【摘要】本文采用HFSS微波仿真软件设计了中心频率在25GHz的微带结环行器，仿真结果表明，该环行器在中心频率附近的插损S12为2dB，隔离S21为20dB。根据设计的结构参数，采用半导体工艺制作了微带结环行器，测试结果表明，该环行器在中心频率25.6GHz附近的插损S12为14.9dB，隔离S21为22.4dB，显示了初步的环行性能。
【关键词】微带环行器；厚膜；HFSS；自偏置
1.前言
铁氧体环行器是一种应用十分广泛的微波毫米波器件，它可以在通信和雷达系统中作为天线收发转换开关（双工器），分离输入和输出信号、入射波和反射波，也可以在微波传输和测试系统中作为隔离器使用。而传统的微波环行器属于分立器件，难以和目前的微波电路集成，这就阻碍了微波器件向着平面化和集成化的方向发展[1]。解决这一问题的关键是以薄膜或厚膜形式的铁氧体材料代替块体的铁氧体[2]。在这样的背景下，美国海军实验室率先进行了制备可平面化和集成化的微波器件[3]。
钡铁氧体(BaFe12O19)永磁具有良好的化学稳定性、较高的饱和磁化强度(Ms)，是一种高内场旋磁材料[4，5]，利用该特性，钡铁氧体可应用于毫米波器件，如毫米波环行器、隔离器等，用该特性制备的毫米波器件，在没有外加磁场的作用下器件就能够工作，从而实现自偏置，这样就可以减小器件的体积和重量[6]。因此，本文正是基于铁氧体环行器平面化的设计理念，采用BaM铁氧体厚膜来设计并制作自偏置的微带结环行器。
2.自偏置钡铁氧体微带结环行器设计
设计流程是从环行器的环行条件出发计算出中心结的尺寸和结阻抗，然后再将环行器的结阻抗和标准的50Ω微带线在尽量宽的频率范围内匹配起来。在设计的过程中最重要的设计参数就是中心结的半径和结阻抗。
由第一阶贝塞尔函数的第一个正根为：
X1，1=（KR）1，1=1.84
(1)
其中，而，为张量磁导率中的非对角分量和对角分量，，为真空介电常数而为三氧化二铝基片和铁氧体的有效介电常数。
而，可由下式计算给出：
(2)
其中，，，，分别是铁氧体的旋磁比，磁晶各向异性常数，起始磁导率，饱和磁化强度，环行器的工作频率。
这样我们通过将式(2)代入式(1)中就可以计算出环行器中心结的半径值。
对于微带环行器来说，在结环行器的等效电路中也可以等效为：
(3)
根据环行器的有效负载，铁氧体圆片内储存的能量与总的功率耦合到微带线之间的关系，可以导出铁氧体圆片的厚度为：
(4)
由铁氧体的厚度d和有效负载，可以得到微带结的输入电导为：
(5)
由以上的推导得到了设计中需要的两个主要参数：中心结的半径和结阻抗的大小，当知道结阻抗的大小后，就可以用四分之一波长匹配的方法来使环行器的每个端口都匹配到50欧姆，从而获得优异的环行性能和较宽的工作频率范围。
3.自偏置钡铁氧体微带结环行器的仿真
利用有限元软件HFSS建立环行器的模型，进行仿真计算，以此优化参数得到更佳的值。
图1为经过优化后环行器在HFSS中的模型图。其中基片为三氧化二铝(Al2O3)，厚度为200?m，介电常数为9.8。钡铁氧体厚膜的厚度为100?m，介电常数设置为15，饱和磁化强度设置为1000 Gs，铁磁共振线宽()取为500 Oe，内场Hi取为1000 kA/m。导带的材料设为金，厚度为3?m，中心导体的半径为1mm，第一节匹配微带的长度为0.95mm，宽度为0.1mm，第二节匹配微带的长度为0.1mm，宽度为1.6mm，第三节匹配微带的长度为1mm，宽度为0.19mm。
图2为BaM厚膜集成环行器的仿真结果。从图2所示的仿真结果可以看出，所设计的环行器在中心频率为25GHz附近具有明显的环行性能，其插入损耗S12约为2dB，隔离S21约为20dB。
4.自偏置钡铁氧体微带结环行器制作及性能测试
厚膜微带结环行器的制作主要包括钡铁氧体厚膜样品的抛光、清洗、蒸金和光刻等步骤。抛光的作用是微调厚膜样品的厚度，使其达到设计指标，并且使厚膜较粗糙的表面变得平整光洁，便于后续的沉积金工艺。清洗主要是采用煮沸和超声清洗等手段清除厚膜表面的油污以及抛光时引入的石蜡、抛光粉和铁氧体碎屑等。针对图1的结构，采用所制备的BaM厚膜，利用光刻工艺，制备出了如图3所示的BaM厚膜环行器。
图4是采用矢量网络分析仪测试得到的环行器的传输特性。从图4的测试结果可以看出，所制备的环行器在中心频率25.6GHz附近具有环行性能，这和设计的工作点25GHz相差不大，实际工作点偏高了约0.6GHz，这是由于BaM厚膜的介电常数比设计值稍微偏大的缘故。同时还可以看出，整个器件的插损S12约为14.9dB，隔离S21约为22.4dB，两者的相差约为7.5dB，显示了初步的环行性能。
对比图4和图2的结果，可以看出，测试结果除了损耗偏大，其余和仿真结果基本一致。插入损耗大表明所制备的BaM厚膜的损耗还比较大，仍需进一步提高BaM厚膜的质量。另外一方面，由于材料设计参数和实际值的差别，也会导致阻抗匹配不是太好，从而导致插入损耗偏大，因此，在后续的优化过程中，仍需提高BaM厚膜集成环行器的阻抗匹配设计，以降低插入损耗。
5.结论
根据所设计的结构参数并采用半导体工艺制作了微带结环行器，其测试结果表明：所制备的环行器在中心频率25.6GHz附近具有环行性能，这和设计的工作点25GHz相差不大，实际工作点偏高了约0.6GHz。而器件的插损S12约为14.9dB，隔离S21约为22.4dB，两者相差约为7.5dB，显示了初步的环行性能，但其损耗偏大，因此，后续的工作主要应集中在提高BaM厚膜的质量和优化阻抗匹配等方面入手来降低其损耗。
参考文献
[1]Harris V G,Chen Z H,Chen Y J,et al.Ba-hexaferrite films for next generation microwave devices[J].J Appl Phys,2006,99(8):9111-9115.
[2]How H,Fang T M,Vittoria C.Design of drop-in micro-strip circulator[J].IEEE Trans Magn,1995,31:997-l002.
[3]Yanko A K.The Morphological,Structural and Physical Properties of Ultra Thick c-axis Oriented Barium Ferrite Films[D].Idaho:University of Idaho,2006.
基金项目：电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室基金项目（项目编号：KFJJ201111）。
作者简介：何云（1982—），男，四川南充人，硕士，助理实验师，主要从事微波磁性材料及器件的研究。
