CN105914439B - 软磁纳米线阵列的基片集成波导h面自偏置隔离器 - Google Patents

软磁纳米线阵列的基片集成波导h面自偏置隔离器 Download PDF

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Abstract

软磁纳米线阵列的基片集成波导H面自偏置隔离器，涉及微波器件，本发明包括SIW传输线和置于传输线内的4片有序软磁纳米线阵列条，SIW传输线包括介质基板，介质基板材料的介电常数介于8‑16之间，介质基板的上表面和下表面分别设有金属层，设置于介质基板内的两排平行的导电通孔构成波导的两个通孔边；有序软磁纳米线阵列条为长条状，设置于基板与表面金属层之间，且贴附于上下表面金属层，有序软磁纳米线阵列条的长边与波导的两个通孔边平行，靠近波导一侧的两片有序软磁纳米线阵列条的自发磁化方向为向上，靠近波导另一侧的两片有序软磁纳米线阵列条的自发磁化方向为向下。本发明体积小，结构简单，加工容易，易与平面微波电路集成。

Description

软磁纳米线阵列的基片集成波导H面自偏置隔离器
技术领域
本发明涉及基于磁性纳米线阵列的新型微波器件。
背景技术
微波隔离器是一种具有单向传输特点的二端口器件，被广泛应用于雷达和通讯***中。随着微波通信，卫星通讯和电子对抗等高科技技术的快速发展，对微波隔离器提出更高的要求，要求其具有高的工作频段、宽的工作频带和工作温度范围、小的器件体积以及易与平面电路集成等特点。
市面上存在多种类型的铁氧体隔离器，谐振隔离器是其中应用较为广泛的一种，谐振隔离器是依据铁氧体在旋磁共振点附近，前反向传播的电磁波具有不同的衰减常数的效应来构建的。谐振隔离器通常由放置在波导内一侧的铁氧体片或条构成，根据铁氧体片或条放置的取向不同，分为E面和H面结构。相比于E面结构，H面隔离器与波导的接触面积更大，能够容纳更大的功率。E面/H面隔离器的隔离度与铁氧体片或条的长度成正比，这意味着为获得较大的隔离度需要增加隔离器的长度。在波导两侧对称放置铁氧体片或条可以减小隔离器的长度，但传统的铁氧体隔离器无法实现自偏置，通常均需外加永磁铁来提供偏置场，且波导两侧需施加相反方向的外磁场，这在实际生产中是较难实现的，故而市面上很少出现在波导两侧对称加载铁氧体片或条的隔离器，多为在波导一侧加载1或2个铁氧体片或条。同时外加的永磁铁也会增加隔离器的重量和体积，阻碍隔离器小型化的发展。
应用于高频段的铁氧体隔离器常采用矩形波导加载，这种结构的隔离器往往体积庞大，难以与平面电路集成，且由于高介电常数的介质片的引入会降低高次模截止频率，影响工作带宽，不能满足实际应用对宽频带、小型化、集成化、高性能隔离器的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能工作在X波段的具有宽的工作频带，易于集成的小体积高性能隔离器。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，基于磁性纳米线阵列的基片集成波导(SIW)的H面自偏置隔离器，其特征在于，包括SIW传输线和置于传输线内的4片有序软磁纳米线阵列条，SIW传输线包括介质基板，介质基板材料的介电常数介于8-16之间，介质基板的上表面和下表面分别设有金属层，设置于介质基板内的两排平行的导电通孔构成波导的两个通孔边；有序软磁纳米线阵列条为长条状，设置于基板与表面金属层之间，且贴附于上下表面金属层，有序软磁纳米线阵列条的长边与波导的两个通孔边平行，靠近波导一侧通孔边的两片有序软磁纳米线阵列条的自发磁化方向为向上，靠近波导另一侧通孔边的两片有序软磁纳米线阵列条的自发磁化方向为向下。
进一步的，有序软磁纳米线阵列条共4条，分为两组，每组两条，两个组为左右对称设置，每一组中的有序软磁纳米线阵列条上下对称设置。
构成有序软磁纳米线阵列条的有序软磁纳米线长度为40-160um，材料为Fe、Co、Ni、含Fe的合金、含Co的合金或者含Ni的合金。
所述有序软磁纳米线阵列条是通过电化学沉积法在多孔氧化铝模板中沉积有序软磁纳米线阵列得到。多孔氧化铝模板厚度为50-200um，孔洞直径为60-150nm，孔隙比为50-80％。
本发明的有益效果是提出一种可工作在高频段的基于基片集成波导的自偏置微波隔离器。这种隔离器具有体积小，结构简单，加工容易，易与平面微波电路集成等优势。
附图说明
图1为本发明的结构示意图(立体图)。
图2为本发明的结构示意图(正视图)。
图3为氧化铝模板中沉积铁(Fe)有序纳米线阵列的磁导率谱和介电常数谱，该数据来源于有序Fe纳米线阵列的高频性能实测数据；
图4为多孔氧化铝模板的扫面电镜(SEM)图像
图5为沉积有Fe纳米线阵列的样品纵向剖面(SEM图像)；
图6为X波段自偏置隔离器S参数仿真结果曲线图；
图7为X波段自偏置隔离器的驻波比曲线图；
图8为X波段自偏置隔离器的基模和高次模传播常数曲线图。
具体实施方式
本发明包括一段SIW传输线和对称放置于传输线基板内的4片有序软磁纳米线阵列条。其SIW传输线包括介质基板、介质基板的上表面和下表面的导电金属层、介质基板内左右两侧的导电通孔；两排导电通孔构成波导的两个边，本文称为通孔边。有序软磁纳米线阵列条为长方体结构，内嵌于基板内，分别贴附在上下表面金属层，并与导电通孔平行，其中左侧2片阵列条自发磁化方向朝上，右侧2片阵列条自发磁化方向朝下。
有序软磁材料纳米线阵列条是通过电化学沉积法在多孔氧化铝模板中沉积软磁材料(如铁、钴、镍及其合金)得到，软磁材料和多孔氧化铝模板作为一个整体使用，该材料在旋磁共振点附近，前反向传播的电磁波具有不同的衰减常数，利用此效应可制备隔离器，该材料的旋磁共振点频率即为隔离器的工作频率。
有序软磁纳米线阵列条具有较大各向异性场和较大剩磁比，在不施加外磁场的情况下磁矩即能沿纳米线方向一致取向，即能实现自偏置。其在自发磁化状态下的旋磁共振点达数GHz到数十GHz，可用于制备高频段的隔离器。尽管软磁材料大多为良导体，但因纳米线的几何尺寸远小于趋肤深度而具有较小的涡流损耗。
所用多孔氧化铝模板厚度为50-200um，孔洞直径为60-150nm，孔隙比为50-80％；有序软磁材料纳米线长度为40-160um，材料为Fe,Co,Ni及其合金。
通过控制基片集成波导的尺寸，使其在工作频段内仅能传播TE10模式的电磁波，基片集成波导可等效为矩形波导,其等效公式为：a＝w-1.08d^2/s+0.1d^2/w，其中a为矩形波导宽度，w为基片集成波导宽度，s为基片集成波导导电通孔间距，d为基片集成波导导电通孔直径，考虑加工，衰减及能量泄漏等特性，基本尺寸应满足：s/d<2,d/w<0.1。介质基板材料的介电常数介于8-16之间，该介电常数与软磁材料纳米线阵列条的介电常数接近，可有效降低反射损耗。
改变两侧导电铜孔的间距以及有序软磁纳米线阵列条的旋磁共振点可以设计出不同工作频段的微波隔离器，旋磁共振点可通过选用不同孔隙比的多孔氧化铝模板或沉积不同软磁材料来获得。
实施例：
现用一个工作在X波段的，工作频带为9.1-10GHz的基于基片集成波导的H面自偏置隔离器为例进一步阐述。本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对本发明的各种形式的等价修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本实施例提供一种基于基片集成波导加载有序软磁纳米线阵列的自偏置微波隔离器，如图1、2所示，包括上表面和下表面金属层1、导电通孔2、介质基板3和4片有序软磁纳米线阵列条4。
本发明所用有序软磁纳米线阵列为由电化学沉积法在厚度为70um，孔隙比为60％的多孔氧化铝模板中沉积Fe纳米线而制得，并测得纳米线长度约为60um，直径约为85nm，剩磁(4πMr)为4200高斯(Gauss)，磁化率谱和介电常数谱如图3所示。
各部分参数如下：
上下表面金属层的厚度为0.1mm，宽度为8mm，材料为铜；
介质基板材料为RO3010，介电常数为10.2；
导电通孔高度为0.5mm，直径为0.6mm，孔间距为1mm，波导宽度w为7.28mm；
有序软磁纳米线阵列条长度l为10mm，宽度为0.5mm，厚度为0.1mm，相邻阵列条的间距u为2.5mm，左侧2片阵列条的自发磁化方向朝上，右侧2片阵列条的自发磁化方向朝下。
结合图1、2，通过上述参数即可在HFSS中构建模型，仿真结果如图6-8所示，该隔离器在9.1GHz～10GHz的***损耗为-0.72dB-0.86dB,隔离度为-20dB～-31dB，驻波比约为1.1，工作带宽为0.9GHz，在X波段内均未出现高次模。结果表明，该隔离器具有较小的体积，体积仅为10mm×8mm×0.7mm，同时具有优异的隔离性能和工作带宽。

