一種基于介電可調(diào)薄膜的微波鐵氧體環(huán)形器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微波可調(diào)器件與微電子材料領(lǐng)域，涉及微波鐵氧體環(huán)形器，具體為一種基于介電可調(diào)薄膜的微波鐵氧體環(huán)形器。
【背景技術(shù)】
[0002]環(huán)形器是一種多端口器件，電磁波在環(huán)形器中的傳輸只能沿單方向環(huán)行反方向隔離，作為一種重要的微波鐵氧體器件廣泛應(yīng)用于無線收發(fā)系統(tǒng)中。目前商用的主要是基于尖晶石和石榴石鐵氧體的環(huán)形器，這類環(huán)形器在高頻使用時(shí)，需要一個(gè)強(qiáng)大的外加偏置磁場，因此不利于器件的小型化，集成化，高頻化發(fā)展;六角晶系鐵氧體材料具有高的磁晶各向異性場，可以應(yīng)用到毫米波段，所需外加偏置場非常小，甚至不需外加偏置磁場，因而能夠?qū)崿F(xiàn)自偏置功能。微波鐵氧體環(huán)形器由于材料物理損耗原因，其插損較大;外圍匹配結(jié)構(gòu)因空間物理尺寸限制不能實(shí)現(xiàn)寬帶化;常見微波環(huán)形器的結(jié)構(gòu)有微帶式、波導(dǎo)式及帶狀線，其中微波鐵氧體環(huán)形器主要采用微帶三端口結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，基片上采用鐵氧體材料作為介質(zhì)，上置導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)，加恒定磁場就具有環(huán)行特性。
[0003]上述微波鐵氧體環(huán)行器性能的優(yōu)劣除了鐵氧體本身的磁參數(shù)外，最直接的決定因素是整個(gè)環(huán)行器三端口的阻抗匹配程度，而該環(huán)形器采用分布參數(shù)的微帶線結(jié)構(gòu)作為匹配網(wǎng)絡(luò)，其等效容值固定不變，限制了匹配調(diào)整的靈活性，從根本上決定了其無法解決環(huán)形器帶寬窄、難調(diào)諧的問題。因此本發(fā)明通過在多級變換的微帶匹配節(jié)中加入可調(diào)電容，進(jìn)一步優(yōu)化微波鐵氧體環(huán)形器的微波特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對【背景技術(shù)】中缺陷，提供一種基于介電可調(diào)薄膜的微波鐵氧體環(huán)形器，有效拓寬微波鐵氧體環(huán)形器的帶寬、降低插損。本發(fā)明基于介電可調(diào)材料，利用介電可調(diào)薄膜可變電容作為環(huán)形器微帶匹配結(jié)中的等效匹配網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)微波鐵氧體環(huán)形器性能優(yōu)化。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種基于介電可調(diào)薄膜的微波鐵氧體環(huán)形器，該環(huán)形器采用微帶三端口結(jié)構(gòu)，包括硅基片、設(shè)置于硅基片上的鐵氧體厚膜、以及鐵氧體厚膜上設(shè)置的微帶結(jié)構(gòu);其特征在于，所述微帶結(jié)構(gòu)中每個(gè)端口均集成有一個(gè)介電可調(diào)薄膜變?nèi)莨芗捌鋵?yīng)的外加電場結(jié)構(gòu)，所述介電可調(diào)薄膜變?nèi)莨苡蓮南峦弦来螌盈B的下電極、介電可調(diào)薄膜及上電極構(gòu)成，所述下電極設(shè)置于鐵氧體厚膜上，所述上、下電極分別連接微帶線，上、下電極之間相絕緣。
[0006]進(jìn)一步的，所述介電可調(diào)薄膜采用鈦酸鍶鋇BaxSr1-xTi03(BST)材料或鉍基焦綠石結(jié)構(gòu)的B i!.sZnNb1.SO7(BZN),Bi1.sMgNb1.507 (BMN)材料。所述微帶結(jié)構(gòu)采用三節(jié)阻抗變換。所述鐵氧體厚膜采用六角鋇鐵氧體材料。所述微帶結(jié)構(gòu)采用Au薄膜。
