基于磁性纳米线阵列的低插入损耗自偏置微带环形器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微波无源器件领域，具体涉及一种能应用在微波集成电路上的自偏置、低插入损耗的微波环形器设计。
【背景技术】
[0002]环形器是微波电路系统中不可或缺的器件之一，是一种具有定向传输特点的多端口非互易性器件。环形器的发展方向为小型化、高频段、宽频带。传统的铁氧体环形器无法实现自偏置，通常均需外加永磁铁来提供偏置场，这严重制约了环形器小型化的发展。因此，具有较大各向异性场和较大剩磁比，能够实现自偏置的磁性材料受到了广泛关注。其中基于纳米技术制备的软磁纳米线材料因具备以下优势成为环形器设计的新方向:1、具有较大的形状各向异性场，能使磁矩在纳米线长度方向上趋于一致从而实现自偏置的效果；2、具有较大的饱和磁化强度，能应用于更高频段；3、尽管软磁材料大多为良导体，但因纳米线的几何尺寸小于趋肤深度而具有较小的涡流损耗；4、可以通过制备不同几何尺寸的纳米线和材料种类(如Fe，Co, Ni及其合金)来拓宽工作频段。
[0003]目前，绝大多数人选用多孔氧化铝模板(ΑΑ0模板)和电化学沉积法来制备合金类的磁性纳米线阵列。因为该方法具有成熟的制备工艺，能获得高度有序的纳米线阵列，而且磁性纳米线的直径和长度可以在很大的范围内调节。此外，由于氧化铝模板材料具有低的介电损耗，这使得基于ΑΑ0纳米多孔模板成为开发新型自偏置磁性微波器件的理想介质材料。
[0004]已有的基于纳米线软磁材料设计的环形器均采用单层纳米线阵列结构，由于纳米线阵列本身的局限性而有较大的插入损耗。如M.Darques等人设计的基于单层NiFe纳米线阵列的环形器插入损耗接近_5dB，钟志勇等人设计的基于单层纳米线阵列的环形器在牺牲带宽和隔离度(带宽0.4GHz左右，隔离度最小值为-20.4dB)的情况下其插入损耗也仅在-2.3dB ?-2.8dB。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种具有低插入损耗和相对大带宽的基于多层磁性纳米线阵列(如Fe，Co，Ni及其合金)的自偏置微带环形器。
[0006]本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，基于磁性纳米线阵列的低插入损耗自偏置微带环形器，包括微带Y结匹配线、中心有圆柱体通孔的六棱柱介质层、金属底电极和圆柱体中心结，其特征在于，所述圆柱形中心结包括顶层绝缘层和底层绝缘层，以及顶层绝缘层和底层绝缘层之间的至少两层纳米线阵列层，相邻的纳米阵列层之间为空气层，空气层中有体积可忽略的、仅起支撑作用垫片。
[0007]进一步的，所述纳米线阵列层包括软磁纳米线阵列和多孔氧化铝模板，软磁纳米线阵列设置于多孔氧化铝模板的纳米孔洞中；多孔氧化铝模板厚度为50-200um，孔隙比为50-80 %，纳米孔洞直径为50-120nm，所用软磁纳米线长度为40_160um，材料为Fe，Co, Ni及其合金。
[0008]更进一步的，多孔氧化铝模板厚度为70um ;纳米孔洞直径80nm，孔隙比为60%，所用纳米线材料为a-Fe，长度为60um。
[0009]所述微带Y结匹配线的厚度5um,外臂长度2.8mm,外臂宽度0.65mm，内臂长度
2.8mm,内臂宽度1.9mm,内圆半径2mm，材料为铜；
