楊志江，秦會(huì)斌，鄭 梁，鄭 鵬，汪 林

?

基于組合型阻抗匹配薄膜環(huán)行器的設(shè)計(jì)

楊志江，秦會(huì)斌，鄭 梁，鄭 鵬，汪 林

（杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江 杭州 310018）

利用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器對(duì)結(jié)型薄膜環(huán)行器進(jìn)行阻抗匹配，利用四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配和漸近線漸變錐型微帶線的阻抗組合形式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配。HFSS仿真的隔離損耗和回波損耗兩個(gè)參數(shù)的結(jié)果顯示組合形式的阻抗匹配的環(huán)行器性能比傳統(tǒng)匹配的環(huán)行器的性能好，帶寬變得更寬。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(最低點(diǎn))顯示環(huán)行器在工作頻率為15.5 GHz時(shí)，插入損耗(|21|)為5 dB，隔離度(|12|)為42 dB，回波損耗（|11|和|22|）達(dá)到了20 dB。

薄膜環(huán)行器；四分之一波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器；組合阻抗匹配；帶寬；HFSS；回波損耗

19世紀(jì)70年代初期，就已經(jīng)提出了鐵氧體薄膜環(huán)行器的概念[1]，作為一種小型化高集成的非互易性器件[2]廣泛用于信號(hào)的接收和信號(hào)的隔離，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中起了非常重要的作用。鐵氧體薄膜環(huán)行器的結(jié)構(gòu)是鐵氧體薄膜沉積在介質(zhì)基片上，微帶線用激光刻蝕在鐵氧體薄膜上[3-5]。在微波傳輸過程中，為了減小微波系統(tǒng)反射的能量，傳輸線和負(fù)載需要進(jìn)行阻抗匹配[6-8]。由于四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，廣泛用于鐵氧體環(huán)行器中。利用此方法Peng等[4]提出了一種微帶薄膜環(huán)行器，將8 μm厚的六角鋇鐵氧體薄膜沉積在藍(lán)寶石的基片上。仿真結(jié)果顯示當(dāng)環(huán)行器的工作頻率在26 GHz時(shí)，非互易性能達(dá)到17 dB，插入損耗能達(dá)到27 dB。與此同時(shí)，How等[9]設(shè)計(jì)了一種薄膜環(huán)行器，利用液相外延的方法在GGG基片上鍍上一層100 μm厚的YIG(Yttrium Iron Garnet)薄膜。仿真結(jié)果顯示當(dāng)環(huán)行器的工作頻率在9 GHz時(shí)，非互易性效果達(dá)到20 dB，插入損耗能為13.4 dB。通過四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配轉(zhuǎn)換器的同時(shí)會(huì)使傳輸損耗增加[10]。為了減小四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配轉(zhuǎn)換器對(duì)環(huán)行器性能的影響。本文提出了一種新的阻抗匹配方式，利用四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配轉(zhuǎn)換器和漸近線漸變錐型微帶線的阻抗組合形式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配。

設(shè)計(jì)的環(huán)行器是在MgO的基片上面鍍上一層YIG薄膜，工作在Ku波段。用YIG材料鍍膜是因?yàn)閅IG材料具有很小的共振線寬。而微帶環(huán)行器中間三角形導(dǎo)體是在Helszain[5]理論基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)的。其中四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配轉(zhuǎn)換器和漸近線漸變錐型微帶線的阻抗組合需要與薄膜環(huán)行器進(jìn)行阻抗匹配，使端口的阻抗達(dá)到50 Ω。最后文中討論了鐵氧體薄膜環(huán)行器的非互易的特性。

1 理論和設(shè)計(jì)

1.1 中心導(dǎo)體的設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[11-14]中設(shè)計(jì)的微帶環(huán)行器是利用磁盤諧振技術(shù)，而本文中微帶環(huán)行器中間三角形導(dǎo)體是在Helszain[5]理論的基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)的。圖1所示的是鐵氧體薄膜環(huán)行器的橫截面圖和三角形導(dǎo)體的俯視示意圖。

