低温c波段宽温区宽带微波隔离器及应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信领域，具体为一种基于低温铁氧体技术的非互易低温C波段 宽温区宽带隔离器及其在射电天文、卫星通讯及超导雷达接收机系统中的应用。
【背景技术】
[0002] 微波隔离器是基于微波铁氧体材料在直流偏置磁场和射频磁场的共同作用下实 现的一种单向传输的无源器件，广泛应用于雷达接收机、无线通信领域，是接收机前端系统 的关键器件之一。随着航天技术的快速发展，卫星通讯在国防和民用领域越来越发挥着重 要的作用，超导雷达接收机系统也得到越来越广泛的应用，同时民用CDM等移动通讯基站 也逐渐采用低温超导接收机系统，这些系统都对微波器件有着更苛刻的要求，要求微波器 件能够工作在较低的环境温度；另一方面，在射电天文领域，无论是空间目标探测、射电谱 线观测等都需要超高灵敏度的接收机系统，为提高接收机的灵敏度，必须使用工作于低温 的超导混频器和低噪声HEMT放大器，而超导混频器和低噪声放大器之间的阻抗失配会引 起驻波，从而降低超导混频器的灵敏度，需要工作于低温的微波隔离器来实现级间的阻抗 匹配，提高接收机的灵敏度，因此低温微波隔离器也是低温接收机系统前端不可缺少的关 键器件之一；与此同时，为提高频段利用率，提高通讯效率，无论是军事国防领域的卫星通 讯以及民用通讯领域，接收机系统日益宽带化的发展对器件的宽带化要求也越来越高，射 电天文领域的大规模的超导探测器及大规模超导阵列接收机的射频和中频带宽也越来越 宽，对宽带化的低温隔离器需求也越来越大。
[0003] 国外对低温隔离器研究比较早，上世纪六十年代R. L. Comstock和C. E. Fay 基于微波铁氧体单晶和多晶YIG材料，实现了低温4K窄带隔离器研制，工作频率 为 3.9GHz ~4.1GHz，(R. L. Comstock, C. E. Fay, "Performance and Ferrimagnetic Material Considerations in Cryogenic Microwave Devices, '，J. Appl. Phys. vol. 36, 1965, pp. 1253-1258.);随后D. H. ROTH等人使用微波铁氧体CVB材料进行了低温 隔离器的设计（D.H. ROTH, etc·, "Investigation of Ferrimagnetic Materials at Low Temperatures and Some Applications in Low-Noise Receivers,'，IEEE Transactions on Magnetics, vol. Mag-2, No. 3, 1966, pp. 256-259.)，也实现了低温4K窄带隔离器研制，工 作频率为3. 3GHz~4. 3GHz，然而单晶或多晶YIG材料以及CVB材料其可实现的饱和磁化强 度4 π Ms值范围较小，限制了其他工作频率隔离器的设计。近年来，随着更高灵敏度低噪声 射电天文接收机、卫星通讯及超导雷达接收机的日益发展与广泛应用，低温隔离器的需求 也日益剧增，宽带化要求也越来越高。对于超导混频接收机来说，低温隔离器可以应用于超 导混频器和低温低噪声放大器之间；对半导体低温接收机中可用于天线和放大器之间或第 一级放大器后，实现级间隔离、阻抗匹配的作用。低温隔离器可以大大抑制级间失配引起的 驻波对混频器等器件的影响，这对接收机整体性能有着重要的作用，所以低温隔离器，尤其 是低温宽带隔离器对于低噪声接收机而言是非常必要的。目前国内对低温宽温区宽带隔离 器的研究尚属空白，因而对低温宽温区宽带隔离器的研制成为低噪声接收机领域迫切需要 解决的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术不足，提供了一种低温4K~120K下具有隔离度高，插入损耗 小，可以满足低噪声接收机系统前端需求的低温C波段宽温区宽带微波隔离器。
