CN116154434B - 一种互补开口谐振环yig限幅器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波器件以及磁学技术领域，具体涉及是一种互补开口谐振环YIG限幅器，包括YIG薄膜，YIG薄膜一面接地，其中还包括中心金属平面和激励带线组；激励带线组蚀刻于YIG薄膜另一面；中心金属平面设于YIG薄膜另一面上方，中心金属平面上设置有开口谐振环镂空图案，通过在YIG薄膜上设置中心金属平面，中心金属平面改变整个YIG薄膜静磁波边界条件实现额外的带外抑制效果，通过将YIG薄膜一面接地，另一面蚀刻出激励带线组的方式以YIG薄膜为介质形成微带线结构，能够将电磁场集中于YIG薄膜中能有效的实现自旋波的激励，使电磁波能量在薄膜内能够有效的进行传递，从而减小通带内插损。

Description

一种互补开口谐振环YIG限幅器
技术领域
本发明涉及微波器件以及磁学技术领域，具体涉及是一种互补开口谐振环YIG限幅器。
背景技术
限幅器是一种当信号的功率大于其阈值功率时，信号产生大的衰减，其输出功率被限制在输出阈值功率附近。而当信号功率小于阈值功率时，信号以较低的衰减通过限幅器。限幅器能够抑制高功率信号保护后继电路，并抑制高功率信号对后继电路产生干扰。
常用的限幅器一般为半导体限幅器，半导体限幅器通常使用场景为高功率限幅，而针对卫星通信场景，普通的地面通信设备所产生信号便可能对卫星信号产生干扰，在该场景下需要对地面通信信号等小功率信号进行限幅，半导体限幅器无法对小功率信号产生限幅效果。
钇铁石榴石(YIG)限幅器使用YIG薄膜中的一致限幅特性，使得外界微波信号与YIG材料中的自旋波信号产生非线性耦合，从而实现限幅效果，其典型限幅功率可以低至-20dBm，能够有效的实现对-10dBm以下小功率信号的限幅作用。
现有文献MSW Frequency Selective Limiters at UHF [J]John. D. Adam,Fellow, IEEE, and Steven N. Stitzer, Fellow, IEEE Transactions onMagneticsVolume 40, Issue 4. 2004. PP 2844-2846 中公开了一种在存在干扰的情况下，频率选择性限幅器在维持RF接收机的动态范围方面具有潜在的应用，如图4所示其中提出了一种通过在基板上设计微带线然后将YIG薄膜倒扣在微带线上面进行激励的技术方案，通过这种方式制得的YIG限幅器在小功率信号处理中，插损较大。
发明内容
本发明针对以上问题，提供一种互补开口谐振环YIG限幅器。
采用的技术方案是，一种互补开口谐振环YIG限幅器，包括YIG薄膜，YIG薄膜一面接地，其中还包括中心金属平面和激励带线组；激励带线组蚀刻于YIG薄膜另一面；
中心金属平面设于YIG薄膜另一面上方，中心金属平面上设置有开口谐振环镂空图案，且中心金属平面位于激励带线组中激励带线间。
可选的，开口谐振环镂空图案包括第一开口谐振环。
可选的，开口谐振环镂空图案包括两个以上开口谐振环，且两个以上开口谐振环尺寸不同，尺寸小的开口谐振环设于尺寸大的开口谐振环内，两个以上开口谐振环几何中心重叠。
进一步的，两个以上开口谐振环的开口方向不一致。
可选的，YIG薄膜的接地一面设置有金属基板。
进一步的，激励带线组、YIG薄膜和金属基板形成微带线结构，且激励带线组用于进行静磁波激励。
进一步的，激励带线组包括第一激励带线和第二激励带线，且第一激励带线和第二激励带线平行设置，第一激励带线一端和第二激励带线一端均接地。
进一步的，第一激励带线一端穿过YIG薄膜与金属基板连接，第二激励带线一端穿过YIG薄膜与金属基板连接。
可选的，还包括第一金属板和第二金属板，第一金属板和第二金属板设于YIG薄膜上，并与开口谐振环结构和激励带线组位于同一面，第一金属板和第二金属板接地。
可选的，第一金属板和第二金属板分别设于YIG薄膜两侧，且开口谐振环结构和激励带线组位于第一金属板和第二金属板间，YIG薄膜设有第一金属板和第二金属板的两侧侧壁进行金属化处理。
进一步的，YIG薄膜通过液相外延工艺生长在GGG衬底表面，再通过磨抛工艺将GGG衬底取出制得YIG薄膜。
本发明的有益效果至少包括以下之一；
1、通过将YIG薄膜一面接地，另一面蚀刻出激励带线组的方式以YIG薄膜为介质形成微带线结构，能够将电磁场集中于YIG薄膜中能有效的实现自旋波的激励，使电磁波能量在薄膜内能够有效的进行传递，从而减小通带内插损。
2、通过在YIG薄膜上设置中心金属平面，中心金属平面改变整个YIG薄膜静磁波边界条件实现额外的带外抑制效果。