(a) 鐵氧體薄膜環(huán)行器的橫截面圖

(b) 環(huán)行器的俯視示意圖

圖1 鐵氧體薄膜環(huán)行器

Fig.1 The ferrite film circulator

中心導(dǎo)體的邊的長(zhǎng)度為：

式中：為介質(zhì)中的波數(shù)；為環(huán)行器的工作頻率；00是真空中的磁導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)；eff是有效介電常數(shù)[4]；eff是鐵氧體的有效磁導(dǎo)率[6]。

其中eff和eff為：

介質(zhì)基片為MgO。其中f是鐵氧體薄膜的厚度，s是介質(zhì)基片的厚度，如圖1(a)所示。f和s分別為鐵氧體薄膜和介質(zhì)基片的介電常數(shù)，為鐵氧體的波爾德元素的張量。設(shè)計(jì)的參數(shù)如表1所示。

表1 YIG鐵氧體薄膜環(huán)行器的參數(shù)設(shè)計(jì)

Tab.1 Design parameters for YIG ferrite thin film circulator

1.2 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

通過上面的參數(shù)和公式，可以算出中心導(dǎo)體的邊的長(zhǎng)度為4.16 mm，環(huán)行器的電導(dǎo)(c)可以表示為[7]：

是歸一化磁化頻率。

式中：稱為旋磁比；4πs為高斯飽和磁化強(qiáng)度；為環(huán)行器的中心頻率；為朗德因子；為核磁子；為普朗克常數(shù)。

在環(huán)行器的設(shè)計(jì)中，阻抗匹配是很重要的。利用公式（5）可以得出環(huán)行器的電導(dǎo)c。四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配變換器的示意圖如圖2所示。

圖2 四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配轉(zhuǎn)換器示意圖

其中C、T和0為環(huán)行器的輸入阻抗，通過調(diào)整四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配，使得特性阻抗達(dá)到50 Ω。四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)在電子器件結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，但同時(shí)使器件的傳輸損耗增加。為了使器件具有較好的阻抗匹配同時(shí)又能減小器件的傳輸損耗。本文采用的是四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配轉(zhuǎn)換器和漸近線漸變錐型微帶線的阻抗組合形式與50 Ω的特性阻抗進(jìn)行阻抗匹配。如圖1(b)所示。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的示意圖如圖3所示。

與傳統(tǒng)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)相比較，組合形式的阻抗匹配不僅能提高環(huán)行器的性能，同時(shí)能夠大幅度提高環(huán)行器的帶寬。

圖3 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)示意圖

2 仿真結(jié)果

利用HFSS軟件對(duì)環(huán)行器進(jìn)行仿真。環(huán)行器四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 環(huán)行器的四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配轉(zhuǎn)換器仿真結(jié)果

從圖4中可以看出，環(huán)行器產(chǎn)生非互易性效應(yīng)工作頻率在14.4GHz左右，最小插入損耗(|21|)小于1 dB，最大隔離度(|31|)為23 dB，在端口1的最大回波損耗(|11|)為20 dB，帶寬寬度(插入損耗小于1 dB隔離度和回波損耗大于15 dB)為245 MHz。

圖3為優(yōu)化后的尺寸3=0.48 mm，2=0.356 mm，1=0.25 mm。圖5所示的是薄膜環(huán)行器優(yōu)化后的仿真結(jié)果。

圖5 阻抗匹配組合形式的薄膜環(huán)行器仿真示意圖

從圖5中可以看出，環(huán)行器的非互易傳輸特性的工作頻率為14.5 GHz。端口1的最大回波損耗(|11|)大約是28 dB；最大隔離度(|13|)為50 dB；最小插入損耗(|21|)小于1 dB；環(huán)行器的帶寬(插入損耗小于1 dB隔離度和回波損耗大于15 dB)能達(dá)到460 MHz。

