X波段LTCC鐵氧體環(huán)形器的設(shè)計(jì)

張　帥,彭　龍,徐　洋

(成都信息工程大學(xué) 光電技術(shù)學(xué)院,四川 成都　610225)

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X波段LTCC鐵氧體環(huán)形器的設(shè)計(jì)

張帥,彭龍,徐洋

(成都信息工程大學(xué) 光電技術(shù)學(xué)院,四川 成都610225)

摘要針對(duì)微波鐵氧體材料與低溫金屬漿料及LTCC陶瓷材料在工藝上的匹配共燒的技術(shù)難題,文中采用本征模設(shè)計(jì)方法,運(yùn)用阻抗匹配技術(shù),借助微波仿真HFSS和AutoCAD軟件設(shè)計(jì)了一種X波段單Y結(jié)LTCC鐵氧體環(huán)形器。器件模型在10.9～12 GHz的頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)環(huán)形功能,其帶寬為1.1 GHz,插入損耗≤0.5 dB,回波損耗≥10 dB,隔離度≥13 dB,駐波比≤1.5 dB。此設(shè)計(jì)有望實(shí)現(xiàn)微波環(huán)形器與低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)的有效結(jié)合。

關(guān)鍵詞本征模設(shè)計(jì);阻抗匹配;單Y結(jié)環(huán)形器;旋磁材料;低溫共燒陶瓷技術(shù)

鐵氧體環(huán)形器是一種多端口的無(wú)源器件,電磁波在其內(nèi)按某一環(huán)形方向傳輸,反方向則隔離。由于這種特性其被廣泛應(yīng)用于微波通信中,如航空、航天、海洋探索、通信等領(lǐng)域。微波無(wú)源器件作為特種器件[1]。隨著LTCC技術(shù)在鐵氧體器件片式化領(lǐng)域的發(fā)展,如片式化的電容器、變壓器及濾波器等低溫共燒結(jié)陶瓷鐵氧體器件研制成功后,對(duì)實(shí)現(xiàn)微波系統(tǒng)的小型化和輕型化具有重要的推動(dòng)作用,但LTCC鐵氧體環(huán)形器的研究一直沒(méi)有取得重要突破,嚴(yán)重地限制了微波LTCC技術(shù)的發(fā)展[2-3]。

1鐵氧體環(huán)形器的輸入等效電路

微帶鐵氧體環(huán)形器的典型結(jié)構(gòu)是用一個(gè)具有三條互成120。對(duì)稱(chēng)的帶狀線(xiàn)金屬圓盤(pán),其與兩個(gè)接地面之間各配置一個(gè)鐵氧體圓柱,并加以適當(dāng)?shù)钠么艌?chǎng)而成[4-5]。

鐵氧體環(huán)形器的工作原理在眾多參考文獻(xiàn)和書(shū)籍中已進(jìn)行全面系統(tǒng)的闡述,此處不再贅述。在討論設(shè)計(jì)方法前,必須明確結(jié)型環(huán)形器[6-7]的等效電路的若干性質(zhì)。如圖1所示的輸入等效電路是從鐵氧體圓柱的邊緣上看入,其是一個(gè)簡(jiǎn)單的并聯(lián)諧振器。

圖1　結(jié)型環(huán)形器的等效諧振電路

在微波頻率上,通常用諧振電導(dǎo)G或者歸一化諧振電導(dǎo)g,以及歸一化電納斜率b。

(1)

(2)

這兩個(gè)參數(shù)去表征諧振器的性質(zhì)。

上式中Y0是外接傳輸線(xiàn)的特性導(dǎo)納;B是諧振器的電納;ω0是諧振器的中心頻率。此外,諧振器的有載QL值定義為

(3)

環(huán)形器的等效諧振器的并聯(lián)電導(dǎo)g可用控制磁化區(qū)兩個(gè)分裂模來(lái)調(diào)節(jié),等效的電納斜率參數(shù)b主要由環(huán)形結(jié)的幾何形狀決定,幾乎不隨并聯(lián)電導(dǎo)的變化而變化。

對(duì)于結(jié)型環(huán)形器的等效電路施加能實(shí)現(xiàn)環(huán)形功能的兩個(gè)限制條件后,直接接上外部電路的話(huà),雖能具有環(huán)形器的普遍特征,但由于失諧效應(yīng)的存在,器件的工作帶寬相當(dāng)窄。為展寬環(huán)形器的工作頻帶,可在環(huán)形結(jié)的每一個(gè)臂上串接若干1/4波長(zhǎng)變換線(xiàn)段以進(jìn)行寬頻帶匹配[8]。