[0010]所述介质层的厚度250um，六棱柱内切圆半径7.6mm,内圆柱体通孔半径2mm，材料为聚四氟乙烯，型号为Rogers R03003 ；
[0011]所述金属底电极设置于介质层和中心结底面，材料为铜；
[0012]所述中心结包含3层纳米线阵列层，按顶绝缘层、纳米线阵列层、空气层、纳米线阵列层、空气层、纳米线阵列层、底绝缘层的顺序自上而下依次排列；顶绝缘层和底绝缘层的厚度皆为5um，半径为2_，绝缘层材料为聚四氟乙稀，空气层厚度15um，空气层半径2_ ；在空气层中设置有30°弧的扇形结构的垫片，扇形的外圆半径2mm，内圆半径1.9mm，垫片厚度15um，每层3片，呈等边三角形排布，垫片材料为聚四氟乙烯；纳米线阵列层厚度70um，半径2mm。
[0013]本发明的有益效果是，本发明环形器中心结采用三层以多孔氧化铝模板沉积的磁性纳米线阵列层，各层间以空气层隔开，实现了降低中心结整体介电常数的目的，其在微波频段X波段具有低的插入损耗和高的隔离度。
【附图说明】
[0014]图1是基于多层Fe纳米线阵列的自偏置微带环形器的结构图，a为立体示意图，b为纵向剖面示意图。图lb表现了中心结为多层结构，该结构有利于降低中心结整体介电常数，进而降低插入损耗；
[0015]图2是测试得到的沉积有Fe纳米线阵列的氧化铝的磁导率高频谱和介电常数高频谱，该数据来源于纳米线阵列的测试数据；其中a为磁导率高频谱，b为介电常数高频谱；
[0016]图3是多孔氧化铝模板的SEM测试图；
[0017]图4是沉积有Fe纳米线阵列的氧化铝模板纵向剖面的SEM测试图；
[0018]图5是基于多层Fe纳米线阵列的自偏置微带环形器的回波损耗的仿真结果曲线图，曲线表明该环形器在11.5GHz-12.5GHz具有较好的匹配度；
[0019]图6是基于多层Fe纳米线阵列的自偏置微带环形器的隔离度的仿真结果曲线图，曲线表明隔离度〈_20dB的相对带宽接近9% ;
[0020]图7是基于多层Fe纳米线阵列的自偏置微带环形器的插入损耗的仿真结果曲线图，曲线表明该环形器在11.5GHZ-12.5GHz频段的具有较低的插入损耗，其值为-0.88dB ?-0.94dBo
[0021]本发明在测得磁性纳米线阵列的本征电磁参数的前提下，设计了一种基于多层纳米线阵列结构的自偏置环形器，克服了基于单层磁性纳米线阵列的环形器具有较大插入损耗的缺点。
实施例:
[0022]本实施例包括微带Y结匹配线1、中心有圆柱体通孔的六棱柱介质层2、金属底电极3和多层圆柱体中心结4四大部分组成。中心结为多层结构，上下层为绝缘层，中间为三层以多孔氧化铝模板沉积的Fe纳米线的阵列层，三层阵列层间用两层空气层隔开，空气层中有体积可忽略的垫片以支撑整个结构。
[0023]本发明所用纳米线为由电化学沉积法在厚度为70um，纳米孔洞直径约为80nm，孔隙比为60%的多孔氧化铝模板中沉积Fe纳米线而制得，并测得纳米线长度约为60um，剩磁(4 31 Mr)为4200gauss，磁导率高频谱和介电常数高频谱如图3所示。
[0024]各部分参数如下:
[0025]微带Y结匹配线:厚度5um,外臂长度2.8mm,外臂宽度0.65mm,内臂长度2.8mm,内臂宽度1.9mm，内圆半径2mm，材料为铜。
[0026]中心有圆柱体通孔的六棱柱介质层:厚度250um，六棱柱内切圆半径7.6mm,内圆柱体通孔半径2mm，材料为聚四氟乙稀(型号:Rogers R03003).