通過上面的比較可以看出：與傳統(tǒng)的四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配相比，組合形式的阻抗匹配器件的性能更好，隔離損耗和回波損耗明顯比傳統(tǒng)的要好，特別是器件的帶寬。

3 實(shí)物測(cè)試

利用脈沖激光沉積技術(shù)，在MgO基片上面鍍上一層25 μm厚的YIG鐵氧體薄膜，然后利用電子束蒸發(fā)技術(shù)在MgO和YIG薄膜的兩邊鍍上5 μm厚的銅膜，最后利用綠激光刻蝕機(jī)在銅膜刻蝕中心導(dǎo)體。圖6是所制備的環(huán)行器實(shí)物圖，從圖中可以看出設(shè)計(jì)的環(huán)行器尺寸10 mm×10 mm。

圖6 環(huán)行器的實(shí)物圖

圖7所示是環(huán)行器實(shí)物的測(cè)試圖。

圖7 環(huán)行器的實(shí)測(cè)圖

從圖7可以看出，工作頻率在15.5 GHz時(shí)，環(huán)行器的最低插入損耗(|21|)為5 dB，隔離度 (|12|)能達(dá)到42 dB，回波損耗(|11|和|22|)為20 dB。實(shí)測(cè)結(jié)果中的插入損耗和隔離度明顯優(yōu)于Zahwe等[11](工作頻率在10 GHz時(shí)，插入損耗為18 dB，隔離度為26 dB)和Peng等[4](工作頻率在26 GHz時(shí)，插入損耗為27 dB，隔離度為44 dB)的插入損耗和隔離度。實(shí)測(cè)結(jié)果與How等[9]相比較，隔離度的參數(shù)指標(biāo)比How等的隔離度的參數(shù)指標(biāo)優(yōu)越，但插入損耗要比How等的插入損耗大。主要原因是器件的鐵氧體薄膜厚度沒有達(dá)到How等[9]薄膜100 μm[9-12]的厚度。

通過圖5和圖7的比較可以看出，環(huán)行器實(shí)測(cè)的插入損耗要比仿真的損耗大。其主要原因是：

（1）環(huán)行器的測(cè)試系統(tǒng)與環(huán)行器阻抗不匹配導(dǎo)致的。從環(huán)行器設(shè)計(jì)的工作頻率14.5 GHz到實(shí)測(cè)的工作頻率為15.5 GHz可以看出造成阻抗不匹配的很可能是由于表1中設(shè)計(jì)的參數(shù)與實(shí)驗(yàn)的參數(shù)的偏差所致；

（2）由于所加的外加磁場(chǎng)小于需要的磁場(chǎng)，使得YIG薄膜達(dá)不到飽和磁化強(qiáng)度，從而使得插入損耗增加；

（3）激光刻蝕的不精確所導(dǎo)致?？涛g的中心導(dǎo)體跟理想的中心導(dǎo)體有誤差。通過對(duì)光刻機(jī)刻蝕的中心導(dǎo)體電子顯微鏡（SEM）掃描，如圖8所示。

圖8 微帶面的電鏡掃描照片

從圖8中可以看出刻蝕后的微帶線表面出現(xiàn)了一些裂痕。

4 結(jié)論

利用阻抗匹配轉(zhuǎn)換器對(duì)結(jié)型薄膜環(huán)行器進(jìn)行阻抗匹配。通過四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配轉(zhuǎn)換器和漸近線漸變錐型微帶線的阻抗組合形式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配。HFSS仿真的隔離損耗和回波損耗兩個(gè)參數(shù)的結(jié)果顯示組合形式的阻抗匹配的環(huán)行器性能比沒有利用組合形式的環(huán)行器的性能更好，而且?guī)捵兊酶鼘?。通過圖形最低點(diǎn)測(cè)試顯示環(huán)行器在工作頻率為15.5 GHz左右時(shí)，插入損耗(|21|)為5 dB，隔離度(|12|)為42 dB，回波損耗（|11|和|22|）達(dá)到了20 dB。

[1] NEWMAN H, WEBB D C, KROWNE C M. Design and realization of millimeter wave microstrip circulators [J]. Proc Spie, 1996, 2842: 181-191.

