本發(fā)明屬于微波器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種ka波段疊層式薄膜鐵氧體微帶環(huán)行器。

背景技術(shù)：

鐵氧體環(huán)行器是微波鐵氧體器件中的一種，在雷達(dá)、通信等設(shè)備系統(tǒng)中，它一般被用作信號(hào)收、發(fā)的共用裝置。在信號(hào)發(fā)射和接收系統(tǒng)中，鐵氧體環(huán)行器可以把輸入輸出的信號(hào)進(jìn)行隔離，同時(shí)也有信號(hào)放大以及去耦、匹配的作用。現(xiàn)代通信、射頻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是得微波鐵氧體器件必定要朝著小型化、集成化、輕量化的方向發(fā)展，所以微帶線結(jié)構(gòu)的鐵氧體環(huán)行器成為了研究重點(diǎn)，而將鐵氧體薄膜技術(shù)應(yīng)用于環(huán)行器是減少設(shè)備尺寸和重量合理有效的方法。但鐵氧體薄膜在制作方面會(huì)有隨著薄膜厚度的增加導(dǎo)致薄膜斷裂、薄膜性能降低的缺點(diǎn)，這種問(wèn)題嚴(yán)重制約薄膜器件的發(fā)展。

故，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，實(shí)有必要提出一種技術(shù)方案以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種高性能且易產(chǎn)業(yè)化的ka波段疊層式薄膜鐵氧體微帶環(huán)行器，通過(guò)將低相對(duì)介電常數(shù)薄膜作為介質(zhì)層添加到鐵氧體薄膜中間，從而降低鍍膜難度，同時(shí)也能提高環(huán)行器的環(huán)行性能。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種ka波段疊層式薄膜鐵氧體微帶線環(huán)行器，其特征在于，包括：介質(zhì)基片、以鍍膜工藝在所述介質(zhì)基片上依次形成第一鐵氧體薄膜層、介質(zhì)薄膜層和第二鐵氧體薄膜層、以及設(shè)置所述第二鐵氧體薄膜層上的微帶線，所述微帶線作為環(huán)行器的導(dǎo)體電路與外部電路相連接；所述介質(zhì)薄膜層采用薄膜附著性的材料且其相對(duì)介電常數(shù)低于所述第一鐵氧體薄膜層和第二鐵氧體薄膜層的相對(duì)介電常數(shù)。

優(yōu)選地，所述第一鐵氧體薄膜層和第二鐵氧體薄膜層的厚度相同。

優(yōu)選地，所述環(huán)行器為三端器件，所述微帶線包括一個(gè)圓盤(pán)結(jié)和三個(gè)y結(jié)，所述y結(jié)以所述圓盤(pán)結(jié)的圓心為中心形成對(duì)稱分布，每個(gè)y結(jié)之間的夾角為120°。

優(yōu)選地，所述介質(zhì)基片1為al2o3晶體介質(zhì)基片。

優(yōu)選地，所述第一鐵氧體薄膜層2和第二鐵氧體薄膜層4為bam鐵氧體薄膜層。

優(yōu)選地，所述介質(zhì)薄膜層3為mgo介質(zhì)薄膜層。

優(yōu)選地，還包括設(shè)置在所述介質(zhì)基片底端的金屬接地板6。

優(yōu)選地，所述介質(zhì)基片1的厚度為200μm。

優(yōu)選地，所述第一鐵氧體薄膜層2和第二鐵氧體薄膜層4的厚度為5μm。

優(yōu)選地，所述介質(zhì)薄膜層的厚度3為0.05μm。

本發(fā)明在傳統(tǒng)單層薄膜鐵氧體環(huán)行器的基礎(chǔ)上，改變鐵氧體薄膜的結(jié)構(gòu)形式，采用疊層薄膜結(jié)構(gòu)，鐵氧體薄膜中間添加低相對(duì)介電常數(shù)材料作為介質(zhì)層，優(yōu)化出介質(zhì)層最佳的相對(duì)介電常數(shù)和厚度，改善了環(huán)行器的環(huán)行效果和工作帶寬。同時(shí)，疊層式薄膜相較與單層薄膜在性能與制作方面都有較大優(yōu)勢(shì)，降低了在鍍膜過(guò)程中斷裂的風(fēng)險(xiǎn)和加工難度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述一種ka波段疊層式薄膜鐵氧體微帶線環(huán)行器的俯視圖。

圖2是本發(fā)明所述一種ka波段疊層式薄膜鐵氧體微帶線環(huán)行器的剖視圖。

圖3是本發(fā)明所述一種ka波段疊層式薄膜鐵氧體微帶線環(huán)行器微帶線具體尺寸示意圖。

圖4是本發(fā)明所述一種ka波段疊層式薄膜鐵氧體微帶線環(huán)行器中介質(zhì)層不同相對(duì)介電常數(shù)對(duì)環(huán)行器回波損耗s11的影響的示意圖。

