一种准平面化复合基板微带环形器

技术领域

本发明属于微波/毫米波铁氧体器件技术领域，具体涉及一种准平面化复合基板微带环形器。

背景技术

在现代雷达系统和通信系统中，由于涉及到电磁波的发射和接收，通常采用环行器实现电磁信号的单向传输，使得收发分离的系统可以共用一套天线装置，从而大大降低系统的成本和体积，在追求轻量化和低成本的工业批量化生产的今天，环行器的应用显得尤为重要。

传统的环行器多采用立方晶系的软磁铁氧体作为基板材料，在工作时需要利用外置磁钢提供驱动磁场使得基板材料处于磁饱和状态，这将会大大增加环行器的体积和重量，与雷达通信系统集成化、平面化的发展大趋势相悖。如专利201820979900.9公布了一种Ka波段微带环行器及其封装方法，但由于所选材料为非自驱动铁氧体，结构设计时必须预留偏置磁钢的位置，导致器件高度大于5mm。专利201820979900.9公布了一种大功率微带环行器的设计方法，但同样受制于基板材料选取石榴石铁氧体，不得不外加钐钴永磁铁以提供偏置磁场，使环行器厚度大大增加。值得一提的是，外加偏置磁场的增强，带来的另一个不良后果是直流磁场的泄漏，这是大多整机系统无法容忍的，特别是在星载/机载的应用环境中，为了控制磁泄漏，需设计磁屏蔽回路，这进一步增加了器件的体积和重量。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种准平面化复合基板微带环形器。本发明环形器铁氧体基板采用La-Cu联合取代BaM六角铁氧体材料，具有高剩磁比、高矫顽力以及低线宽等优点；基于该基板研制的准平面化环行器具有体积小、厚度薄、重量轻等优点，易于集成；同时采用复合基板结构，有效降低了微带环形器的插入损耗。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种准平面化复合基板微带环形器，其特征在于，包括：

微波陶瓷基板，所述微波陶瓷基板的中心设置圆孔；

六角铁氧体基板，镶嵌于微波陶瓷基板的圆孔内，与微波陶瓷基板组成完整的复合基板；

中心结圆盘，设置于六角铁氧体基板之上，位于六角铁氧体基板中心；

双Y结微带线，与中心结圆盘连接，用于进行信号传输和阻抗匹配。

进一步地，所述六角铁氧体基板采用自驱动特性的铁氧体材料制备得到，兼具高剩磁比、高矫顽力、高而可调的磁晶各向异性场。所述六角铁氧体基板包括主成分和添加剂，所述主成分包括：6.15～7.02mol％BaCO

进一步地，所述六角铁氧体基板是采用如下方法制备得到的：

步骤1、预烧料制备：

1.1以BaCO

1.2将步骤1.1得到的一次球磨料烘干、过筛后，在900～1250℃温度下预烧2～3h，随炉冷却至室温后，取出，得到预烧料；

步骤2、掺杂：

将步骤1得到的预烧料过筛后，加入添加剂：1.0wt％～3.0wt％Bi

步骤3、成型、烧结：

3.1将步骤2得到的二次球磨料脱水，控制浆料的含水量在35wt％～45wt％之间，然后置于1.0T～1.4T的磁场中压制成型，成型压力为6～10MPa；

3.2将步骤3.1得到的样品放入烧结炉内，在1020～1080℃下烧结2.5～4.5h，烧结完成后，随炉自然冷却至室温，得到所述六角铁氧体基板。

进一步地，所述微波陶瓷基板采用Ba

进一步地，所述微波陶瓷基板与六角铁氧体基板的厚度相同。

进一步地，所述六角铁氧体基板的半径不超过中心结圆盘的圆心到大Y结第一段微带线与第二段微带线交点的距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的一种准平面化复合基板微带环形器，铁氧体基板采用La-Cu联合取代缺铁性BaM六角铁氧体材料，具有高剩磁比、高矫顽力以及低的铁磁共振线宽，基于该基板的准平面化环行器在去掉外加磁钢的情况下仍可以正常工作，有效降低了器件的厚度、体积和重量，便于实现环行器的准平面化以及雷达通信系统的一体集成化设计；同时采用复合基板结构，将超低介电损耗的陶瓷基板与该铁氧体基板通过非导电胶粘接形成复合基板，降低了电磁波信号在传输过程中带来的损耗。

