基于组合型阻抗匹配薄膜环行器的设计

杨志江，秦会斌，郑 梁，郑 鹏，汪 林



基于组合型阻抗匹配薄膜环行器的设计

杨志江，秦会斌，郑 梁，郑 鹏，汪 林

（杭州电子科技大学 新型电子器件与应用研究所，浙江 杭州 310018）

利用阻抗匹配网络转换器对结型薄膜环行器进行阻抗匹配，利用四分之一波长阻抗匹配和渐近线渐变锥型微带线的阻抗组合形式来代替传统的四分之一波长阻抗匹配。HFSS仿真的隔离损耗和回波损耗两个参数的结果显示组合形式的阻抗匹配的环行器性能比传统匹配的环行器的性能好，带宽变得更宽。实测数据(最低点)显示环行器在工作频率为15.5 GHz时，插入损耗(|21|)为5 dB，隔离度(|12|)为42 dB，回波损耗（|11|和|22|）达到了20 dB。

薄膜环行器；四分之一波长转换器；组合阻抗匹配；带宽；HFSS；回波损耗

19世纪70年代初期，就已经提出了铁氧体薄膜环行器的概念[1]，作为一种小型化高集成的非互易性器件[2]广泛用于信号的接收和信号的隔离，在现代通信系统中起了非常重要的作用。铁氧体薄膜环行器的结构是铁氧体薄膜沉积在介质基片上，微带线用激光刻蚀在铁氧体薄膜上[3-5]。在微波传输过程中，为了减小微波系统反射的能量，传输线和负载需要进行阻抗匹配[6-8]。由于四分之一波长阻抗匹配转换器的结构简单，广泛用于铁氧体环行器中。利用此方法Peng等[4]提出了一种微带薄膜环行器，将8 μm厚的六角钡铁氧体薄膜沉积在蓝宝石的基片上。仿真结果显示当环行器的工作频率在26 GHz时，非互易性能达到17 dB，插入损耗能达到27 dB。与此同时，How等[9]设计了一种薄膜环行器，利用液相外延的方法在GGG基片上镀上一层100 μm厚的YIG(Yttrium Iron Garnet)薄膜。仿真结果显示当环行器的工作频率在9 GHz时，非互易性效果达到20 dB，插入损耗能为13.4 dB。通过四分之一波长阻抗匹配转换器的同时会使传输损耗增加[10]。为了减小四分之一波长阻抗匹配转换器对环行器性能的影响。本文提出了一种新的阻抗匹配方式，利用四分之一波长阻抗匹配转换器和渐近线渐变锥型微带线的阻抗组合形式来代替传统的四分之一波长阻抗匹配。

设计的环行器是在MgO的基片上面镀上一层YIG薄膜，工作在Ku波段。用YIG材料镀膜是因为YIG材料具有很小的共振线宽。而微带环行器中间三角形导体是在Helszain[5]理论基础之上设计的。其中四分之一波长阻抗匹配转换器和渐近线渐变锥型微带线的阻抗组合需要与薄膜环行器进行阻抗匹配，使端口的阻抗达到50 Ω。最后文中讨论了铁氧体薄膜环行器的非互易的特性。

1 理论和设计

1.1 中心导体的设计

文献[11-14]中设计的微带环行器是利用磁盘谐振技术，而本文中微带环行器中间三角形导体是在Helszain[5]理论的基础之上设计的。图1所示的是铁氧体薄膜环行器的横截面图和三角形导体的俯视示意图。

(a) 铁氧体薄膜环行器的横截面图

(b) 环行器的俯视示意图

图1 铁氧体薄膜环行器

Fig.1 The ferrite film circulator

中心导体的边的长度为：

式中：为介质中的波数；为环行器的工作频率；00是真空中的磁导率和相对介电常数；eff是有效介电常数[4]；eff是铁氧体的有效磁导率[6]。

其中eff和eff为：

介质基片为MgO。其中f是铁氧体薄膜的厚度，s是介质基片的厚度，如图1(a)所示。f和s分别为铁氧体薄膜和介质基片的介电常数，为铁氧体的波尔德元素的张量。设计的参数如表1所示。

表1 YIG铁氧体薄膜环行器的参数设计

Tab.1 Design parameters for YIG ferrite thin film circulator

1.2 阻抗匹配网络的设计

通过上面的参数和公式，可以算出中心导体的边的长度为4.16 mm，环行器的电导(c)可以表示为[7]：

是归一化磁化频率。

式中：称为旋磁比；4πs为高斯饱和磁化强度；为环行器的中心频率；为朗德因子；为核磁子；为普朗克常数。

在环行器的设计中，阻抗匹配是很重要的。利用公式（5）可以得出环行器的电导c。四分之一波长阻抗匹配变换器的示意图如图2所示。

图2 四分之一波长阻抗匹配转换器示意图

其中C、T和0为环行器的输入阻抗，通过调整四分之一波长阻抗匹配，使得特性阻抗达到50 Ω。四分之一波长阻抗匹配网络在电子器件结构中应用广泛，但同时使器件的传输损耗增加。为了使器件具有较好的阻抗匹配同时又能减小器件的传输损耗。本文采用的是四分之一波长阻抗匹配转换器和渐近线渐变锥型微带线的阻抗组合形式与50 Ω的特性阻抗进行阻抗匹配。如图1(b)所示。阻抗匹配网络的示意图如图3所示。

