一种Ka波段叠层式薄膜铁氧体微带环行器的制作方法

本发明属于微波器件技术领域，涉及一种ka波段叠层式薄膜铁氧体微带环行器。

背景技术：

铁氧体环行器是微波铁氧体器件中的一种，在雷达、通信等设备系统中，它一般被用作信号收、发的共用装置。在信号发射和接收系统中，铁氧体环行器可以把输入输出的信号进行隔离，同时也有信号放大以及去耦、匹配的作用。现代通信、射频技术的发展趋势是得微波铁氧体器件必定要朝着小型化、集成化、轻量化的方向发展，所以微带线结构的铁氧体环行器成为了研究重点，而将铁氧体薄膜技术应用于环行器是减少设备尺寸和重量合理有效的方法。但铁氧体薄膜在制作方面会有随着薄膜厚度的增加导致薄膜断裂、薄膜性能降低的缺点，这种问题严重制约薄膜器件的发展。

故，针对现有技术的缺陷，实有必要提出一种技术方案以解决现有技术存在的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种高性能且易产业化的ka波段叠层式薄膜铁氧体微带环行器，通过将低相对介电常数薄膜作为介质层添加到铁氧体薄膜中间，从而降低镀膜难度，同时也能提高环行器的环行性能。

为了克服现有技术的缺陷，本发明的技术方案如下：

一种ka波段叠层式薄膜铁氧体微带线环行器，其特征在于，包括：介质基片、以镀膜工艺在所述介质基片上依次形成第一铁氧体薄膜层、介质薄膜层和第二铁氧体薄膜层、以及设置所述第二铁氧体薄膜层上的微带线，所述微带线作为环行器的导体电路与外部电路相连接；所述介质薄膜层采用薄膜附着性的材料且其相对介电常数低于所述第一铁氧体薄膜层和第二铁氧体薄膜层的相对介电常数。

优选地，所述第一铁氧体薄膜层和第二铁氧体薄膜层的厚度相同。

优选地，所述环行器为三端器件，所述微带线包括一个圆盘结和三个y结，所述y结以所述圆盘结的圆心为中心形成对称分布，每个y结之间的夹角为120°。

优选地，所述介质基片1为al2o3晶体介质基片。

优选地，所述第一铁氧体薄膜层2和第二铁氧体薄膜层4为bam铁氧体薄膜层。

优选地，所述介质薄膜层3为mgo介质薄膜层。

优选地，还包括设置在所述介质基片底端的金属接地板6。

优选地，所述介质基片1的厚度为200μm。

优选地，所述第一铁氧体薄膜层2和第二铁氧体薄膜层4的厚度为5μm。

优选地，所述介质薄膜层的厚度3为0.05μm。

本发明在传统单层薄膜铁氧体环行器的基础上，改变铁氧体薄膜的结构形式，采用叠层薄膜结构，铁氧体薄膜中间添加低相对介电常数材料作为介质层，优化出介质层最佳的相对介电常数和厚度，改善了环行器的环行效果和工作带宽。同时，叠层式薄膜相较与单层薄膜在性能与制作方面都有较大优势，降低了在镀膜过程中断裂的风险和加工难度。

附图说明

图1是本发明所述一种ka波段叠层式薄膜铁氧体微带线环行器的俯视图。

图2是本发明所述一种ka波段叠层式薄膜铁氧体微带线环行器的剖视图。

图3是本发明所述一种ka波段叠层式薄膜铁氧体微带线环行器微带线具体尺寸示意图。

图4是本发明所述一种ka波段叠层式薄膜铁氧体微带线环行器中介质层不同相对介电常数对环行器回波损耗s11的影响的示意图。

图5是本发明所述一种ka波段叠层式薄膜铁氧体微带线环行器中介质层不同相对介电常数对环行器隔离度s21的影响的示意图。

图6是本发明所述一种ka波段叠层式薄膜铁氧体微带线环行器中介质层不同相对介电常数对环行器插入损耗s31的影响的示意图。

图7是本发明所述一种ka波段叠层式薄膜铁氧体微带线环行器中介质层不同相对介电常数对环行器工作带宽的影响的示意图。

图8是本发明所述一种ka波段叠层式薄膜铁氧体微带线环行器中介质层不同厚度对环行器回波损耗s11的影响的示意图。

图9是本发明所述一种ka波段叠层式薄膜铁氧体微带线环行器中介质层不同厚度对环行器隔离度s21的影响的示意图。

图10是本发明所述一种ka波段叠层式薄膜铁氧体微带线环行器中介质层不同厚度对环行器插入损耗s31的影响的示意图。

图11是本发明所述一种ka波段叠层式薄膜铁氧体微带线环行器中介质层不同厚度对环行器工作带宽影响的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和一种实施方式，对本发明作进一步的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此。

参见图1，所示为本发明ka波段叠层式薄膜铁氧体微带线环行器的俯视图，其为三端器件，三个端口形成环行输入输出。参见图2，所示为本发明ka波段叠层式薄膜铁氧体微带线环行器的剖视图，包括介质基片1、以镀膜工艺在所述介质基片上依次形成第一铁氧体薄膜层2、介质薄膜层3和第二铁氧体薄膜层4、以及设置所述第二铁氧体薄膜层上的微带线5，微带线5作为环行器的导体电路与外部电路相连接；介质薄膜层3采用薄膜附着性的材料且其相对介电常数低于所述第一铁氧体薄膜层2和第二铁氧体薄膜层4的相对介电常数。晶体介质基片、铁氧体薄膜、介质层的平面形状可以根据环行器的具体要求设置为矩形、六边形、圆形及其他形状，在以下仿真测试中设置为六边形。