在這種情況下,整個(gè)環(huán)形器的等效電路將演變成如圖2的形式。

圖2　λg0/4耦合的環(huán)形器等效電路

2LTCC技術(shù)與鐵氧體環(huán)形器的結(jié)合

1982年休斯公司開(kāi)發(fā)的LTCC技術(shù)迄今已有30多年,且趨于成熟,由于其杰出的電氣特性和結(jié)構(gòu)化性能在眾多領(lǐng)域中已經(jīng)嶄露頭角。對(duì)于微波電路,LTCC技術(shù)在低容值電容、電阻、濾波器、阻抗轉(zhuǎn)換器、耦合器、功分器、混合器等層疊平面電路元件中較為實(shí)用[9]。如發(fā)射/接收(T/R)模塊的一些高度集總微波電路已在LTCC技術(shù)中得到了驗(yàn)證,但在某些系統(tǒng)中所需的環(huán)形器一類(lèi)的非互易性器件仍未被集成,這將在對(duì)結(jié)果封裝產(chǎn)生較高的形狀因子[10]。LTCC技術(shù)為環(huán)形器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了一些限制性因素。鐵氧體和LTCC膠片的厚度由使用的基片系統(tǒng)決定。因此,這也只能在預(yù)先設(shè)定的厚度增量中存在著差異。而其中一個(gè)更為嚴(yán)重的限制就是現(xiàn)在只有少量的商用性鐵氧體膠片,且每一個(gè)膠片均有一特定的飽和磁化強(qiáng)度和其他的磁特性,這又反過(guò)來(lái)限制了與傳統(tǒng)環(huán)形器設(shè)計(jì)相比設(shè)計(jì)的可選擇性,而在傳統(tǒng)環(huán)形器設(shè)計(jì)中,大量的鐵氧體材料可以被使用。在環(huán)形器中,端口匹配對(duì)于性能優(yōu)化非常重要,而LTCC的分層技術(shù)使得能通過(guò)調(diào)節(jié)膠片厚度增量中的電介質(zhì)高度和調(diào)節(jié)微帶寬度來(lái)改變微帶輸入阻抗,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)端口匹配。

根據(jù)上述思想,建立了如圖3所示的LTCC鐵氧體環(huán)形器層級(jí)結(jié)構(gòu)的理論模型。

圖3　LTCC鐵氧體環(huán)形器層次結(jié)構(gòu)理論模型

從上述理論模型可以看出,與傳統(tǒng)的單Y結(jié)型環(huán)形器的阻抗匹配線(xiàn)與中心圓盤(pán)處于同一個(gè)平面內(nèi)相比,本文設(shè)計(jì)的LTCC鐵氧體環(huán)形器將阻抗匹配線(xiàn)分成兩段通過(guò)通孔金屬圓柱連接與Y結(jié)中心圓盤(pán)處于兩個(gè)不同平面內(nèi),實(shí)現(xiàn)了從二維平面結(jié)構(gòu)向三維立體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,利于實(shí)現(xiàn)微波系統(tǒng)的小型化和集成化。

根據(jù)理論模型,建立了X波段LTCC鐵氧體環(huán)形器的平面結(jié)構(gòu),如圖4所示。

圖4　X波段LTCC鐵氧體環(huán)形器平面結(jié)構(gòu)圖

3模型參數(shù)

選取飽和磁化強(qiáng)度4 πMs為3 000高斯,介電常數(shù)εr為8.0的旋磁材料,采用1/4波長(zhǎng)耦合的全鐵氧體基片微帶單Y結(jié)型環(huán)形器雙層疊層片式結(jié)構(gòu),并與標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω微帶線(xiàn)在寬頻帶范圍內(nèi)匹配起來(lái)。疊層材料介電常數(shù)εr′為8.0,通孔金屬圓柱為銀材質(zhì)。

根據(jù)器件指標(biāo)要求,經(jīng)過(guò)初步計(jì)算確定,具體的參數(shù)b=5.974,g=4.324,QL=1.375,y01=2.278;鐵氧體圓盤(pán)Y型結(jié)中心圓盤(pán)直徑D=5.48 mm,Y臂由中心圓盤(pán)結(jié)至端口的上下兩層阻抗線(xiàn)構(gòu)成,第一節(jié)阻抗線(xiàn)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1=7.6 mm,寬度為W1=0.5 mm,第二節(jié)阻抗線(xiàn)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2=3.0 mm,寬度為W2=0.5 mm,底層介質(zhì)和LTCC基板厚度為H=0.324 mm,所有基片采用正六角形形狀。