与传统的阻抗匹配网络相比较，组合形式的阻抗匹配不仅能提高环行器的性能，同时能够大幅度提高环行器的带宽。

图3 阻抗匹配网络示意图

2 仿真结果

利用HFSS软件对环行器进行仿真。环行器四分之一波长阻抗匹配转换器的结构如图2所示。仿真结果如图4所示。

图4 环行器的四分之一波长阻抗匹配转换器仿真结果

从图4中可以看出，环行器产生非互易性效应工作频率在14.4GHz左右，最小插入损耗(|21|)小于1 dB，最大隔离度(|31|)为23 dB，在端口1的最大回波损耗(|11|)为20 dB，带宽宽度(插入损耗小于1 dB隔离度和回波损耗大于15 dB)为245 MHz。

图3为优化后的尺寸3=0.48 mm，2=0.356 mm，1=0.25 mm。图5所示的是薄膜环行器优化后的仿真结果。

图5 阻抗匹配组合形式的薄膜环行器仿真示意图

从图5中可以看出，环行器的非互易传输特性的工作频率为14.5 GHz。端口1的最大回波损耗(|11|)大约是28 dB；最大隔离度(|13|)为50 dB；最小插入损耗(|21|)小于1 dB；环行器的带宽(插入损耗小于1 dB隔离度和回波损耗大于15 dB)能达到460 MHz。

通过上面的比较可以看出：与传统的四分之一波长阻抗匹配相比，组合形式的阻抗匹配器件的性能更好，隔离损耗和回波损耗明显比传统的要好，特别是器件的带宽。

3 实物测试

利用脉冲激光沉积技术，在MgO基片上面镀上一层25 μm厚的YIG铁氧体薄膜，然后利用电子束蒸发技术在MgO和YIG薄膜的两边镀上5 μm厚的铜膜，最后利用绿激光刻蚀机在铜膜刻蚀中心导体。图6是所制备的环行器实物图，从图中可以看出设计的环行器尺寸10 mm×10 mm。

图6 环行器的实物图

图7所示是环行器实物的测试图。

图7 环行器的实测图

从图7可以看出，工作频率在15.5 GHz时，环行器的最低插入损耗(|21|)为5 dB，隔离度 (|12|)能达到42 dB，回波损耗(|11|和|22|)为20 dB。实测结果中的插入损耗和隔离度明显优于Zahwe等[11](工作频率在10 GHz时，插入损耗为18 dB，隔离度为26 dB)和Peng等[4](工作频率在26 GHz时，插入损耗为27 dB，隔离度为44 dB)的插入损耗和隔离度。实测结果与How等[9]相比较，隔离度的参数指标比How等的隔离度的参数指标优越，但插入损耗要比How等的插入损耗大。主要原因是器件的铁氧体薄膜厚度没有达到How等[9]薄膜100 μm[9-12]的厚度。

通过图5和图7的比较可以看出，环行器实测的插入损耗要比仿真的损耗大。其主要原因是：

（1）环行器的测试系统与环行器阻抗不匹配导致的。从环行器设计的工作频率14.5 GHz到实测的工作频率为15.5 GHz可以看出造成阻抗不匹配的很可能是由于表1中设计的参数与实验的参数的偏差所致；

（2）由于所加的外加磁场小于需要的磁场，使得YIG薄膜达不到饱和磁化强度，从而使得插入损耗增加；

（3）激光刻蚀的不精确所导致。刻蚀的中心导体跟理想的中心导体有误差。通过对光刻机刻蚀的中心导体电子显微镜（SEM）扫描，如图8所示。

图8 微带面的电镜扫描照片

从图8中可以看出刻蚀后的微带线表面出现了一些裂痕。

4 结论

利用阻抗匹配转换器对结型薄膜环行器进行阻抗匹配。通过四分之一波长阻抗匹配转换器和渐近线渐变锥型微带线的阻抗组合形式来代替传统的四分之一波长阻抗匹配。HFSS仿真的隔离损耗和回波损耗两个参数的结果显示组合形式的阻抗匹配的环行器性能比没有利用组合形式的环行器的性能更好，而且带宽变得更宽。通过图形最低点测试显示环行器在工作频率为15.5 GHz左右时，插入损耗(|21|)为5 dB，隔离度(|12|)为42 dB，回波损耗（|11|和|22|）达到了20 dB。

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（编辑：陈渝生）

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

秦会斌

秦会斌（1961－），男，山东泰安人，教授，主要从事电子材料与器件的研究，E-mail: qhb@hdu.edu.cn ；

杨志江（1991－），男，安徽安庆人，研究生，研究方向为新型电子器件，E-mail: 1534105241@qq.com: 。

2016-10-28 14:04:40

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