基于組合型阻抗匹配薄膜環行器的設計

楊志江，秦會斌，鄭 梁，鄭 鵬，汪 林

?

基于組合型阻抗匹配薄膜環行器的設計

楊志江，秦會斌，鄭 梁，鄭 鵬，汪 林

（杭州電子科技大學 新型電子器件與應用研究所，浙江 杭州 310018）

利用阻抗匹配網絡轉換器對結型薄膜環行器進行阻抗匹配，利用四分之一波長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傳統的四分之一波長阻抗匹配。HFSS仿真的隔離損耗和回波損耗兩個參數的結果顯示組合形式的阻抗匹配的環行器性能比傳統匹配的環行器的性能好，帶寬變得更寬。實測數據(最低點)顯示環行器在工作頻率為15.5 GHz時，插入損耗(|21|)為5 dB，隔離度(|12|)為42 dB，回波損耗（|11|和|22|）達到了20 dB。

薄膜環行器；四分之一波長轉換器；組合阻抗匹配；帶寬；HFSS；回波損耗

19世紀70年代初期，就已經提出了鐵氧體薄膜環行器的概念[1]，作為一種小型化高集成的非互易性器件[2]廣泛用于信號的接收和信號的隔離，在現代通信系統中起了非常重要的作用。鐵氧體薄膜環行器的結構是鐵氧體薄膜沉積在介質基片上，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，為了減小微波系統反射的能量，傳輸線和負載需要進行阻抗匹配[6-8]。由于四分之一波長阻抗匹配轉換器的結構簡單，廣泛用于鐵氧體環行器中。利用此方法Peng等[4]提出了一種微帶薄膜環行器，將8 μm厚的六角鋇鐵氧體薄膜沉積在藍寶石的基片上。仿真結果顯示當環行器的工作頻率在26 GHz時，非互易性能達到17 dB，插入損耗能達到27 dB。與此同時，How等[9]設計了一種薄膜環行器，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。仿真結果顯示當環行器的工作頻率在9 GHz時，非互易性效果達到20 dB，插入損耗能為13.4 dB。通過四分之一波長阻抗匹配轉換器的同時會使傳輸損耗增加[10]。為了減小四分之一波長阻抗匹配轉換器對環行器性能的影響。本文提出了一種新的阻抗匹配方式，利用四分之一波長阻抗匹配轉換器和漸近線漸變錐型微帶線的阻抗組合形式來代替傳統的四分之一波長阻抗匹配。

設計的環行器是在MgO的基片上面鍍上一層YIG薄膜，工作在Ku波段。用YIG材料鍍膜是因為YIG材料具有很小的共振線寬。而微帶環行器中間三角形導體是在Helszain[5]理論基礎之上設計的。其中四分之一波長阻抗匹配轉換器和漸近線漸變錐型微帶線的阻抗組合需要與薄膜環行器進行阻抗匹配，使端口的阻抗達到50 Ω。最后文中討論了鐵氧體薄膜環行器的非互易的特性。

1 理論和設計

1.1 中心導體的設計

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

(a) 鐵氧體薄膜環行器的橫截面圖

(b) 環行器的俯視示意圖

圖1 鐵氧體薄膜環行器

Fig.1 The ferrite film circulator

中心導體的邊的長度為：

式中：為介質中的波數；為環行器的工作頻率；00是真空中的磁導率和相對介電常數；eff是有效介電常數[4]；eff是鐵氧體的有效磁導率[6]。

其中eff和eff為：

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

表1 YIG鐵氧體薄膜環行器的參數設計

Tab.1 Design parameters for YIG ferrite thin film circulator

1.2 阻抗匹配網絡的設計

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

是歸一化磁化頻率。

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

在環行器的設計中，阻抗匹配是很重要的。利用公式（5）可以得出環行器的電導c。四分之一波長阻抗匹配變換器的示意圖如圖2所示。

圖2 四分之一波長阻抗匹配轉換器示意圖

其中C、T和0為環行器的輸入阻抗，通過調整四分之一波長阻抗匹配，使得特性阻抗達到50 Ω。四分之一波長阻抗匹配網絡在電子器件結構中應用廣泛，但同時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又能減小器件的傳輸損耗。本文采用的是四分之一波長阻抗匹配轉換器和漸近線漸變錐型微帶線的阻抗組合形式與50 Ω的特性阻抗進行阻抗匹配。如圖1(b)所示。阻抗匹配網絡的示意圖如圖3所示。