4軟件仿真

為簡(jiǎn)化建立模型過(guò)程的復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)模型的工程易操作性,首先在AutoCAD2004軟件中構(gòu)建二維平面圖形,再將其導(dǎo)入安捷倫公司的三維電磁仿真軟件HFSS中進(jìn)行立體拉伸,建立初始化模型。為鐵氧體基片設(shè)置偏置磁場(chǎng),將其歸一化內(nèi)場(chǎng)設(shè)為0,使器件工作于低場(chǎng)模式,并采用波端口激勵(lì)的方式進(jìn)行仿真和參數(shù)優(yōu)化。

5結(jié)果分析

結(jié)合了LTCC技術(shù)的微波鐵氧體環(huán)形器的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜,不同參數(shù)對(duì)器件的頻率特性的影響規(guī)律十分顯著,且部分參數(shù)之間還存在相互制約的關(guān)系,這些問(wèn)題增加了對(duì)器件模型仿真優(yōu)化的難度。X波段LTCC鐵氧體環(huán)形器的優(yōu)化仿真結(jié)果,如圖5所示。

圖5　X波段鐵氧體環(huán)形器優(yōu)化仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可見(jiàn),由散射參數(shù),可確定器件的回波損耗S11、插入損耗S31、隔離度S21以及電壓駐波比VSWR等主要的特性參數(shù)。器件出現(xiàn)了很明顯的環(huán)行功能,在10.9～12 GHz范圍內(nèi),插入損耗S31≤0.5 dB,回波損耗S11≥10 dB,隔離度S21≥13 dB,電壓駐波比VSWR≤1.5。在11.1～11.5 GHz范圍內(nèi),回波損耗S11≥20 dB,最大值可達(dá)到40 dB,隔離度S21≥20 dB,最大值出現(xiàn)在11.2 GHz為26 dB,電壓駐波比VSWR≤1.25,最小值可達(dá)到1.05且在11.2 GHz獲得。器件在8～12 GHz的頻率范圍內(nèi),其工作帶寬達(dá)到1.1 GHz,占整個(gè)X波段的27.5%。

6結(jié)束語(yǔ)

本文研究的微波LTCC鐵氧體環(huán)形器采用鐵氧體層與陶瓷介質(zhì)層構(gòu)成混合結(jié)構(gòu),將器件的電路從二維平面延伸為三維立體分布。結(jié)果表明,器件具有良好的環(huán)形功能,工作頻段較寬,可實(shí)現(xiàn)微波器件的小型化、輕型化、集成化,能較好的滿(mǎn)足當(dāng)前及未來(lái)對(duì)微波系統(tǒng)的要求。

目前,微波鐵氧體材料的低溫?zé)Y(jié)和電磁性能調(diào)控仍制備LTCC鐵氧體環(huán)形器的關(guān)鍵基礎(chǔ),該材料與低溫金屬漿料及LTCC陶瓷材料在工藝上的匹配共燒仍是技術(shù)難題。美國(guó)DuPont、德國(guó)Heraeus和日本TDK等公司在LTCC技術(shù)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位,正在對(duì)微波毫米波LTCC鐵氧體材料及器件進(jìn)行科技攻關(guān),并對(duì)我國(guó)實(shí)施技術(shù)封鎖[2]。國(guó)內(nèi)對(duì)LTCC鐵氧體環(huán)形器的研究處于起步階段,在微波毫米波LTCC鐵氧體材料的制備、器件整體設(shè)計(jì)等方面都與國(guó)外存在較大差距,相關(guān)研究具有一定的參考價(jià)值。

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Design of X-band LTCC Ferrite Circulator

ZHANG Shuai,PENG Long,XU Yang

(College of Optoelectronic Technology,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China)

AbstractTo solve the technical problems of matched co-firing of microwave ferrite material,low temperature metallic slurry and LTCC ceramic material,an x-band single Y junction LTCC ferrite circulator is designed by eigen mode design method using simulation of microwave HFSS and AutoCAD software and the impedance matching technology.The device model demonstrates ring features in the 10.9～12 GHz frequency range with a bandwidth of 1.1 GHz,an insertion loss≤0.5 dB,a return loss≥10 dB,isolation degree≥13 dB,standing wave ratio≤ 1.5 dB.This design is expected to effectively combine the microwave circulator with low temperature co-firing ceramic (LTCC) technology.

Keywordsproper mold design;impedance matching;single Y junction circulator;gyromagnetic materials;low temperature co-firing ceramic technology

中圖分類(lèi)號(hào)TN385

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)04-130-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.034

作者簡(jiǎn)介:張帥(1990—),男,碩士研究生。研究方向:微波器件。

基金項(xiàng)目:四川省教育廳基金資助項(xiàng)目(13Z198);成都信息工程大學(xué)中青年學(xué)術(shù)帶頭人科研基金資助項(xiàng)目(J201222)

收稿日期:2015- 09- 13