[0007]本發(fā)明提供基于介電可調(diào)薄膜的微波鐵氧體環(huán)形器采用介電可調(diào)薄膜變?nèi)莨茏鳛槲ЫY(jié)構(gòu)中的微帶匹配結(jié)，通過調(diào)節(jié)電容大小實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)環(huán)形器的匹配網(wǎng)絡(luò)，從而優(yōu)化微波鐵氧體環(huán)形器的微波性能，有效降低了插損，拓寬了工作帶寬;本發(fā)明能夠提供中心頻率為12GHz、相對帶寬為20%-40%、插損小于IdB的微波鐵氧體環(huán)形器。另外，對于設(shè)計(jì)要求尺寸小、帶寬寬的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，介電可調(diào)薄膜作為等效可變電容參數(shù)引入匹配網(wǎng)絡(luò)中，有利于實(shí)現(xiàn)環(huán)行器的小型化和集成化。
【附圖說明】
[0008]圖1為常見鐵氧體環(huán)形器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009]圖2為微波鐵氧體環(huán)形器的HFSS仿真模型示意圖。
[0010]圖3為基于介電可調(diào)薄膜的變?nèi)莨艿刃щ娐吠饧与妶瞿Ｐ褪疽鈭D。
[0011]圖4一圖6為實(shí)施例中基于介電可調(diào)薄膜的微波鐵氧體環(huán)形器的微波性能仿真結(jié)果;其中，圖4為環(huán)行器的駐波比隨微帶線等效線寬變化圖，圖5為環(huán)形器的插損隨微帶線等效線寬變化圖，圖6為環(huán)形器的隔離度隨微帶線等效線寬變化圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0013]本實(shí)施例中基于介電可調(diào)薄膜的微波鐵氧體環(huán)形器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，該環(huán)形器采用微帶三端口結(jié)構(gòu)，包括硅基片、設(shè)置于硅基片上的鐵氧體厚膜、以及鐵氧體厚膜上設(shè)置的微帶結(jié)構(gòu);所述微帶結(jié)構(gòu)中每個(gè)端口均集成有一個(gè)介電可調(diào)薄膜變?nèi)莨芗捌鋵?yīng)的外加電場結(jié)構(gòu)，所述介電可調(diào)薄膜變?nèi)莨苡蓮南峦弦来螌盈B的下電極、介電可調(diào)薄膜及上電極構(gòu)成，所述下電極設(shè)置于鐵氧體厚膜上，所述上、下電極分別連接微帶線，上、下電極之間相絕緣;所述的介電可調(diào)薄膜變?nèi)莨芗捌鋵?yīng)的外加電場結(jié)構(gòu)如圖3所示。
[0014]六角鋇鐵氧體材料，其具有較高的磁晶各向異性場(>16K0e)，作為為永磁材料，具有高的剩磁比，不需要外加磁場就可以使環(huán)行器工作。因此，本實(shí)施例中鐵氧體厚膜采用六角鋇鐵氧體厚膜材料。根據(jù)工作頻率、鋇鐵氧體的磁參數(shù)計(jì)算出結(jié)半徑和結(jié)阻抗，通常結(jié)阻抗相對較高，因此需要按照傳輸線阻抗變換理論進(jìn)行阻抗變換設(shè)計(jì);本實(shí)施例中采用三節(jié)阻抗變換，從結(jié)阻抗匹配到標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載阻抗，按照四分之一波長變化理論進(jìn)行阻抗變換，最后匹配到50 Ω。通過史密斯圓圖得到分布參數(shù)微帶線等效為集總參數(shù)電容值的關(guān)系，在阻抗變換結(jié)中采用具有調(diào)諧性的介電可調(diào)薄膜變?nèi)莨芴娲糠治ЫY(jié)構(gòu)，對整個(gè)環(huán)形器的阻抗匹配經(jīng)行調(diào)諧，優(yōu)化阻抗變換中因阻抗失配所引起的駐波比和插損。
[0015]本實(shí)施例中基于介電可調(diào)薄膜的微波鐵氧體環(huán)形器模型和微波性能均采用電磁仿真軟件HFSS和ADS進(jìn)行性能仿真，優(yōu)化并驗(yàn)證方案的可行性。
[0016]下面結(jié)合基于鉍基焦綠石結(jié)構(gòu)的Bi1.SZnNbL5O7(BZN)介電可調(diào)薄膜的微波鐵氧體環(huán)形器的微波性能仿真結(jié)果進(jìn)一步說明本發(fā)明的有益效果。