附图说明

图1为本发明实施例采用的六角铁氧体基板材料的SEM图；

图2为本发明提供的一种准平面化复合基板微带环形器的结构示意图；

图3为对比例1提供的环形器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的准平面化复合基板微带环形器的S参数；

图5为对比例2全铁氧体基板微带环行器的S参数。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

如图2所示，为本发明提供的一种准平面化复合基板微带环形器的结构示意图，包括带圆孔的微波陶瓷基板1、镶嵌于圆孔内的六角铁氧体基板2、中心结圆盘3和双Y结微带线；中心结圆盘位于六角铁氧体基板之上，且考虑到铁氧体基板越靠近中心位置磁性越强越均匀，故而铁氧体基板的半径大于中心结圆盘的半径；中心结圆盘连接呈“Y”字型的大Y结微带线，大Y结由三段不同尺寸的矩形微带线组成，每段微带线都采用四分之一波长进行阻抗匹配，大Y结的三条臂互成120°夹角；考虑到集成过程中便于走线，图2中，位于左侧和右侧的第二段微带线与第三段微带线呈150°夹角；除了大Y结之外，中心结圆盘还连接一个小Y结，小Y结包括三段相互成120°夹角的微带线，形成一个倒“Y”，小Y结的臂与相邻大Y结的臂之间的夹角为60°。

进一步地，所述陶瓷基板中心设置的圆孔与六角铁氧体基板的尺寸匹配，使得铁氧体基板刚好嵌入陶瓷基板的圆孔中，组成一个完整的基板；且微波陶瓷基板的厚度与六角铁氧体基板的厚度是相同的。

进一步地，所述微波陶瓷基板与六角铁氧体基板采用非导电粘结剂固定。

实施例

一种准平面化复合基板微带环形器，包括带圆孔的微波陶瓷基板1、镶嵌于圆孔内的六角铁氧体基板2、中心结圆盘3和双Y结微带线；陶瓷基板中心设置的圆孔与六角铁氧体基板的尺寸匹配，采用非导电性的粘结剂将铁氧体基板嵌入陶瓷基板的圆孔中并固定，组成一个完整的复合基板；在复合基板的一面镀铜膜作为接地端，另一面镀微带线和环形器的输入输出端口。其中，中心结圆盘与六角铁氧体基板的圆心重合，沿着中心结圆盘向外依次连接大Y结的第一段、第二段和第三段四分之一阻抗匹配微带线，这三段微带线为大Y结的三条臂，各臂之间的夹角为120°；位于基板左右两侧的大Y结臂为了满足集成电路中尽量纵横交错的要求，第三段微带线与第二段微带线成150°夹角；小Y结位于中心结圆盘外侧，包括三段相互成120°夹角的微带线，形成一个倒“Y”，小Y结的臂与相邻大Y结的臂之间的夹角为60°。

其中，所采用的六角铁氧体基板包括主成分和添加剂，所述主成分包括：6.89mol％BaCO

其中，所选用的微波陶瓷基板为超低介电损耗的Ba

其中，微带环形器的尺寸参数：铁氧体基板的半径为0.45mm，陶瓷基板尺寸为3.72mm*3.34mm，其厚度和铁氧体基板的厚度一致，均为0.2mm。接地层、中心结圆盘和微带线的铜膜厚度均为0.002mm。中心结圆盘的半径为0.36mm，大Y结第一段的宽度为0.16mm、长度为0.09mm，第二段微带线的宽度为0.25mm、长度为0.97mm，第三段微带线的宽度为0.2mm、长度为0.44mm，小Y结的长度为0.68mm、宽度为0.21mm。