與傳統的阻抗匹配網絡相比較，組合形式的阻抗匹配不僅能提高環行器的性能，同時能夠大幅度提高環行器的帶寬。

圖3 阻抗匹配網絡示意圖

2 仿真結果

利用HFSS軟件對環行器進行仿真。環行器四分之一波長阻抗匹配轉換器的結構如圖2所示。仿真結果如圖4所示。

圖4 環行器的四分之一波長阻抗匹配轉換器仿真結果

從圖4中可以看出，環行器產生非互易性效應工作頻率在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所示的是薄膜環行器優化后的仿真結果。

圖5 阻抗匹配組合形式的薄膜環行器仿真示意圖

從圖5中可以看出，環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)能達到460 MHz。

通過上面的比較可以看出：與傳統的四分之一波長阻抗匹配相比，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的要好，特別是器件的帶寬。

3 實物測試

利用脈沖激光沉積技術，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技術在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在銅膜刻蝕中心導體。圖6是所制備的環行器實物圖，從圖中可以看出設計的環行器尺寸10 mm×10 mm。

圖6 環行器的實物圖

圖7所示是環行器實物的測試圖。

圖7 環行器的實測圖

從圖7可以看出，工作頻率在15.5 GHz時，環行器的最低插入損耗(|21|)為5 dB，隔離度 (|12|)能達到42 dB，回波損耗(|11|和|22|)為20 dB。實測結果中的插入損耗和隔離度明顯優于Zahwe等[11](工作頻率在10 GHz時，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，插入損耗為27 dB，隔離度為44 dB)的插入損耗和隔離度。實測結果與How等[9]相比較，隔離度的參數指標比How等的隔離度的參數指標優越，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，環行器實測的插入損耗要比仿真的損耗大。其主要原因是：

（1）環行器的測試系統與環行器阻抗不匹配導致的。從環行器設計的工作頻率14.5 GHz到實測的工作頻率為15.5 GHz可以看出造成阻抗不匹配的很可能是由于表1中設計的參數與實驗的參數的偏差所致；

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

（3）激光刻蝕的不精確所導致?？涛g的中心導體跟理想的中心導體有誤差。通過對光刻機刻蝕的中心導體電子顯微鏡（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了一些裂痕。

4 結論

利用阻抗匹配轉換器對結型薄膜環行器進行阻抗匹配。通過四分之一波長阻抗匹配轉換器和漸近線漸變錐型微帶線的阻抗組合形式來代替傳統的四分之一波長阻抗匹配。HFSS仿真的隔離損耗和回波損耗兩個參數的結果顯示組合形式的阻抗匹配的環行器性能比沒有利用組合形式的環行器的性能更好，而且帶寬變得更寬。通過圖形最低點測試顯示環行器在工作頻率為15.5 GHz左右時，插入損耗(|21|)為5 dB，隔離度(|12|)為42 dB，回波損耗（|11|和|22|）達到了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, 李忠誠,等. 圓極化微帶天線的設計與實現 [J]. 重慶大學學報: 自然科學版, 2008, 31(1): 48-51.

[14] 范興凱. 微帶天線的小型化多頻段研究[D]. 濟南: 山東大學, 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

秦會斌

秦會斌（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，研究方向為新型電子器件，E-mail: 1534105241@qq.com: 。

2016-10-28 14:04:40

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