X波段LTCC铁氧体环形器优化设计

张 帅

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214035）

1 概述

环形器的单向传输特性决定其被广泛应用在微波射频收发系统内，为适用小型化和轻型化要求，文献[2]中阐述了LTCC铁氧体环形器的一种可行的设计方法，选取饱和磁化强度为0.3 T、介电常数为8.0的旋磁材料和叠层材料，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，标准50 Ω微带线匹配，通孔金属圆柱为银材质，构建出理论模型，仿真实现了在X波段内具有良好环形功能的微波器件，与普通环形器相比其体积缩小很多，可以达到 10.8 mm×9.5 mm×0.95 mm[2-3]。

此模型主要是在介质基板上烧结以金属材料或者淀积成金属薄膜的三维立体结构[4]，若直接将环形器顶部暴露于空气中，特别是在军用领域，器件的使用环境更加恶劣，微带传输线和介质基板会受到氧化、腐蚀等[5]，长期使用会影响器件性能甚至导致损坏。针对上述问题，可以尝试在环形器顶部加盖一层基板作为保护层[6-7]。通过分析可知，基板的介电常数和高度是影响环形器性能的两个主要因素，可以用这两个参数来表征器件的一般规律[8]。

2 保护层对环形器性能的影响

图1为未加盖保护层铁氧体环形器最优化仿真结果，图2为加盖保护层后环形器仿真结果。

通过比较图 1和图 2，发现 S11、S21、S31和VSWR的曲线呈现的变化趋势大致相同，但是其S参数的绝对峰值在最大值处变得相对平滑，器件性能变差了。在11～11.7GHz范围内，插入损耗|S31|≤1.0dB，回波损耗 |S11|≥10 dB，隔离度 |S21|≥12 dB，电压驻波比VSWR≤1.5。电压驻波比最小值仍旧出现在11.2 GHz处，为1.06，但是S参数的最大值出现的频率点发生了偏移，整体向左移动了0.1 GHz，此时回波损耗|S11|max=28.5 dB，隔离度|S21|max=20.2 dB。插入损耗|S31|min=0.58 dB。无论是器件S参数绝对峰值的最大值，还是工作带宽700 MHz（占整个X波段的20%）都较未加盖保护层时减小，对于一定带宽内或者点频组件仍然具有良好的使用价值。

图1 未加盖保护层铁氧体环形器最优化仿真结果

2.1 保护层介电常数对环形器性能的影响

介电常数是衡量介质基板电性能的重要参数。不同介电常数的材料作保护层基板势必会影响环形器的性能，可以通过如图3所示的仿真曲线来研究这个问题。

图2 加盖保护层后环形器仿真结果

观察图中曲线发现，在器件正常工作频带内，S11绝对峰值的最大值保持在3 dB变化范围内，S21绝对峰值的最大值保持在2 dB变化范围内，对于S31和VSWR的曲线基本不发生变化。不同介电常数Er的保护层对环形器的S参数和电压驻波比均未产生显著影响，这一现象表明目前常用的材料大部分可以用于制作保护层的基板。

2.2 保护层高度对环形器性能的影响

在保证保护层介电常数不变的情况下，研究保护层基板高度Hb对环形器性能的影响，扫描参数Hb，得到如图4所示的曲线。

图4中，S11的绝对峰值曲线整体呈现“W”字型趋势，随着保护层基板高度Hb的变化，其值先变小后增加再变小；S21的绝对峰值曲线呈现“凹”字型趋势，其值随着保护层基板高度Hb的变大而减小，并且最大值所在的频率由高频端移向低频端；S31的绝对峰值曲线在10.7～11.3GHz内基本一致，当频率高于11.3GHz后，曲线发生离散，器件的插入损耗逐渐变差，在Hb=0.30 mm、频率为11.9 GHz时，|S31|=2.2 dB，环形器的性能已经变得很差了。

图3 加盖不同介电常数保护层的环形器仿真结果

图4 加盖不同高度保护层的环形器仿真结果

对于S11的绝对峰值曲线，在Hb=0.25 mm时，|S11|max=35 dB，|S21|max=19 dB， 在 Hb=0.05 mm 时 ，|S11|max=33 dB，|S21|max=23 dB。单纯从指标上考虑，我们选择制备保护层基板高度Hb为0.05 mm的环形器，但这个尺寸的基板已经很薄了，和锡箔纸的厚度差不多，现行工艺水平无法满足制备条件，并且这也从侧面证明了加盖保护层影响了环形器的性能。

2.3 保护层与环形器顶部间隙对环形器性能的影响

上文讨论的加盖保护层指的是保护层与环形器顶部完全贴合，不存在间隙。现已确定了保护层基板的介电常数和高度，接下来讨论的是在保护层和环形器顶部之间存在间隙的情况下，研究此时环形器特性的变化规律。保护层和环形器顶部间隙的垂直距离设置为Ht，图5给出了Ht与S11、S21、S31和VSWR之间的关系。

图5中，Ht=0时即为不存在间隙状态，与图2结果完全吻合，并以此状态作为基础态。随着Ht的增大，S11和S21的绝对峰值都呈现先增大后减小再增大的趋势，在 Ht=0.25 mm 时，|S11|max=40 dB，|S21|max=24 dB，|S31|min=0.5 dB，VSWRmin=1.02，与最初优化仿真得到的状态基本一致。越过这个值之后，虽然S11的绝对峰值还在变大，S21的绝对峰值保持不变，器件的环形功能在变化，但是却面临一个严峻的问题：环形器的厚度为0.6 mm，此时空隙的厚度加上保护层的厚度达到1.2 mm，是前者的近2倍，器件体积变大很多。不过在微波收发系统模块组件腔体设计和调试中，我们可以借鉴这个结论，在需要放置环形器的位置预留些空间用于调试环形器的回波损耗，而不会改变环形器的隔离度、插入损耗和电压驻波比。

在0 mm≤Ht≤0.25 mm的范围内，环形器并没有达到最良好的工作状态，原因在于：当空隙较小时，电磁波的传输受到LTCC基板的相对介电常数εf的影响；当空隙变大时，电磁波的传输发生了散射。同时这也说明，加盖的保护层的加工工艺精度要求可以适当放宽，若加工出的LTCC基板不是很光滑，存在凹凸状态，可以等效为保护层和环行器顶部留存一定的间隙，此时环形器的性能反而变好。

图5 S11、S21、S31和 VSWR随 Ht变化曲线

3 总结

文中的仿真结果表明：加盖保护层后环形器的性能变差，但器件在一定频带范围或者点频处可以正常工作。在工艺上可以允许精度存在一定的误差，此类误差理解为基板表面加工不光滑，存在凹凸状态，基板表层毛刺以及基板贴合不紧等现象导致LTCC基板之间形成空隙，这样的误差反而使得环形器性能变好。此研究为在实际制备中得到性能优良和符合工业标准的环形器提供了理论支持，具有指导意义。