CN115995664A - 一种基于共面波导的yig薄膜谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于共面波导的YIG薄膜谐振器,它包括基板、YIG薄膜、开口谐振环、共面波导;所述YIG薄膜和开口谐振环设置在基板的顶面,所述开口谐振环位于YIG薄膜外侧,并围绕YIG薄膜一周;所述共面波导设置在基板的底面。该谐振器利用YIG薄膜来代替现有的YIG小球,进而无需调节晶向,简化电路装配过程,减少了装配时间,YIG薄膜更方便安装在平面电路板上。
Description
技术领域
本申请涉及射频微波技术领域,尤其涉及一种基于共面波导的YIG薄膜谐振器。
背景技术
钆镓石榴石简称“GGG”,钇铁石榴石简称“YIG”。
钇铁石榴石(YIG)是一种微波旋磁材料,其兼具有绝缘特性和旋磁特性,通过改变施加在YIG薄膜上的偏置磁场可以在超宽带的频带范围内改变YIG材料中的旋磁张量,进而影响薄膜中的电磁场特性,因此YIG薄膜具有超宽带磁调特性。使用YIG薄膜制作而成的谐振器便能够通过调节YIG薄膜上的偏置磁场从而改变其谐振频率。
YIG谐振器是一种性能优异的可调谐器件,其具有无与伦比的超倍频程调谐范围,同时具有极低的损耗和极高的无载品质因子。YIG谐振器可以被用于YIG调谐滤波器和YIG调谐振荡器的设计制作中。使用YIG谐振器设计的滤波器和振荡器能进行超倍频程的调谐,从而广泛应用于超宽带的仪器仪表当中,是高性能仪器仪表射频前端必不可少的关键器件。
现有的YIG谐振器一般采用YIG小球结构,YIG小球为YIG材料经过切割以后成为边长1.5mm左右的立方体小颗粒,经过成球设备加工后变成YIG小球,YIG小球再经过抛光后才能成为合格的器件材料。
YIG小球结构在电路装配过程中较为困难,在装配时需要反复调整小球的角度来确定YIG小球的晶向以达到最好的性能,整个装配过程复杂,耗时长,也不方便将球面安装在平面电路板上。
发明内容
本发明的目的在于:针对上述存在的问题,提供一种基于共面波导的YIG薄膜谐振器,该谐振器利用YIG薄膜来代替现有的YIG小球,进而无需调节晶向,简化电路装配过程,减少了装配时间,YIG薄膜更方便安装在平面电路板上。
本发明采用的技术方案如下:
一种基于共面波导的YIG薄膜谐振器,它包括基板、YIG薄膜、开口谐振环、共面波导;所述YIG薄膜和开口谐振环设置在基板的顶面,所述开口谐振环位于YIG薄膜外侧,并围绕YIG薄膜一周;所述共面波导设置在基板的底面。
进一步的,所述共面波导包括设置在基板底面上的共面波导中心导体和两个共面波导接地导体;所述共面波导中心导***于开口谐振环的下方;两个共面波导接地导体分别对称设置在共面波导中心导体的两侧,并与共面波导中心导体间隔设置。
进一步的,所述共面波导中心导体的顶面与基板的底面相连,在水平方向上,所述开口谐振环的几何中心位于共面波导中心导体的顶面区域内。
进一步的,所述开口谐振环的几何中心与共面波导中心导体的几何中心在竖直方向上重合。
进一步的,所述YIG薄膜外侧设置有一个开口谐振环,所述YIG薄膜的几何中心与开口谐振环的几何中心在竖直方向上重合。
进一步的,所述YIG薄膜外侧设置有多个开口谐振环,多个开口谐振环在基板顶面上形成同心环;所述YIG薄膜的几何中心与同心环的几何中心在竖直方向上重合。
进一步的,所述开口谐振环的形状与YIG薄膜的形状相匹配。
进一步的,所述YIG薄膜设置在GGG基片底部,所述YIG薄膜的底面设置在基板顶面上。
进一步的,所述GGG基片顶部还设置有YIG薄膜。
进一步的,所述YIG薄膜通过液相外延生长的方式生长在GGG基片上,所述YIG薄膜为单晶结构。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果至少包括以下之一:
