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1、第16卷第4期应用科学学报Vol.16,No.41998年12月JOURNALOFAPPLIEDSCIENCESDec.1998研究简报*一种Ka频段微带隔离器曾升权陈骏莲冯双久(电子科技大学)摘要叙述了一种Ka频段内的微带隔离器,其优点是利用软基片来制成器件,铁氧体圆片可方便地镶嵌入软基片内.最后,在这种器件结构下,可在大于2GHz的带宽内获得小于1.2dB的正向损耗和大于20dB的反向损耗.关键词毫米波铁氧体软基片微带隔离器毫米波是当前开发电磁波资源最为活跃的频段.由于该频段具有信息容量大、抗干扰性能好,多普勒效应灵敏度高、能全天候工作等特点,
2、在雷达通讯、遥测遥感、卫星通信、精确制导等领域中得到了广泛的应用.由此各种功能的元器件也迅速发展起来,尤其是毫米波集成电路(MMIC)的发展更给集成式元器件的研究指明了方向.为此,我们成功地研制出了Ka频段软基片(商标为RT/Duroid5880)镶嵌式铁氧体微带隔离器,它在集成电路中起阻抗匹配和去耦作用.因其具有结构独特、体积小、重量轻、性能好、便于实现单片混合集成等优点,是各类毫米波整机中制作集成电路的理想器件.它的问世和应用对提高和稳定整机系统的综合能力有着深远的意义.1理论依据软基片镶嵌式微带隔离器的结构如图1所示.由图可见,它实际上是在微
3、带Y结环行器的一个端口接上匹配负载后而成的.因此,可直接利用结环行器理论对器件进行设计.在基模情况下,带线或微带结环行器实现理想环行时必须满足的两个环行条件[1,2]是:(1)频率条件x1,1=(KR)1,1=1.84(1)1/2式中x1,1为第一阶贝塞尔函数的第一个正根,K=2cf[XfX0_eff_0]为电磁波波数,f为电磁波频率,Xf为铁氧体的电容率,X0和_0分别为真空电容率和真空磁导率,R为铁氧体圆22_-k片的半径,_ef=为有效磁导率,_和k分别是张量磁导率的对角分量和非对角分_收稿日期:1997-09-26修改稿收稿日期:1998-
4、01-12第一作者曾升权:副教授,电子科技大学信息材料工程学院,成都610054*科工委预研基金资助项目492应用科学学报16卷量.由磁动力学方程可导出_和k的计算公式如下k0km_=1+22(2)k0-kkkmk=22(3)k0-k式中km=V4cMs,k0=VHi,4cMs为铁氧体的饱和磁化强度,Hi为内磁场,V为旋磁比.(2)阻抗匹配条件2图1软基片镶嵌式微带隔离器结构2cfRXfX0Yi=GR=0.74(4)hQL式中Yi为器件端口的输入导纳,当为纯实数时即为输入电导GR,h为铁氧体圆片的厚度,[3]QL为无载Q,可由等效电路理论导出k0.
5、69=(5)_QL2器件的设计技术2.1铁氧体样品的选择铁氧体样品的设计技术主要是合理确定样品的几何参数和电磁参数.按定义,QL为自输入端输入并储存在铁氧体Y结内的能量与输出端的能量之比值,可知QL≥1,在理想情况下可取QL=1.由式(2)、(3)和式(5),当内场Hi=0时可得4cMs=0.246f.在考虑损耗后,可取4cMs≈0.2f,即当f=35GHz时,可得4cMs=0.7T,但至今国内外研制的铁氧体材料的4cMs值最高只能达到0.53T左右,实际上已接近理论值了.我们选用了温度稳定性好的NiZn铁氧体材料,其电磁参数为:4cMs=0.53
6、T,Xf=-1-412.5,ΔH≤7960Am,tgWX≤10,其中ΔH为铁磁共振线宽,tgWX为损耗角正切.另由式(2)、(3),在Hi=0时,有22km2.8×4cMs_eff=1-=1-(6)kf如取f=35000MHz,4cMs=0.53T时,则_eff=0.82.于是由式(1)可得R=0.78mm,h取0.254mm(与软基片厚度相同).在毫米波情况下,由于在导出式(1)时忽略了边缘场的影响,又因4cMs值偏低,故实用上的铁氧体圆片半径比理论值略大,这已为实验所证实.2.2软质电介质基片的选择由于传统的镶嵌式微带环行器或隔离器均是采用高频
7、陶瓷、石英等硬质电介质材料[4]作为基片,这种硬质基片和铁氧体间的镶嵌工艺难度很大,加工精度、表面光洁度和成品率都很低,不便于集成.为此,我们试用了目前国内外毫米波集成电路中普遍采用的5880软质电介质基片来研制微带隔离器,由于这种软基片具有损耗小、可加工性好、附着力强等优点,故在较宽的频带内使器件获得了良好的性能.4期曾升权等:一种Ka频段微带隔离器4932.3λg/4阻抗匹配设计技术常规的铁氧体器件,其输入和输出微带线的特性阻抗均为50Ψ,其中心导体的宽度为1mm.为达到宽带匹配的目的,则必须在铁氧体中心圆结和50Ψ微带线之间设计一段λg/4的
8、阻抗匹配变换段,其中λg为电介质基片内的电磁波波长.由式(2)、(3),当Hi=0和f=35GHz时,可得
9、k/_
10、=0.