3、通过在中心金属平面上设置开口谐振环镂空图案且开口谐振环镂空图案位于激励带线组中激励带线间可以实现YIG限幅器带内杂波的抑制同时能够有效的抑制带内谐振点，使得通带内的插损更加平坦而且更加有利于扩展频带。
4、同时激励带线组中能量能够耦合到开口谐振环结构中，对YIG薄膜实现二次激励有利于实现插入损耗的进一步减小。
附图说明
图1为一种互补开口谐振环YIG限幅器结构示意图；
图2为一种互补开口谐振环YIG限幅器俯视结构示意图；
图3为第二种互补开口谐振环YIG限幅器俯视结构示意图；
图4为一种现有YIG限幅器结构示意图；
图5为第三种互补开口谐振环YIG限幅器俯视结构示意图；
图6为第四种互补开口谐振环YIG限幅器俯视结构示意图；
图7为现有YIG限幅器仿真图；
图8为本申请YIG限幅器仿真图；
其中附图标记：1-YIG薄膜、2-金属基板、3-第一激励带线、4-第二激励带线、5-第一金属板、6-第二金属板、7-第一开口谐振环、8-第二开口谐振环、9-中心金属平面、10-第三开口谐振环。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1和2所示，一种互补开口谐振环YIG限幅器，包括YIG薄膜1，YIG薄膜1一面接地，其中还包括中心金属平面9和激励带线组；
激励带线组蚀刻于YIG薄膜1另一面；
中心金属平面9设于YIG薄膜1另一面上方，中心金属平面9上设置有镂空的开口谐振环镂空图案，且中心金属平面9位于激励带线组中激励带线间。
这样设计的目的在于，通过将YIG薄膜1一面接地，另一面蚀刻出激励带线组的方式以YIG薄膜1为介质形成微带线结构，能够将电磁场集中于YIG薄膜1中能有效的实现自旋波的激励，使电磁波能量在薄膜内能够有效的进行传递，从而减小通带内插损。
通过在YIG薄膜上设置中心金属平面，中心金属平面改变整个YIG薄膜静磁波边界条件实现额外的带外抑制效果。
再则，通过在中心金属平面上设置开口谐振环镂空图案且开口谐振环镂空图案位于激励带线组中激励带线间可以实现YIG限幅器带内杂波的抑制同时能够有效的抑制带内谐振点，使得通带内的插损更加平坦而且更加有利于扩展频带。
在具体实施中，如图6所示，提供了一种在中心金属平面9上设置一个开口谐振环的方案，即开口谐振环镂空图案包括第一开口谐振环7。
在具体实施中，在中心金属平面9上可以设置多个开口谐振环，以设置两个和设置三个开口谐振环为例，如图2和5所示，开口谐振环镂空图案包括两个以上开口谐振环，且两个以上开口谐振环尺寸不同，尺寸小的开口谐振环设于尺寸大的开口谐振环内，两个以上开口谐振环几何中心重叠。图2中包含第一开口谐振环7和第二开口谐振环8，图5中包含第一开口谐振环7、第二开口谐振环8和第三开口谐振环9，这样通过将两个或者三个开口谐振环的几何中心重叠，可以减少杂波的激励，使YIG薄膜1产生的静磁波波形更加对称，从而能有效抑制YIG薄膜1中的高次模式。
同时，两个以上开口谐振环的开口方向不一致。
这样设计的目的在于，当两个以上开口谐振环开口方向一致时，开口谐振环上射频电流相位一致，无法产生开口谐振环的谐振效果。
在具体实施中，YIG薄膜1的接地一面设置有金属基板2，激励带线组、YIG薄膜1和金属基板2形成微带线结构，且激励带线组用于进行静磁波激励，同时激励带线组包括第一激励带线3和第二激励带线4，且第一激励带线3和第二激励带线4平行设置，第一激励带线3一端和第二激励带线4一端均接地。
针对具体接地处理方式，可以选择金丝键合工艺引出带线在YIG薄膜1外就近接地，同时亦可以如图3所示，在YIG薄膜1上设置穿孔，同时第一激励带线3和第二激励带线4接地端穿过穿孔与YIG薄膜1下方的金属基板2连接形成接地。
需要指出的是，为了保障激励带线上的射频电流足够强，可以将第一激励带线3和第二激励带线4一端进行接地处理形成终端短路，而第一激励带线3和第二激励带线4另一端通过金丝键合工艺或者其他工艺与外部微部微波传输结构相连作为输入输出馈线。
在使用中，YIG薄膜1上施加沿着第一激励带线3和第二激励带线4方向上的偏置磁场后，第一激励带线3上的射频电流在YIG薄膜1中激励起静磁表面波，该静磁表面波沿着YIG薄膜1的表面进行传播，传输到第二激励带线4上后转换出射频电流输出。
YIG薄膜1内的静磁表面波与输入微波信号将发生第一类非线性耦合作用，当输入信号产生的静磁表面波的功率高于阈值功率时，微波信号能量将会强烈的耦合到静磁表面波中，限幅器产生限幅效果。
同时YIG薄膜1上的第一开口谐振环7和第二开口谐振环8对YIG薄膜1形成二次激励，同时第一激励带线3与第一开口谐振环7和第二开口谐振环8构成的谐振器，以及第二激励带线4形成信号耦合通路，对YIG薄膜1进行二次激励后会使得带内的插损更小，同时静磁波耦合通路和开口谐振环结构耦合通路共同作用使得通带内的谐振点更少，通带内更加平坦有利于拓展带宽。