[0005] 本发明具体方案如下： 一种低温C波段宽温区宽带微波隔离器，包括铁氧体，所述铁氧体采用YCaAlSnIG材料 制成，YCaAlSnIG材料的主要成分含量如下：（计量单位：质量百分数％ ) 成分含量分析由南京大学现代分析中心测得，使用仪器为X射线荧光谱仪。
[0006] 该材料300K时，饱和磁化强度为4 π Ms= 1240Gauss，120K时，饱和磁化强度为 4JiMs= 1620Gauss，4I^t4 3TMs= 1670Gauss〇
[0007] 上述隔离器的工作频率范围为4GHz~8GHz。
[0008] 本发明所述的隔离器为本领域常规使用的类型和结构，包括波导型或微带型的谐 振式隔离器或场移式隔离器以及法拉第旋转式隔离器等，优选双Y结型环行器，进一步优 选双Y结型大Y结长度为5. 4mm，宽度为I. 64mm，小Y结长度为3. 3mm，宽度为I. 3mm，铁氧体 直径为10. 8_，厚度为0. 98_，端口四分之一波长阻抗匹配线长度为8. 7_，宽度为2. 3_， 可以实现低温4K~120K下相对工作带宽大于66%。
[0009] 本发明还提供了上述隔离器在低噪声接收机前端、卫星通讯及超导雷达接收机系 统中的应用。
[0010] 微波铁氧体用于微波隔离器中作为微波介质材料，其重要参数是饱和磁化强度 4 31 Ms和相对介电常数e P决定着隔离器设计的频段和内部结电路尺寸。4 31 Ms温度特性 由南京大学江苏省纳米技术实验室测得，使用的仪器为超导量子干涉仪。YCaAlSnIG系列材 料为YIG铁氧体材料中进行元素掺杂得到，通过多元素对Fe3+的晶格位置取代可以得到不 同饱和磁化强度值的铁氧体材料，而其相对介电常数变化比较小，不影响器件的尺寸设计， 同时由于材料中掺入了适当的Sn元素，相比一般的YAlIG材料而言，可有效降低材料的磁 损耗，有助于减小微波器件的插入损耗，然而对于同一系列材料而言，不同的组份含量对材 料的低温下的磁参数影响比较大，且没有可预见性，本发明对比了其中三种同系列的铁氧 体材料，其中掺杂元素的含量不同，从而在常温300K下表现出来的磁参数也不同。
[0011] YCaAlSnIG系列材料化学式为Y3 yCayFe5 x /IxSnyO12，根据X和y的取值 不同可以得到同系列的不同饱和磁化强度的铁氧体材料，材料1-3的化学式分别为 丫2. 88。&0. 12?θ4 .28 Al〇. 6Sn 0. 12〇12, ^2.98。&0.02?63. 78八1!. 2Sn〇. 02 012和 Y 2.94〇已〇. Q6Fe3.9φΑ I i Sn0.06012。
[0012] 选取原WY2O3(纯度 99.99% )，Fe2O3 (纯度 99% )，Al (OH)3 (纯度 99%，其中含有 33 %水份），SnO2 (纯度99. 5 % )，CaCO3 (纯度98 % )，分别根据材料1-3的化学式中各元素 的摩尔比计算原料配比，材料1-3采用如下方法制备得到： 将配比后的粉料进行球磨20小时，球磨后干压成型，材料的预烧过程为70°C -400°C， 升温速率为1.4°(：/1^11，400°(：-1100°(：，升温速率为1.9°(：/1^11，并保温5小时后随炉自然 降温；然后将预烧后的材料再进行球磨20小时，球磨后使用10%含量的聚四氟乙烯（PVA) 粘合剂进行造粒并干压成型，压强为6Mpa，然后再进行烧结，烧结过程为70°C -400°C，升温 速率为 1.4°C /min，400 °C -IKKTC，升温速率为 1.9°C /min，1100 °C -1420 °C，升温速率为 0. 7°C /min，保温7小时，然后1420°C -1100°C，降温速率为0. 7°C /m