003043950060000021
其中，Z0为50Ω的标准特性阻抗。
进一步地，所述工艺极限值为0.075～0.1mm。
进一步地，所述第一级非标准微带线和第二级非标准微带线的长度均为四分之一中心频率波长。
进一步地，所述第一级非标准微带线和第二级非标准微带线的信号线宽度均小于第一级标准特性阻抗接地共面波导、中间级非标准特性阻抗接地共面波导和第二级标准特性阻抗接地共面波导的信号线宽度与两倍槽间距的和。
进一步地，所述第一级非标准微带线和第二级非标准微带线的结构相同。
进一步地，所述中间级非标准特性阻抗接地共面波导的信号线长度不低于待测磁性薄膜样品的尺寸。
进一步地，所述第一级标准特性阻抗接地共面波导、中间级非标准特性阻抗接地共面波导和第二级标准特性阻抗接地共面波导的顶部接地金属带的等距边缘处通过金属化通孔与传输线背部接地金属带连接。
进一步地，所述第一级标准特性阻抗接地共面波导、第一级非标准微带线、中间级非标准特性阻抗接地共面波导、第二级非标准微带线和第二级标准特性阻抗接地共面波导的介质衬底相同，为低介质损耗角衬底，相对介电常数低于10，以保证第一级非标准微带线、第二级非标准微带线，与第一级标准特性阻抗接地共面波导、中间级非标准特性阻抗接地共面波导和第二级标准特性阻抗接地共面波导的隔离度。
进一步地，所述第一级标准特性阻抗接地共面波导、中间级非标准特性阻抗接地共面波导、第二级标准特性阻抗接地共面波导的信号线、顶部接地金属带和传输线背部接地金属带的表面，第一级非标准微带线、第二级非标准微带线的信号线和传输线背部接地金属带的表面，均覆盖有一层2～12mil厚的金箔或银箔。
所述平面传输线结构实现铁磁共振线宽测试的方法具体为：首先，将待测磁性薄膜样品倒置于中间级非标准特性阻抗接地共面波导的上方(覆盖信号线和凹槽区域)，在垂直于微波磁场的方向施加可调恒定磁场；然后，矢量网络分析仪或射频信号发生器产生微波信号，微波信号通过同轴线连接至所述平面传输线结构的两端(即第一级标准特性阻抗接地共面波导的一端和第二级标准特性阻抗接地共面波导的一端)；在可调恒定磁场和微波信号的共同作用下，测试磁性薄膜样品的插入损耗和回波损耗随微波信号频率的变化曲线，经洛伦兹拟合后得到铁磁共振线宽。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明提出了一种提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构，通过多级传输线串联，在保证50欧姆特性阻抗匹配的同时，将平面传输线结构用于测试的接地共面波导的信号线宽度和槽间距均设计为工艺极限值，以实现微波磁场与待测磁性薄膜样品作用范围的最小化，通过减少与待测磁性薄膜样品中均匀度较差或缺陷密度较大区域的相互作用，减小铁磁共振线宽的外部展宽，进而提高铁磁共振线宽测试精度；
2、平面传输线结构中的微带线为四分之一波长阻抗变换微带线结构，通过与中间级非标准特性阻抗接地共面波导串联，完成标准阻抗与非标准阻抗的相互变换，实现50欧姆特性阻抗，完全消除由阻抗不匹配带来的回波损耗；并且中心频率可调，可实现宽频带的铁磁共振线宽测试；
3、平面传输线结构整体为传输线背部接地金属带-衬底-顶部金属面结构，属于平面结构，易于待测磁性薄膜样品的测试，对待测磁性薄膜样品无过多限制，并且介质衬底的介电常数适中，使得微带线不会与接地共面波导接地带产生接触或是电磁耦合。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构的俯视图；
图2为本发明实施例1提出的提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构的侧视图；
图3为本发明实施例1提出的提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构中中间级非标准特性阻抗接地共面波导9的磁场分布情况；
附图标记如下：
1为顶部接地金属带；2为第一级标准特性阻抗接地共面波导、中间级非标准特性阻抗接地共面波导和第二级标准特性阻抗接地共面波导的信号线；3为传输线背部接地金属带；4为金属化通孔；5为介质衬底；6为第一级非标准微带线和第二级非标准微带线的信号线；7为第一级标准特性阻抗接地共面波导；8 为第一级非标准微带线；9为中间级非标准特性阻抗接地共面波导；10为第二级非标准微带线；11为第二级标准特性阻抗接地共面波导。
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。
实施例1
本实施例提出了一种提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构，如图1、 2所示，包括依次串联的第一级标准特性阻抗接地共面波导7、第一级非标准微带线8、中间级非标准特性阻抗接地共面波导9、第二级非标准微带线10和第二级标准特性阻抗接地共面波导11；所述平面传输线结构的整体长度为31.5mm，宽度为12mm。