[0027]金属底电极:设置于介质层和中心结底部，六棱柱结构(薄片)，六棱柱内切圆半径7.6mm，材料为铜。
[0028]中心结:按顶绝缘层、纳米线阵列层、空气层、纳米线阵列层、空气层、纳米线阵列层、底绝缘层的顺序自上而下依次排列，顺次分别对应图lb中41、42、43、44、45、46、47 ;顶绝缘层和底绝缘层的厚度皆为5 μπι，半径为2mm，绝缘层材料为聚四氟乙烯，空气层厚度15 μπι，空气层半径2mm;在空气层中有垫片体积极小的垫片，垫片仅起支撑作用，材料为聚四氟乙稀，厚度为15um。
[0029]结合附图1，通过上述参数即可在HFSS中构建模型，仿真结果表明，该环形器在
11.5GHz ?12.5GHz 的插入损耗为-0.88dB ?-0.94dB,隔离度为-20.8dB ?-56.4dB，回波损耗为-21.2dB?-41.6dB，隔离度〈_20dB相对带宽约为9%。插入损耗和相对带宽均优于现有技术。
【主权项】
1.基于磁性纳米线阵列的低插入损耗自偏置微带环形器，包括微带Y结匹配线、中心有圆柱体通孔的六棱柱介质层、金属底电极和圆柱体中心结，其特征在于，所述圆柱形中心结包括顶层绝缘层和底层绝缘层，以及顶层绝缘层和底层绝缘层之间的至少两层纳米线阵列层，相邻的纳米阵列层之间为空气层。2.如权利要求1所述的基于磁性纳米线阵列的低插入损耗自偏置微带环形器，其特征在于，所述纳米线阵列层包括软磁纳米线阵列和多孔氧化铝模板，软磁纳米线阵列设置于多孔氧化铝模板的纳米孔洞中；多孔氧化铝模板厚度为50-200um，孔隙比为50-80%，纳米孔洞直径为50-120nm，所用软磁纳米线长度为40_160um，材料为Fe, Co, Ni及其合金。3.如权利要求2所述的基于磁性纳米线阵列的低插入损耗自偏置微带环形器，其特征在于，多孔氧化铝模板厚度为70um ;纳米孔洞直径80nm，孔隙比为60 %，所用纳米线材料为a -Fe,长度为 60um。4.如权利要求1所述的基于磁性纳米线阵列的低插入损耗自偏置微带环形器，其特征在于， 所述微带Y结匹配线的厚度5um,外臂长度2.8mm,外臂宽度0.65mm,内臂长度2.8mm,内臂宽度1.9mm，内圆半径2mm，材料为铜； 所述介质层的厚度250um，六棱柱内切圆半径7.6mm，内圆柱体通孔半径2mm，材料为聚四氟乙烯，型号为Rogers R03003 ； 所述金属底电极设置于介质层和中心结底面，材料为铜； 所述中心结包含3层纳米线阵列层，按顶绝缘层、纳米线阵列层、空气层、纳米线阵列层、空气层、纳米线阵列层、底绝缘层的顺序自上而下依次排列；顶绝缘层和底绝缘层的厚度皆为5um，半径为2mm，绝缘层材料为聚四氟乙稀，空气层厚度15um，空气层半径2mm。
【专利摘要】基于磁性纳米线阵列的低插入损耗自偏置微带环形器，属于微波无源器件领域，本发明包括微带Y结匹配线、中心有圆柱体通孔的六棱柱介质层、金属底电极和圆柱体中心结，其特征在于，所述圆柱形中心结包括顶层绝缘层和底层绝缘层，以及顶层绝缘层和底层绝缘层之间的至少两层纳米线阵列层，相邻的纳米阵列层之间为空气层。本发明环形器中心结采用三层以多孔氧化铝模板沉积的磁性纳米线阵列层，各层间以空气层隔开，实现了降低中心结整体介电常数的目的，其在微波频段X波段具有低的插入损耗和高的隔离度。
【IPC分类】H01P1/383
【公开号】CN105304992
【申请号】CN201510612717
【发明人】韩满贵, 涂宽, 周辉
【申请人】电子科技大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年9月23日