X波段LTCC铁氧体环形器的设计

张　帅,彭　龙,徐　洋

(成都信息工程大学 光电技术学院,四川 成都　610225)



X波段LTCC铁氧体环形器的设计

张帅,彭龙,徐洋

(成都信息工程大学 光电技术学院,四川 成都610225)

摘要针对微波铁氧体材料与低温金属浆料及LTCC陶瓷材料在工艺上的匹配共烧的技术难题,文中采用本征模设计方法,运用阻抗匹配技术,借助微波仿真HFSS和AutoCAD软件设计了一种X波段单Y结LTCC铁氧体环形器。器件模型在10.9～12 GHz的频率范围内出现环形功能,其带宽为1.1 GHz,插入损耗≤0.5 dB,回波损耗≥10 dB,隔离度≥13 dB,驻波比≤1.5 dB。此设计有望实现微波环形器与低温共烧陶瓷(LTCC)技术的有效结合。

关键词本征模设计;阻抗匹配;单Y结环形器;旋磁材料;低温共烧陶瓷技术

铁氧体环形器是一种多端口的无源器件,电磁波在其内按某一环形方向传输,反方向则隔离。由于这种特性其被广泛应用于微波通信中,如航空、航天、海洋探索、通信等领域。微波无源器件作为特种器件[1]。随着LTCC技术在铁氧体器件片式化领域的发展,如片式化的电容器、变压器及滤波器等低温共烧结陶瓷铁氧体器件研制成功后,对实现微波系统的小型化和轻型化具有重要的推动作用,但LTCC铁氧体环形器的研究一直没有取得重要突破,严重地限制了微波LTCC技术的发展[2-3]。

1铁氧体环形器的输入等效电路

微带铁氧体环形器的典型结构是用一个具有三条互成120。对称的带状线金属圆盘,其与两个接地面之间各配置一个铁氧体圆柱,并加以适当的偏置磁场而成[4-5]。

铁氧体环形器的工作原理在众多参考文献和书籍中已进行全面系统的阐述,此处不再赘述。在讨论设计方法前,必须明确结型环形器[6-7]的等效电路的若干性质。如图1所示的输入等效电路是从铁氧体圆柱的边缘上看入,其是一个简单的并联谐振器。

图1　结型环形器的等效谐振电路

在微波频率上,通常用谐振电导G或者归一化谐振电导g,以及归一化电纳斜率b。

(1)

(2)

这两个参数去表征谐振器的性质。

上式中Y0是外接传输线的特性导纳;B是谐振器的电纳;ω0是谐振器的中心频率。此外,谐振器的有载QL值定义为

(3)

环形器的等效谐振器的并联电导g可用控制磁化区两个分裂模来调节,等效的电纳斜率参数b主要由环形结的几何形状决定,几乎不随并联电导的变化而变化。

对于结型环形器的等效电路施加能实现环形功能的两个限制条件后,直接接上外部电路的话,虽能具有环形器的普遍特征,但由于失谐效应的存在,器件的工作带宽相当窄。为展宽环形器的工作频带,可在环形结的每一个臂上串接若干1/4波长变换线段以进行宽频带匹配[8]。

在这种情况下,整个环形器的等效电路将演变成如图2的形式。

图2　λg0/4耦合的环形器等效电路

2LTCC技术与铁氧体环形器的结合

1982年休斯公司开发的LTCC技术迄今已有30多年,且趋于成熟,由于其杰出的电气特性和结构化性能在众多领域中已经崭露头角。对于微波电路,LTCC技术在低容值电容、电阻、滤波器、阻抗转换器、耦合器、功分器、混合器等层叠平面电路元件中较为实用[9]。如发射/接收(T/R)模块的一些高度集总微波电路已在LTCC技术中得到了验证,但在某些系统中所需的环形器一类的非互易性器件仍未被集成,这将在对结果封装产生较高的形状因子[10]。LTCC技术为环形器的设计带来了一些限制性因素。铁氧体和LTCC胶片的厚度由使用的基片系统决定。因此,这也只能在预先设定的厚度增量中存在着差异。而其中一个更为严重的限制就是现在只有少量的商用性铁氧体胶片,且每一个胶片均有一特定的饱和磁化强度和其他的磁特性,这又反过来限制了与传统环形器设计相比设计的可选择性,而在传统环形器设计中,大量的铁氧体材料可以被使用。在环形器中,端口匹配对于性能优化非常重要,而LTCC的分层技术使得能通过调节胶片厚度增量中的电介质高度和调节微带宽度来改变微带输入阻抗,以此来实现端口匹配。