采用上述技术方案，铁氧体薄膜是由传统单层薄膜转为双层，中间添加能附于铁氧体的材料作为介质层，起到粘合上下两层铁氧体薄膜层的作用，降低了单层薄膜实物制作时薄膜断裂的风险，从而能够大幅度增加薄膜厚度，大大降低镀膜工艺的难度，克服现有技术中随着薄膜厚度的增加导致薄膜断裂的几率加大的技术缺陷。同时，由于介质薄膜层采用相对低介电常数的材料，低介电常数介质材料的加入降低了整体薄膜层的介电常数，降低了整体的阻抗，从而使铁氧体薄膜性能也有一定的提高，进而提升了环行器的环行效果。因此，适当改变介质层相对介电常数和厚度，可以获得低损耗、高带宽的高性能器件，通过优化设计，得到最佳介质层的相对介电常数和厚度，可以获得比传统单层薄膜铁氧体环行器更好的环行效果。

在一种优选实施方式中，介质基片为al2o3晶体介质基片，第一铁氧体薄膜层和第二铁氧体薄膜层为bam铁氧体薄膜层，介质薄膜层为mgo介质薄膜层。铁氧体薄膜厚度和介质层厚度由环行器具体要求和工艺条件决定。在一种优选实施方式中，环行器由两层厚度为5μm的bam铁氧体薄膜层与厚度为0.05μm的mgo介质薄膜层通过镀膜工艺构成，其中，bam铁氧体饱和磁化强度为4000gs，相对介电常数为12，铁磁共振线宽为100oe；mgo介质薄膜层3厚度为50nm,其相对介电常数为9.8；al2o3晶体介质基片2厚度为200μm，其相对介电常数为9.8。本发明在性能仿真和实验中发现，上述结构中，mgo材料对bam铁氧体材料在性能方面起到极大的提升作用。

在一种优选实施方式中，还包括设置在所述介质基片底端的金属接地板。具体可以采用设置屏蔽盒，屏蔽盒高度设置为5mm。

在一种优选实施方式中，为了对铁氧体薄膜进行磁化，可以在匹配阻抗变化器(微带线)的上面安装永磁体。

参见图3，所示为本发明中微带线的结构图，微带线包括一个圆盘结和三个y结，所述y结以所述圆盘结的圆心为中心形成对称分布，每个y结之间的夹角为120°。微带线的厚度由器件的工作频率的趋肤深度决定。为了实现50欧姆阻抗匹配，在本发明一种优选实施方式中，圆盘结5的半径为0.735mm,微带线采用三个递减式矩形框，其中，w1、w2、w3分别为三个匹配线宽度；l1、l2、l3为三个匹配线长度。具体尺寸w1＝0.441mm、w2＝0.394mm、w3＝0.351mm、l1＝0.456mm、l2＝0.689mm、l3＝0.463mm，采用正六边形图形,波端口尺寸2.4mm*2.4mm。

如图4—图7所示，叠层环行器在ka波段范围内通过改变介质层的相对介电常数，研究其对环行器环行效果的影响。研究结果：器件在39ghz附近具有明显的环行效果，且中心频率点不随相对介电常数的增加产生较大变化。将介质层的相对介电常数为15与相对介电常数为1时对比，回波损耗|s11|从37.98db提升到62.02db,隔离度|s21|从23.75db提升到了26.07db,插入损耗|s31|。从1.41db下降到1.27db,工作带宽从420mhz提升到了680mhz,提升效果明显。由此可以得出介质层的相对介电常数能够影响环行器的环行效果，并且其介质层的相对介电常数在1～15内越低越能提升环行器性能。虽然理论上介质层的相对介电常数越低越好，但在实际应用中，除了考虑相对介电常数，还要考虑所选材料能不能与铁氧体材料相附和，申请人通过实际实验中发现，mgo材料的相对介电常数比bam铁氧体材料低，同时具有良好的材料附和性，实际中对环形器在性能方面起到极大的提升作用。

所述叠层环行器在ka波段范围内通过改变介质层的厚度，研究其对环行器环行效果的影响。研究结果：如图8—图11所示，介质层厚度的改变对器件s参数和带宽有较大的影响，对中心频率的影响并不明显。在介质层厚度为60nm时，回波损耗|s11|效果最佳，其峰值可达到48.26db；在介质层厚度为50nm时，插入损耗|s31|与工作带宽均达到最佳，插损可以达到1.29db，工作带宽为590mhz；在隔离度|s21|方面，介质层厚度为30nm时峰值为最佳值。综合考虑环行器s参数与工作带宽，当介质层厚度达到50nm时环行效果最好，并与传统单层薄膜(介质层厚度为0nm)环行器的s参数和带宽对比可以看出，回波损耗s11从39.95db提高到48.26db、隔离度s21从20.47db提高到21.58db、插入损耗s31从1.36db降低到1.29db，工作带宽从510mhz扩展到590mhz。这可以说明，在合适的介质层厚度下(在本例中mgo薄膜为介质层条件下是50nm)，这种分层式薄膜结构确实能提高环行器环行效果与工作带宽。

所述环行器的铁氧体薄膜与介质层薄膜均可以采用pld或磁控溅射镀膜技术制作，微带线阻抗匹配电路可以采用目前已经非常成熟的微带工艺技术制作。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的详细说明。改变介质层材料属性，适当调整介质层厚度，同样可以获得高性能器件。在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出多种类似的实施方式，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。