[2] HARTWIG C P, READEY D W. Ferrite film circulator [J]. J Appl Phys, 1970, 41(41): 1351-1352.

[3] DEHLINGER A S, BERRE M L, BENEVENT E, et al. Development of millimeter wave integrated circulator based on barium ferrite [J]. Mater Sci Eng C, 2008, 28(5/6): 755-758.

[4] PENG B, ZHANG W, SUN Y, et al. Design of microstrip Y-junction circulator based on ferrite thin films [C]//Microwave Conference Proceedings.NY,USA: IEEE, 2011: 1-4.

[5] HELSZAIN J. Fabrication of very weakly and weakly magnetized microstrip circulators [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 1998, 46(5): 439-449.

[6] POLDER D. On the theory of ferromagnetic resonance [J]. Physica, 1949, 15(1/2): 253-255.

[7] RASHID A,BANA A.Elevated ferrite film circulator with differentpermittivities for layers: an analytical expression for the input conductance employing perturbation method [J]. Eng Comput, 2010, 31(8): 1746-1760.

[8] BENEVENT E, LARREY V, VINCENT D, et al. Losses' origins in a 40 GHz stripline circulator with 10mm thick barium hexagonal ferrite films [C]//Microwave Conference, 2006. NY, USA: IEEE, 2006: 208-211.

[9] HOW H, OLIVER S A, MCKNIGHT S W, et al. Theory and experiment of thin-film junction circulator [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 1998, 46(11): 1645-1653.

[10] POZAR D M. Microwave engineering[M]. USA: Wiley, 2012.

[11] ZAHWE O, SAMAD B A, SAUVIAC B, et al. Yig thin film used to miniaturize a coplanar junction circulator [J]. J Electromagn Wave Appl, 2010, 24(1): 25-32.

[12] OSHIRO K, MIKAMI H, FUJIS, et al. Fabnication fo circulator with coplanar wave guide structure [J]. IEEE Trans Magn, 2005, 41(10): 3550-3552.

[13] 韓慶文, 易念學(xué), 李忠誠(chéng),等. 圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2008, 31(1): 48-51.

[14] 范興凱. 微帶天線的小型化多頻段研究[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2008.

（編輯：陳渝生）

Design of film circulator based on a combined transformer

YANG Zhijiang, QIN Huibin, ZHENG Liang, ZHENG Peng, WANG Lin

(Institute of Electron Device & Application, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

The circulator of the thin-film-junction was matched for combined network transformer，the circulator of the quarter-wave length transformer in the tradition was replaced by the combination of impedance between the quarter-wave length transformer and an gradient tapered microstrip line. HFSS simulation results show that the combined impedance transformer has a better performance in isolation loss and return loss compared to the quarter-wave length transformer in the tradition, especially the bandwidth is wider. The lowest measured insertion loss (|21|) is about 5 dB, the isolation (|12|) is about 42 dB and the return loss (|11|and |22|) are 20 dB at 15.5 GHz.

thin-film circulator; quarter-wave length transformer; the combination of impedance matching; bandwidth; HFSS; return loss

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.11.008

TN432

A

1001-2028（2016）11-0034-04

2016-09-27

秦會(huì)斌

秦會(huì)斌（1961－），男，山東泰安人，教授，主要從事電子材料與器件的研究，E-mail: qhb@hdu.edu.cn ；

楊志江（1991－），男，安徽安慶人，研究生，研究方向?yàn)樾滦碗娮悠骷?，E-mail: 1534105241@qq.com: 。

2016-10-28 14:04:40

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161028.1404.007.html