1、本发明的基于共面波导的YIG薄膜谐振器利用YIG薄膜来代替现有的YIG小球,由于YIG薄膜为平面化结构,因此在装配时,则不再需要在反复调整YIG薄膜的角度来确定晶向,进而简化了整个电路装配过程,减少了装配时间,同时,YIG薄膜为平面化结构,YIG薄膜能够更加方便的安装在平面电路板上。
2、本发明的基于共面波导的YIG薄膜谐振器利用开口谐振环直接对YIG薄膜进行激励,减小了杂波的激励,能有效抑制YIG薄膜中的高次模式。
3、共面波导结构较其他类型的平面传输电路而言,其具有左右对称的接地平面,使得电磁场可以在更高的频率下维持准TEM模的模式,准TEM模具有线性的色散特性,频响特性更加优越,加之共面波导具有更小的辐射损耗,使得整体器件能够工作在更高的频段范围内。共面波导本身能够维持单一的准TEM模式,而不产生其他高次模式的特性,也可以使在开口环上激励起射频电流的分布更加的均匀,从而静磁波的高次模式不会被激起,使得整体器件的杂波抑制能力得到优化。
4、通过液相外延生长的方式来设置YIG薄膜,能够便于调节YIG薄膜的厚度,进而能够有效的调节YIG薄膜与共面波导结构之间的耦合能量强度,降低了超宽带谐振器的设计难度。
5、采用液相外延生长的YIG薄膜为单晶结构,其生长时可按照作为衬底的GGG基片的晶向进行生长,完成生长后YIG单晶薄膜具有单一的固定晶向,装配时无需额外进行晶向的调节,便于装配和调试的实施。按照YIG的温度稳定轴晶向生长的YIG单晶薄膜,具有更好的温度性能,能够使最终器件的温漂特性得到改善。且YIG单晶结构具有良好的晶格,内部缺陷少,杂质分布均匀,应力小,因而YIG单晶薄膜具有更低的铁磁共振损耗,有利于降低器件的损耗,提高器件的品质因子。
附图说明
图1 为本发明的立体图;
图2 为本发明的俯视图;
图3 为本发明的仰视图;
图4 为YIG薄膜设置在GGG基片底部的结构图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施方式中的附图,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方式是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1~4所示,本发明公开了一种基于共面波导的YIG薄膜谐振器,它包括基板4、YIG薄膜1、开口谐振环3、共面波导;所述YIG薄膜1和开口谐振环3设置在基板4的顶面,所述开口谐振环3位于YIG薄膜1外侧,并围绕YIG薄膜1一周;所述共面波导设置在基板4的底面。
由于上述结构,由于YIG薄膜1为平面化结构,因此在装配时,则不再需要在反复调整YIG薄膜1的角度来确定晶向,进而简化了整个电路装配过程,减少了装配时间,同时,YIG薄膜1为平面化结构,YIG薄膜1能够更加方便的安装在平面电路板上。
由于上述结构,当加入垂直于YIG薄膜1的外加偏置磁场后,开口谐振环3将会与YIG薄膜1耦合,当共面波导接收外部输入信号产生电磁场,开口谐振环3在电磁场的作用下激起射频电流,在外加偏置磁场作用下,开口谐振环3上的射频电流激励YIG薄膜1产生静磁波谐振。谐振频率可由施加在YIG薄膜1上的偏置磁场大小决定。
共面波导结构较其他类型的平面传输电路而言,其具有左右对称的接地平面,使得电磁场可以在更高的频率下维持准TEM模的模式,准TEM模具有线性的色散特性,频响特性更加优越,加之共面波导具有更小的辐射损耗,使得整体器件能够工作在更高的频段范围内。共面波导本身能够维持单一的准TEM模式,而不产生其他高次模式的特性,也可以使在开口环上激励起射频电流的分布更加的均匀,从而静磁波的高次模式不会被激起,使得整体器件的杂波抑制能力得到优化。