Claims (4)

1.软磁纳米线阵列的基片集成波导H面自偏置隔离器，其特征在于，包括SIW传输线和置于传输线内的4片有序软磁纳米线阵列条，SIW传输线包括介质基板，介质基板材料的介电常数介于8-16之间，介质基板的上表面和下表面分别设有金属层，设置于介质基板内的两排平行的导电通孔构成波导的两个通孔边；有序软磁纳米线阵列条为长条状，设置于基板与表面金属层之间，且贴附于上下表面金属层，有序软磁纳米线阵列条的长边与波导的两个通孔边平行，靠近波导一侧通孔边的两片有序软磁纳米线阵列条的自发磁化方向为向上，靠近波导另一侧通孔边的两片有序软磁纳米线阵列条的自发磁化方向为向下；
有序软磁纳米线阵列条分为两组，每组两条，两个组为左右对称设置，每一组中的有序软磁纳米线阵列条上下对称设置。
2.如权利要求1所述的软磁纳米线阵列的基片集成波导H面自偏置隔离器，其特征在于，构成有序软磁纳米线阵列条的有序磁性纳米线长度为40-160um，材料为Fe、Co、Ni、含Fe的合金、含Co的合金或者含Ni的合金。
3.如权利要求1所述的软磁纳米线阵列的基片集成波导H面自偏置隔离器，其特征在于，所述有序软磁纳米线阵列条是通过电化学沉积法在多孔氧化铝模板中沉积有序磁性纳米线阵列得到。
4.如权利要求3所述的软磁纳米线阵列的基片集成波导H面自偏置隔离器，其特征在于，多孔氧化铝模板厚度为50-200um，孔洞直径为60-150nm，孔隙比为50-80％。
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