本实施例中，在YIG薄膜1上还可以设置第一金属板5和第二金属板6，且第一金属板5和第二金属板6接地，并与开口谐振环结构和激励带线组位于同一面，同时第一金属板5和第二金属板6分别设于YIG薄膜1两侧，且开口谐振环结构和激励带线组位于第一金属板5和第二金属板6间，YIG薄膜1设有第一金属板5和第二金属板6的两侧侧壁进行金属化处理。
在具体实施中，第一金属板5和第二金属板6可以使用金丝键合工艺与地平面进行连接实现接地，也可以将YIG薄膜1上与第一金属板5和第二金属板6相适配的侧壁进行金属化处理，实现第一金属板5和第二金属板6接地，这样能够使得通带内的谐振点减少。
本实施例中使用的YIG薄膜1是通过液相外延工艺生长在GGG衬底表面，再通过磨抛工艺将GGG衬底取出制得。
本实施例提供的技术方案与现有的YIG限幅器效果上对比通过仿真如图7和图8所示：
将限幅器与矢量网络分析仪进行连接后，沿着带线的方向施加与带线方向一致的偏置磁场，调节磁场强度至450 Oe左右时，限幅器工作频带位于2.5GHz左右，从矢量网络分析仪上读取器件插入损耗结果，通过本发明的改进，通带内的插入损耗从-5dB左右提升到了-0.5dB左右实现了带内小的插损，同时传统YIG限幅器的带内波动为8dB左右，本发明改进后实现了2dB左右的带内波动，平缓了带内波形。同时本发明通过施加中心金属8改变静磁波边界条件之后实现了-25dB的带外抑制能力。
需要指出的是，图7和图8中的S21为插入损耗，同时，本实施例中所指的小功率信号为典型限幅功率为-10dBm以下信号。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种互补开口谐振环YIG限幅器，包括YIG薄膜（1），所述YIG薄膜（1）一面接地，其特征在于，还包括中心金属平面（9）和激励带线组；
所述激励带线组蚀刻于YIG薄膜（1）另一面，激励带线组对YIG薄膜（1）进行静磁波激励；
所述中心金属平面（9）设于YIG薄膜（1）另一面上方，中心金属平面（9）上设置有开口谐振环镂空图案，且中心金属平面（9）位于激励带线组中激励带线间。
2.根据权利要求1所述的一种互补开口谐振环YIG限幅器，其特征在于，所述开口谐振环镂空图案包括第一开口谐振环（7）。
3.根据权利要求1所述的一种互补开口谐振环YIG限幅器，其特征在于，所述开口谐振环镂空图案包括两个以上开口谐振环，且两个以上所述开口谐振环尺寸不同，尺寸小的开口谐振环设于尺寸大的开口谐振环内，两个以上所述开口谐振环几何中心重叠，两个以上所述开口谐振环的开口方向不一致。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种互补开口谐振环YIG限幅器，其特征在于，所述YIG薄膜（1）的接地一面设置有金属基板（2）。
5.根据权利要求4所述的一种互补开口谐振环YIG限幅器，其特征在于，所述激励带线组、YIG薄膜（1）和金属基板（2）形成微带线结构，且激励带线组用于进行静磁波激励。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种互补开口谐振环YIG限幅器，其特征在于，所述激励带线组包括第一激励带线（3）和第二激励带线（4），且第一激励带线（3）和第二激励带线（4）平行设置，第一激励带线（3）一端和第二激励带线（4）一端均接地。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种互补开口谐振环YIG限幅器，其特征在于，还包括第一金属板（5）和第二金属板（6），所述第一金属板（5）和第二金属板（6）设于YIG薄膜（1）上，并与开口谐振环结构和激励带线组位于同一面，第一金属板（5）和第二金属板（6）接地。
8.根据权利要求7所述的一种互补开口谐振环YIG限幅器，其特征在于，所述第一金属板（5）和第二金属板（6）分别设于YIG薄膜（1）两侧，且开口谐振环结构和激励带线组位于第一金属板（5）和第二金属板（6）间，所述YIG薄膜（1）设有第一金属板（5）和第二金属板（6）的两侧侧壁进行金属化处理。
9.根据权利要求1所述的一种互补开口谐振环YIG限幅器，其特征在于，所述YIG薄膜（1）通过液相外延工艺生长在GGG衬底表面，再通过磨抛工艺将GGG衬底取出制得YIG薄膜（1）。
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