[0017]通過改變重合部分微帶的寬度大小來等效集總參數(shù)可調(diào)電容的容值變化，從而優(yōu)化環(huán)形器的微波性能。根據(jù)ADS軟件仿真結(jié)果，微帶線寬與容值對應(yīng)關(guān)系為0.1mm ?3pf、
0.4mm ? 2pf、0.9mm ? 0.4pf;在保持此匹配節(jié)長度不變的情況下，隨著寬度變大，插損、駐波比、隔離度性能進(jìn)一步提升。
[0018]如圖4所示為環(huán)行器駐波比隨匹配網(wǎng)絡(luò)線寬的變化圖，從圖中曲線可以看出，環(huán)形器的端口駐波呈現(xiàn)出明顯的拓寬寬帶特性，回波損耗<-10dB的帶寬達(dá)到3GHz，相對帶寬為25% ；
[0019]如圖5所示為環(huán)行器的隔離度隨匹配網(wǎng)絡(luò)線寬的變化圖，從圖中可見隔離度<-1OdB的帶寬達(dá)到4GHz，相對帶寬達(dá)到33.3% ；
[0020]如圖6所示為環(huán)行器的插損隨匹配網(wǎng)絡(luò)線寬的變化圖，從圖中的數(shù)據(jù)可得知，當(dāng)插損< IdB時(shí)候環(huán)行器的帶寬為2.6GHz，其相對帶寬為21.6 %。
[0021]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，本說明書中所公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換;所公開的所有特征、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于介電可調(diào)薄膜的微波鐵氧體環(huán)形器，該環(huán)形器采用微帶三端口結(jié)構(gòu)，包括硅基片、設(shè)置于硅基片上的鐵氧體厚膜、以及鐵氧體厚膜上設(shè)置的微帶結(jié)構(gòu)；其特征在于，所述微帶結(jié)構(gòu)中每個(gè)端口均集成有一個(gè)介電可調(diào)薄膜變?nèi)莨芗捌鋵?yīng)的外加電場結(jié)構(gòu)，所述介電可調(diào)薄膜變?nèi)莨苡蓮南峦弦来螌盈B的下電極、介電可調(diào)薄膜及上電極構(gòu)成，所述下電極設(shè)置于鐵氧體厚膜上，所述上、下電極分別連接微帶線，上、下電極之間相絕緣。2.按權(quán)利要求1所述基于介電可調(diào)薄膜的微波鐵氧體環(huán)形器，其特征在于，所述介電可調(diào)薄膜采用鈦酸鍶鋇BaxSn—xTi03(BST)材料或鉍基焦綠石結(jié)構(gòu)的Bi1.SZnNb1.5θ7(ΒΖΝ)、Bi1.5MgNb1.5〇7(BMN)材料。3.按權(quán)利要求1所述基于介電可調(diào)薄膜的微波鐵氧體環(huán)形器，其特征在于，所述微帶結(jié)構(gòu)采用三節(jié)阻抗變換。4.按權(quán)利要求1所述基于介電可調(diào)薄膜的微波鐵氧體環(huán)形器，其特征在于，所述鐵氧體厚膜采用六角鋇鐵氧體材料。
【專利摘要】本發(fā)明屬于微波可調(diào)器件與微電子材料領(lǐng)域，涉及微波鐵氧體環(huán)形器，提供一種基于介電可調(diào)薄膜的微波鐵氧體環(huán)形器，用于拓寬微波鐵氧體環(huán)形器的帶寬、降低插損。本發(fā)明環(huán)形器采用微帶三端口結(jié)構(gòu)，包括硅基片、設(shè)置于硅基片上的鐵氧體厚膜、以及鐵氧體厚膜上設(shè)置的微帶結(jié)構(gòu)；所述微帶結(jié)構(gòu)中每個(gè)端口均集成有一個(gè)介電可調(diào)薄膜變?nèi)莨芗捌鋵?yīng)的外加電場結(jié)構(gòu)，所述介電可調(diào)薄膜變?nèi)莨苡蓮南峦弦来螌盈B的下電極、介電可調(diào)薄膜及上電極構(gòu)成，所述下電極設(shè)置于鐵氧體厚膜上，所述上、下電極分別連接微帶線，上、下電極之間相絕緣。本發(fā)明采用介電可調(diào)薄膜變?nèi)莨茏鳛槲ЫY(jié)構(gòu)中的微帶匹配結(jié)，有效降低了插損，拓寬了工作帶寬。
【IPC分類】H01P1/387
【公開號】CN105633521
【申請?zhí)枴緾N201610102854
【發(fā)明人】高莉彬, 孫延龍
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2016年2月25日