实施例准平面化复合基板微带环形器整体厚度仅有0.2mm，且在无需外置磁钢下，在35.6-36.4GHz的频率范围内，隔离度和回波损耗均大于20dB，插入损耗小于1.5dB，实现了环行器的准平面化，且插入损耗较低，具有一定的应用价值。

对比例1

如图3所示，为对比例1提供的环形器的结构示意图；包括圆柱形的偏置磁钢6、NiZn铁氧体基板4、圆形中心结导体、大小双Y结的微带线5以及一层接地作用的铜膜。在铁氧体基板的一面镀铜膜作为接地端，另一面镀微带线和环形器的输入输出端口。其中，中心结圆盘的圆心与铁氧体基板的中心重合，沿着中心结圆盘向外依次连接大Y结的第一段、第二段和第三段四分之一阻抗匹配微带线，这三段微带线为大Y结的三条臂，各臂之间的夹角为120°；位于基板左右两侧的大Y结臂为了满足集成电路中尽量纵横交错的要求，第三段微带线与第二段微带线成150°夹角；小Y结位于中心结圆盘外侧，包括三段相互成120°夹角的微带线，形成一个倒“Y”，小Y结的臂与相邻大Y结的臂之间的夹角为60°。提供偏置磁场的磁钢置于中心圆盘上方，其圆心与中心圆盘的圆心重合。

对比例1器件主要尺寸参数：铁氧体基板的尺寸为4.56mm*4.09mm，厚度为0.2mm。接地层、中心圆盘和微带线的铜膜厚度均为0.002mm。中心圆盘的半径为0.72mm，大Y结第一段的宽度为0.74mm、长度为0.43mm，第二段微带线的宽度为0.52mm、长度为0.75mm，第三段微带线的宽度为0.3mm、长度为0.6mm，小Y结的长度为0.32mm、宽度为0.32mm。偏置磁钢半径为1.04mm，高度为2mm。

对比例1环行器在外置磁钢提供偏置磁场的情况下，在34.2-37.5GHz的频率范围内，隔离度和回波损耗均大于20dB，插入损耗小于1.8dB，该环行器整体高度达2.2mm，是具体实施例的11倍。

对比例2

一种全铁氧体基板微带环行器，包括矩形铁氧体基板、圆形的中心圆盘、大小双Y结的微带线以及一层接地作用的铜膜。在铁氧体基板的一面镀上一层铜膜，用作接地端，另一面则镀上微带线和中心圆盘用作环行器的输入输出端口。中心圆盘位于矩形铁氧体基板中央，沿着中心圆盘向外依次连接大Y结的第一段、第二段和第三段四分之一阻抗匹配微带线，这三段微带线为大Y结的三条臂，各臂之间的夹角为120°；位于基板左右两侧的大Y结臂为了满足集成电路中尽量纵横交错的要求，第三段微带线与第二段微带线成150°夹角；小Y结位于中心圆盘外侧，包括三段相互成120°夹角的微带线，形成一个倒“Y”，小Y结的臂与相邻大Y结的臂之间的夹角为60°。

其中，铁氧体基板采用与实施例的配方和工艺完全相同的六角铁氧体基板材料。

对比例2器件主要尺寸参数：铁氧体基板尺寸为3.5mm*2.86mm，厚度为0.2mm。接地层、中心圆盘和微带线的铜膜厚度均为0.002mm。中心圆盘的半径为0.4mm，大Y结第一段的宽度为0.16mm、长度为0.09mm，第二段微带线的宽度为0.16mm、长度为0.67mm，第三段微带线的宽度为0.1mm、长度为0.58mm，小Y结的长度为0.445mm，宽度为0.14mm。

对比例2环行器整体厚度仅有0.2mm，且在无需外置磁钢下，在35.3-36.9GHz的频率范围内，隔离度和回波损耗均大于20dB，插入损耗小于2.9dB。相较于实施例，对比例2由于采用全铁氧体基板，介电损耗较大，因此插入损耗增加了1.4dB，相当于恶化了93％，接近一倍的插入损耗增加。