根据上述思想,建立了如图3所示的LTCC铁氧体环形器层级结构的理论模型。

图3　LTCC铁氧体环形器层次结构理论模型

从上述理论模型可以看出,与传统的单Y结型环形器的阻抗匹配线与中心圆盘处于同一个平面内相比,本文设计的LTCC铁氧体环形器将阻抗匹配线分成两段通过通孔金属圆柱连接与Y结中心圆盘处于两个不同平面内,实现了从二维平面结构向三维立体结构的转变,利于实现微波系统的小型化和集成化。

根据理论模型,建立了X波段LTCC铁氧体环形器的平面结构,如图4所示。

图4　X波段LTCC铁氧体环形器平面结构图

3模型参数

选取饱和磁化强度4 πMs为3 000高斯,介电常数εr为8.0的旋磁材料,采用1/4波长耦合的全铁氧体基片微带单Y结型环形器双层叠层片式结构,并与标准的50 Ω微带线在宽频带范围内匹配起来。叠层材料介电常数εr′为8.0,通孔金属圆柱为银材质。

根据器件指标要求,经过初步计算确定,具体的参数b=5.974,g=4.324,QL=1.375,y01=2.278;铁氧体圆盘Y型结中心圆盘直径D=5.48 mm,Y臂由中心圆盘结至端口的上下两层阻抗线构成,第一节阻抗线的长度为L1=7.6 mm,宽度为W1=0.5 mm,第二节阻抗线的长度为L2=3.0 mm,宽度为W2=0.5 mm,底层介质和LTCC基板厚度为H=0.324 mm,所有基片采用正六角形形状。

4软件仿真

为简化建立模型过程的复杂度和实现模型的工程易操作性,首先在AutoCAD2004软件中构建二维平面图形,再将其导入安捷伦公司的三维电磁仿真软件HFSS中进行立体拉伸,建立初始化模型。为铁氧体基片设置偏置磁场,将其归一化内场设为0,使器件工作于低场模式,并采用波端口激励的方式进行仿真和参数优化。

5结果分析

结合了LTCC技术的微波铁氧体环形器的设计比较复杂,不同参数对器件的频率特性的影响规律十分显著,且部分参数之间还存在相互制约的关系,这些问题增加了对器件模型仿真优化的难度。X波段LTCC铁氧体环形器的优化仿真结果,如图5所示。

图5　X波段铁氧体环形器优化仿真结果

从仿真结果可见,由散射参数,可确定器件的回波损耗S11、插入损耗S31、隔离度S21以及电压驻波比VSWR等主要的特性参数。器件出现了很明显的环行功能,在10.9～12 GHz范围内,插入损耗S31≤0.5 dB,回波损耗S11≥10 dB,隔离度S21≥13 dB,电压驻波比VSWR≤1.5。在11.1～11.5 GHz范围内,回波损耗S11≥20 dB,最大值可达到40 dB,隔离度S21≥20 dB,最大值出现在11.2 GHz为26 dB,电压驻波比VSWR≤1.25,最小值可达到1.05且在11.2 GHz获得。器件在8～12 GHz的频率范围内,其工作带宽达到1.1 GHz,占整个X波段的27.5%。

6结束语

本文研究的微波LTCC铁氧体环形器采用铁氧体层与陶瓷介质层构成混合结构,将器件的电路从二维平面延伸为三维立体分布。结果表明,器件具有良好的环形功能,工作频段较宽,可实现微波器件的小型化、轻型化、集成化,能较好的满足当前及未来对微波系统的要求。

目前,微波铁氧体材料的低温烧结和电磁性能调控仍制备LTCC铁氧体环形器的关键基础,该材料与低温金属浆料及LTCC陶瓷材料在工艺上的匹配共烧仍是技术难题。美国DuPont、德国Heraeus和日本TDK等公司在LTCC技术领域处于世界领先地位,正在对微波毫米波LTCC铁氧体材料及器件进行科技攻关,并对我国实施技术封锁[2]。国内对LTCC铁氧体环形器的研究处于起步阶段,在微波毫米波LTCC铁氧体材料的制备、器件整体设计等方面都与国外存在较大差距,相关研究具有一定的参考价值。

参考文献

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[10]张琦,苏东林,张德智.基于LTCC多层基板的X波段T/R组件小型化设计[J].现代电子技术,2007(1):55-57.

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

中图分类号TN385

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)04-130-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.034

作者简介:张帅(1990—),男,硕士研究生。研究方向:微波器件。

基金项目:四川省教育厅基金资助项目(13Z198);成都信息工程大学中青年学术带头人科研基金资助项目(J201222)

收稿日期:2015- 09- 13