所述第一级标准特性阻抗接地共面波导7、第一级非标准微带线8、中间级非标准特性阻抗接地共面波导9、第二级非标准微带线10和第二级标准特性阻抗接地共面波导11的介质衬底5均采用商用RO3006材料，相对介电常数为6.5，介质损耗角为0.002，厚度为0.25mm；
由第一级非标准微带线8、中间级非标准特性阻抗接地共面波导9和第二级非标准微带线10串联而成的传输线的特性阻抗为50Ω；其中，中间级非标准特性阻抗接地共面波导9的信号线宽度和槽间距均为工艺极限值0.1mm，长度为8 mm；根据介质衬底5的相对介电常数、厚度，及中间级非标准特性阻抗接地共面波导9的信号线宽度、槽间距、长度，采用接地共面波导阻抗计算工具，计算得到中间级非标准特性阻抗接地共面波导9的特性阻抗ZGCPW为71Ω，基于公式：
Figure BDA0003043950060000051
获得第一级非标准微带线8和第二级非标准微带线10的特性阻抗ZMICROSRIP为59.6Ω；其中，Z0为50Ω的标准特性阻抗；
本实施例进行铁磁共振线宽测试的中心频率为20GHz，获得第一级非标准微带线8和第二级非标准微带线10的长度为四分之一中心频率波长，3.75mm；根据介质衬底5的相对介电常数、厚度，及第一级非标准微带线8和第二级非标准微带线10的特性阻抗ZMICROSRIP、长度，采用微带线阻抗计算工具，计算得到第一级非标准微带线8和第二级非标准微带线10的信号线宽度为0.247mm；
所述第一级标准特性阻抗接地共面波导7和第二级标准特性阻抗接地共面波导11的特性阻抗均为50Ω，长度均为8mm，信号线宽度均为0.248mm，槽间距均为0.1mm；
所述第一级标准特性阻抗接地共面波导7、中间级非标准特性阻抗接地共面波导9和第二级标准特性阻抗接地共面波导11的顶部接地金属带1的等距边缘处通过金属化通孔4与传输线背部接地金属带3连接；
所述第一级标准特性阻抗接地共面波导7、中间级非标准特性阻抗接地共面波导9和第二级标准特性阻抗接地共面波导11的信号线2、顶部接地金属带1 和传输线背部接地金属带3的表面，第一级非标准微带线8、第二级非标准微带线10的信号线6和传输线背部接地金属带3的表面，均覆盖有一层2mil厚的金箔。
在CST电磁仿真软件中对本实施例所得平面传输线结构进行仿真，通过波端口输入模拟实际信号输入，得到所述平面传输线结构在16-24GHz范围内的回波损耗低于-10dB，插入损耗大于-1.4dB，表明所述平面传输线结构完全满足铁磁共振线宽测试系统的要求。
图3为所述中间级非标准特性阻抗接地共面波导9的磁场分布情况，可知中间级非标准特性阻抗接地共面波导9的信号线正上方的微波磁场方向平行于平面传输线结构表面，微波磁场密度相比于两侧顶部接地金属带1较高(表现为箭头颜色较深)，即微波磁场信号强度较强；当磁性薄膜样品倒置于所述中间级非标准特性阻抗接地共面波导9上方时，微波磁场信号强度较强的信号线区域贡献铁磁共振线宽的本征展宽，并且工艺极限值的信号线尺寸可最小化微波磁场与磁性薄膜样品不均匀处或缺陷较多处的相互作用，从而提高铁磁共振线宽测试精度。
所述平面传输线结构实现铁磁共振线宽测试的方法具体为：首先，将待测磁性薄膜样品倒置于中间级非标准特性阻抗接地共面波导9的上方(覆盖信号线和凹槽区域)，在垂直于微波磁场的方向施加可调恒定磁场；然后，矢量网络分析仪或射频信号发生器产生微波信号，微波信号通过同轴线连接至所述平面传输线结构的两端(即第一级标准特性阻抗接地共面波导7的一端和第二级标准特性阻抗接地共面波导11的一端)；在可调恒定磁场和微波信号的共同作用下，测试磁性薄膜样品的插入损耗和回波损耗随微波信号频率的变化曲线，经洛伦兹拟合后得到铁磁共振线宽。
实施例2
本实施例提出了一种提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构，包括依次串联的第一级标准特性阻抗接地共面波导7、第一级非标准微带线8、中间级非标准特性阻抗接地共面波导9、第二级非标准微带线10和第二级标准特性阻抗接地共面波导11；所述平面传输线结构的整体长度为31.5mm，宽度为12mm。
所述第一级标准特性阻抗接地共面波导7、第一级非标准微带线8、中间级非标准特性阻抗接地共面波导9、第二级非标准微带线10和第二级标准特性阻抗接地共面波导11的介质衬底5均采用商用RO3006材料，相对介电常数为6.5，介质损耗角为0.002，厚度为0.13mm；
由第一级非标准微带线8、中间级非标准特性阻抗接地共面波导9和第二级非标准微带线10串联而成的传输线的特性阻抗为50Ω；其中，中间级非标准特性阻抗接地共面波导9的信号线宽度和槽间距均为工艺极限值0.075mm，长度为 8mm；根据介质衬底5的相对介电常数、厚度，及中间级非标准特性阻抗接地共面波导9的信号线宽度、槽间距、长度，采用接地共面波导阻抗计算工具，计算得到中间级非标准特性阻抗接地共面波导9的特性阻抗ZGCPW为67Ω，基于公式：