圖5是本發(fā)明所述一種ka波段疊層式薄膜鐵氧體微帶線環(huán)行器中介質(zhì)層不同相對(duì)介電常數(shù)對(duì)環(huán)行器隔離度s21的影響的示意圖。

圖6是本發(fā)明所述一種ka波段疊層式薄膜鐵氧體微帶線環(huán)行器中介質(zhì)層不同相對(duì)介電常數(shù)對(duì)環(huán)行器插入損耗s31的影響的示意圖。

圖7是本發(fā)明所述一種ka波段疊層式薄膜鐵氧體微帶線環(huán)行器中介質(zhì)層不同相對(duì)介電常數(shù)對(duì)環(huán)行器工作帶寬的影響的示意圖。

圖8是本發(fā)明所述一種ka波段疊層式薄膜鐵氧體微帶線環(huán)行器中介質(zhì)層不同厚度對(duì)環(huán)行器回波損耗s11的影響的示意圖。

圖9是本發(fā)明所述一種ka波段疊層式薄膜鐵氧體微帶線環(huán)行器中介質(zhì)層不同厚度對(duì)環(huán)行器隔離度s21的影響的示意圖。

圖10是本發(fā)明所述一種ka波段疊層式薄膜鐵氧體微帶線環(huán)行器中介質(zhì)層不同厚度對(duì)環(huán)行器插入損耗s31的影響的示意圖。

圖11是本發(fā)明所述一種ka波段疊層式薄膜鐵氧體微帶線環(huán)行器中介質(zhì)層不同厚度對(duì)環(huán)行器工作帶寬影響的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和一種實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施方式僅限于此。

參見(jiàn)圖1，所示為本發(fā)明ka波段疊層式薄膜鐵氧體微帶線環(huán)行器的俯視圖，其為三端器件，三個(gè)端口形成環(huán)行輸入輸出。參見(jiàn)圖2，所示為本發(fā)明ka波段疊層式薄膜鐵氧體微帶線環(huán)行器的剖視圖，包括介質(zhì)基片1、以鍍膜工藝在所述介質(zhì)基片上依次形成第一鐵氧體薄膜層2、介質(zhì)薄膜層3和第二鐵氧體薄膜層4、以及設(shè)置所述第二鐵氧體薄膜層上的微帶線5，微帶線5作為環(huán)行器的導(dǎo)體電路與外部電路相連接；介質(zhì)薄膜層3采用薄膜附著性的材料且其相對(duì)介電常數(shù)低于所述第一鐵氧體薄膜層2和第二鐵氧體薄膜層4的相對(duì)介電常數(shù)。晶體介質(zhì)基片、鐵氧體薄膜、介質(zhì)層的平面形狀可以根據(jù)環(huán)行器的具體要求設(shè)置為矩形、六邊形、圓形及其他形狀，在以下仿真測(cè)試中設(shè)置為六邊形。

采用上述技術(shù)方案，鐵氧體薄膜是由傳統(tǒng)單層薄膜轉(zhuǎn)為雙層，中間添加能附于鐵氧體的材料作為介質(zhì)層，起到粘合上下兩層鐵氧體薄膜層的作用，降低了單層薄膜實(shí)物制作時(shí)薄膜斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，從而能夠大幅度增加薄膜厚度，大大降低鍍膜工藝的難度，克服現(xiàn)有技術(shù)中隨著薄膜厚度的增加導(dǎo)致薄膜斷裂的幾率加大的技術(shù)缺陷。同時(shí)，由于介質(zhì)薄膜層采用相對(duì)低介電常數(shù)的材料，低介電常數(shù)介質(zhì)材料的加入降低了整體薄膜層的介電常數(shù)，降低了整體的阻抗，從而使鐵氧體薄膜性能也有一定的提高，進(jìn)而提升了環(huán)行器的環(huán)行效果。因此，適當(dāng)改變介質(zhì)層相對(duì)介電常數(shù)和厚度，可以獲得低損耗、高帶寬的高性能器件，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到最佳介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)和厚度，可以獲得比傳統(tǒng)單層薄膜鐵氧體環(huán)行器更好的環(huán)行效果。

在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，介質(zhì)基片為al2o3晶體介質(zhì)基片，第一鐵氧體薄膜層和第二鐵氧體薄膜層為bam鐵氧體薄膜層，介質(zhì)薄膜層為mgo介質(zhì)薄膜層。鐵氧體薄膜厚度和介質(zhì)層厚度由環(huán)行器具體要求和工藝條件決定。在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，環(huán)行器由兩層厚度為5μm的bam鐵氧體薄膜層與厚度為0.05μm的mgo介質(zhì)薄膜層通過(guò)鍍膜工藝構(gòu)成，其中，bam鐵氧體飽和磁化強(qiáng)度為4000gs，相對(duì)介電常數(shù)為12，鐵磁共振線寬為100oe；mgo介質(zhì)薄膜層3厚度為50nm,其相對(duì)介電常數(shù)為9.8；al2o3晶體介質(zhì)基片2厚度為200μm，其相對(duì)介電常數(shù)為9.8。本發(fā)明在性能仿真和實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，上述結(jié)構(gòu)中，mgo材料對(duì)bam鐵氧體材料在性能方面起到極大的提升作用。