进一步的,所述共面波导包括设置在基板4底面上的共面波导中心导体6和两个共面波导接地导体5;所述共面波导中心导体6位于开口谐振环3的下方;两个共面波导接地导体5分别对称设置在共面波导中心导体6的两侧,并与共面波导中心导体6间隔设置。
如图3所示,所述共面波导中心导体6和两个共面波导接地导体5呈板状,且所述面波导中心导体6和两个共面波导接地导体5在长度方向上的轴线彼此平行。
由于共面波导中心导体6位于开口谐振环3的下方,则共面波导中心导体6接收外部输入信号产生电磁场时,开口谐振环3能够充分的位于电磁场内,更有利于开口谐振环3产生射频电流,对称的电流分布能更好的抑制高次静磁模式的产生,从而获得更纯净的频谱谐振效果。
进一步的,所述共面波导中心导体6的顶面与基板4的底面相连,在水平方向上,所述开口谐振环3的几何中心位于共面波导中心导体6的顶面区域内,即开口谐振环3的几何中心不能位于共面波导中心导体6的顶面区域外。
由于开口谐振环3的几何中心位于共面波导中心导体6的顶面区域内,这样能够保证开口谐振环3充分的位于共面波导中心导体6产生的电磁场内。
最优的方式则为开口谐振环3的几何中心与共面波导中心导体6的几何中心在竖直方向上重合。这样能够减少杂波的激励,使YIG薄膜1产生的静磁波波形更加对称,从而能有效抑制YIG薄膜1中的高次模式。
YIG薄膜1外侧可以设置一个开口谐振环3,也可以设置多个开口谐振环3,例如设置成2个、3个或4个等;
当开口谐振环3设置成一个时,所述YIG薄膜1的几何中心与开口谐振环3的几何中心在竖直方向上重合,这样能够减少杂波的激励,使YIG薄膜1产生的静磁波波形更加对称,从而能有效抑制YIG薄膜1中的高次模式。
当开口谐振环3设置成多个时,多个开口谐振环3在基板4顶面上形成同心环;所述YIG薄膜1的几何中心与同心环的几何中心在竖直方向上重合,这样能够减少杂波的激励,使YIG薄膜1产生的静磁波波形更加对称,从而能有效抑制YIG薄膜1中的高次模式。
所述YIG薄膜1与开口谐振环3间隔设置,所述同心环为等间隔同心环,在同心环中,各开口谐振环3的开口位置可以任意设置。
为了保证开口谐振环3被共面波导激励,开口谐振环3尽可能要做的大一点,使开口谐振环3充分覆盖共面波导中心导体6较大的区域。当设置单个开口谐振环3时,开口谐振环3做的过大,则开口谐振环3与YIG薄膜1间的间隔就会扩大,进而影响开口谐振环3对YIG薄膜1的激励效果;为了减小YIG薄膜1与开口谐振环3间的间隔,则YIG薄膜1的尺寸需要增大,若YIG薄膜1的尺寸增大,则共面波导会直接激励YIG薄膜1,则杂波会产生的较多。当设置多个开口谐振环3,多个开口谐振环3能够充分覆盖共面波导中心导体6较大的区域,且YIG薄膜1位于同心环的内环中心,YIG薄膜1与内环的间隔较小,则没必要增大YIG薄膜1的尺寸,进而避免产生较多的杂波。
最优的设置方式,如图2所示,开口谐振环3的最优数量为两个,且内开口谐振环3和外开口谐振环3的开口处相差180°。
进一步的,所述开口谐振环3的形状与YIG薄膜1的形状相匹配,这样能够减少杂波的激励,使YIG薄膜1产生的静磁波波形更加对称,从而能有效抑制YIG薄膜1中的高次模式。
在本发明中,YIG薄膜1可以设置成圆形、正方形等。当YIG薄膜1可成圆形时,所有的开口谐振环3均为圆环,当YIG薄膜1可成正方形时,所有的开口谐振环3均为方形环。
进一步的,所述YIG薄膜1设置在GGG基片2底部,所述YIG薄膜1的底面设置在基板4顶面上。
具体实施时,所述YIG薄膜1是通过液相外延生长的方式生长在GGG基片2底部的;所述YIG薄膜1的底面使用非导电胶粘接在基板4顶面上。
GGG基片2用于固定YIG薄膜1,通过液相外延生长的方式来设置YIG薄膜1,能够便于调节YIG薄膜1的厚度,进而能够有效的调节YIG薄膜1与共面波导结构之间的耦合能量强度,降低了超宽带谐振器的设计难度。