Figure BDA0003043950060000071
获得第一级非标准微带线8和第二级非标准微带线10的特性阻抗ZMICROSRIP为57.9Ω；其中，Z0为50Ω的标准特性阻抗；
本实施例进行铁磁共振线宽测试的中心频率为20GHz，获得第一级非标准微带线8和第二级非标准微带线10的长度为四分之一中心频率波长，3.75mm；根据介质衬底5的相对介电常数、厚度，及第一级非标准微带线8和第二级非标准微带线10的特性阻抗ZMICROSRIP、长度，采用微带线阻抗计算工具，计算得到第一级非标准微带线8和第二级非标准微带线10的信号线宽度为0.11mm；
所述第一级标准特性阻抗接地共面波导7和第二级标准特性阻抗接地共面波导11的特性阻抗均为50Ω，长度均为8mm，信号线宽度均为0.18mm，槽间距均为0.18mm；
所述第一级标准特性阻抗接地共面波导7、中间级非标准特性阻抗接地共面波导9和第二级标准特性阻抗接地共面波导11的顶部接地金属带1的等距边缘处通过金属化通孔4与传输线背部接地金属带3连接；
所述第一级标准特性阻抗接地共面波导7、中间级非标准特性阻抗接地共面波导9和第二级标准特性阻抗接地共面波导11的信号线2、顶部接地金属带1 和传输线背部接地金属带3的表面，第一级非标准微带线8、第二级非标准微带线10的信号线6和传输线背部接地金属带3的表面，均覆盖有一层2mil厚的金箔。
在CST电磁仿真软件中对本实施例所得平面传输线结构进行仿真，通过波端口输入模拟实际信号输入，得到所述平面传输线结构在16-24GHz范围内的回波损耗低于-12dB，插入损耗大于-1.3dB，表明所述平面传输线结构完全满足铁磁共振线宽测试系统的要求。

Claims (8)

1.一种提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构，其特征在于，包括依次串联的第一级标准特性阻抗接地共面波导、第一级非标准微带线、中间级非标准特性阻抗接地共面波导、第二级非标准微带线和第二级标准特性阻抗接地共面波导；第一级标准特性阻抗接地共面波导，第二级标准特性阻抗接地共面波导，和由第一级非标准微带线、中间级非标准特性阻抗接地共面波导和第二级非标准微带线串联而成的传输线的特性阻抗均为50Ω；其中，中间级非标准特性阻抗接地共面波导的信号线宽度和槽间距均为工艺极限值。
2.根据权利要求1所述提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构，其特征在于，所述第一级非标准微带线和第二级非标准微带线的长度均为四分之一中心频率波长。
3.根据权利要求1所述提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构，其特征在于，所述第一级非标准微带线和第二级非标准微带线的特性阻抗ZMICROSRIP均与中间级非标准特性阻抗接地共面波导的特性阻抗ZGCPW满足：
Figure FDA0003043950050000011
其中，Z0为50Ω的标准特性阻抗。
4.根据权利要求1所述提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构，其特征在于，所述工艺极限值为0.075～0.1mm。
5.根据权利要求1所述提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构，其特征在于，所述第一级非标准微带线和第二级非标准微带线的信号线宽度均小于第一级标准特性阻抗接地共面波导、中间级非标准特性阻抗接地共面波导和第二级标准特性阻抗接地共面波导的信号线宽度与两倍槽间距的和。
6.根据权利要求1所述提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构，其特征在于，所述第一级标准特性阻抗接地共面波导、中间级非标准特性阻抗接地共面波导和第二级标准特性阻抗接地共面波导的顶部接地金属带的等距边缘处通过金属化通孔与传输线背部接地金属带连接。
7.根据权利要求1所述提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构，其特征在于，所述第一级标准特性阻抗接地共面波导、第一级非标准微带线、中间级非标准特性阻抗接地共面波导、第二级非标准微带线和第二级标准特性阻抗接地共面波导的介质衬底相同，为低介质损耗角衬底，相对介电常数低于10。
8.根据权利要求1所述提高铁磁共振线宽测试精度的平面传输线结构，其特征在于，所述第一级非标准微带线和第二级非标准微带线的结构相同。
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