在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，還包括設(shè)置在所述介質(zhì)基片底端的金屬接地板。具體可以采用設(shè)置屏蔽盒，屏蔽盒高度設(shè)置為5mm。

在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，為了對(duì)鐵氧體薄膜進(jìn)行磁化，可以在匹配阻抗變化器(微帶線)的上面安裝永磁體。

參見(jiàn)圖3，所示為本發(fā)明中微帶線的結(jié)構(gòu)圖，微帶線包括一個(gè)圓盤(pán)結(jié)和三個(gè)y結(jié)，所述y結(jié)以所述圓盤(pán)結(jié)的圓心為中心形成對(duì)稱分布，每個(gè)y結(jié)之間的夾角為120°。微帶線的厚度由器件的工作頻率的趨膚深度決定。為了實(shí)現(xiàn)50歐姆阻抗匹配，在本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式中，圓盤(pán)結(jié)5的半徑為0.735mm,微帶線采用三個(gè)遞減式矩形框，其中，w1、w2、w3分別為三個(gè)匹配線寬度；l1、l2、l3為三個(gè)匹配線長(zhǎng)度。具體尺寸w1＝0.441mm、w2＝0.394mm、w3＝0.351mm、l1＝0.456mm、l2＝0.689mm、l3＝0.463mm，采用正六邊形圖形,波端口尺寸2.4mm*2.4mm。

如圖4—圖7所示，疊層環(huán)行器在ka波段范圍內(nèi)通過(guò)改變介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)，研究其對(duì)環(huán)行器環(huán)行效果的影響。研究結(jié)果：器件在39ghz附近具有明顯的環(huán)行效果，且中心頻率點(diǎn)不隨相對(duì)介電常數(shù)的增加產(chǎn)生較大變化。將介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)為15與相對(duì)介電常數(shù)為1時(shí)對(duì)比，回波損耗|s11|從37.98db提升到62.02db,隔離度|s21|從23.75db提升到了26.07db,插入損耗|s31|。從1.41db下降到1.27db,工作帶寬從420mhz提升到了680mhz,提升效果明顯。由此可以得出介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)能夠影響環(huán)行器的環(huán)行效果，并且其介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)在1～15內(nèi)越低越能提升環(huán)行器性能。雖然理論上介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)越低越好，但在實(shí)際應(yīng)用中，除了考慮相對(duì)介電常數(shù)，還要考慮所選材料能不能與鐵氧體材料相附和，申請(qǐng)人通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，mgo材料的相對(duì)介電常數(shù)比bam鐵氧體材料低，同時(shí)具有良好的材料附和性，實(shí)際中對(duì)環(huán)形器在性能方面起到極大的提升作用。

所述疊層環(huán)行器在ka波段范圍內(nèi)通過(guò)改變介質(zhì)層的厚度，研究其對(duì)環(huán)行器環(huán)行效果的影響。研究結(jié)果：如圖8—圖11所示，介質(zhì)層厚度的改變對(duì)器件s參數(shù)和帶寬有較大的影響，對(duì)中心頻率的影響并不明顯。在介質(zhì)層厚度為60nm時(shí)，回波損耗|s11|效果最佳，其峰值可達(dá)到48.26db；在介質(zhì)層厚度為50nm時(shí)，插入損耗|s31|與工作帶寬均達(dá)到最佳，插損可以達(dá)到1.29db，工作帶寬為590mhz；在隔離度|s21|方面，介質(zhì)層厚度為30nm時(shí)峰值為最佳值。綜合考慮環(huán)行器s參數(shù)與工作帶寬，當(dāng)介質(zhì)層厚度達(dá)到50nm時(shí)環(huán)行效果最好，并與傳統(tǒng)單層薄膜(介質(zhì)層厚度為0nm)環(huán)行器的s參數(shù)和帶寬對(duì)比可以看出，回波損耗s11從39.95db提高到48.26db、隔離度s21從20.47db提高到21.58db、插入損耗s31從1.36db降低到1.29db，工作帶寬從510mhz擴(kuò)展到590mhz。這可以說(shuō)明，在合適的介質(zhì)層厚度下(在本例中mgo薄膜為介質(zhì)層條件下是50nm)，這種分層式薄膜結(jié)構(gòu)確實(shí)能提高環(huán)行器環(huán)行效果與工作帶寬。

所述環(huán)行器的鐵氧體薄膜與介質(zhì)層薄膜均可以采用pld或磁控濺射鍍膜技術(shù)制作，微帶線阻抗匹配電路可以采用目前已經(jīng)非常成熟的微帶工藝技術(shù)制作。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所做的詳細(xì)說(shuō)明。改變介質(zhì)層材料屬性，適當(dāng)調(diào)整介質(zhì)層厚度，同樣可以獲得高性能器件。在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出多種類似的實(shí)施方式，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書(shū)確定的專利保護(hù)范圍。