采用液相外延生长的YIG薄膜1为单晶结构,其生长时可按照作为衬底的GGG基片2的晶向进行生长,完成生长后YIG单晶薄膜具有单一的固定晶向,装配时无需额外进行晶向的调节,便于装配和调试的实施。按照YIG的温度稳定轴晶向生长的YIG单晶薄膜,具有更好的温度性能,能够使最终器件的温漂特性得到改善。且YIG单晶结构具有良好的晶格,内部缺陷少,杂质分布均匀,应力小,因而YIG单晶薄膜具有更低的铁磁共振损耗,有利于降低器件的损耗,提高器件的品质因子。
进一步的,所述GGG基片2顶部还可以设置YIG薄膜1。即GGG基片2的顶部和底部都设置有YIG薄膜1。
液相外延生长过程中,GGG基片2是浸泡在熔液中的,则GGG基片2底面和顶面都会长出YIG薄膜1,采用双面结构,则不需要将顶面的YIG薄膜1去掉,能够简化工艺。
在本发明中,所述基板4为PCB板。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于共面波导的YIG薄膜谐振器,其特征在于:它包括基板(4)、YIG薄膜(1)、开口谐振环(3)、共面波导;所述YIG薄膜(1)和开口谐振环(3)设置在基板(4)的顶面,所述开口谐振环(3)位于YIG薄膜(1)外侧,并围绕YIG薄膜(1)一周;所述共面波导设置在基板(4)的底面。
2.根据权利要求1所述的基于共面波导的YIG薄膜谐振器,其特征在于:所述共面波导包括设置在基板(4)底面上的共面波导中心导体(6)和两个共面波导接地导体(5);所述共面波导中心导体(6)位于开口谐振环(3)的下方;两个共面波导接地导体(5)分别对称设置在共面波导中心导体(6)的两侧,并与共面波导中心导体(6)间隔设置。
3.根据权利要求2所述的基于共面波导的YIG薄膜谐振器,其特征在于:所述共面波导中心导体(6)的顶面与基板(4)的底面相连,在水平方向上,所述开口谐振环(3)的几何中心位于共面波导中心导体(6)的顶面区域内。
4.根据权利要求3所述的基于共面波导的YIG薄膜谐振器,其特征在于:所述开口谐振环(3)的几何中心与共面波导中心导体(6)的几何中心在竖直方向上重合。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于共面波导的YIG薄膜谐振器,其特征在于:所述YIG薄膜(1)外侧设置有一个开口谐振环(3),所述YIG薄膜(1)的几何中心与开口谐振环(3)的几何中心在竖直方向上重合。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的基于共面波导的YIG薄膜谐振器,其特征在于:所述YIG薄膜(1)外侧设置有多个开口谐振环(3),多个开口谐振环(3)在基板(4)顶面上形成同心环;所述YIG薄膜(1)的几何中心与同心环的几何中心在竖直方向上重合。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的基于共面波导的YIG薄膜谐振器,其特征在于:所述开口谐振环(3)的形状与YIG薄膜(1)的形状相匹配。
8.根据权利要求1所述的基于共面波导的YIG薄膜谐振器,其特征在于:所述YIG薄膜(1)设置在GGG基片(2)底部,所述YIG薄膜(1)的底面设置在基板(4)顶面上。
9.根据权利要求8所述的基于共面波导的YIG薄膜谐振器,其特征在于:所述GGG基片(2)顶部还设置有YIG薄膜(1)。
10.根据权利要求8或9所述的基于共面波导的YIG薄膜谐振器,其特征在于:所述YIG薄膜(1)通过液相外延生长的方式生长在GGG基片(2)上,所述YIG薄膜(1)为单晶结构。
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