專利名稱：一種膜片集成式微帶鐵氧體環(huán)行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于固體電子器件中的微波器件生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種利用膜片鐵 氧體集成的微帶鐵氧體環(huán)行器。
背景技術(shù)：
鐵氧體環(huán)行器是一種非互易性的多端口微波器件，具有沿著特定方向傳輸微波信號(hào)、 而反方向隔離的特性；在微波通信、電子對抗、微波測量、相控陣?yán)走_(dá)T/R組件等系統(tǒng)中 有著重要的作用。如在移動(dòng)通信的基站和移動(dòng)系統(tǒng)中，鐵氧體環(huán)行器主要作為收、發(fā)電路 與天線連接的共用裝置；在發(fā)射和接收系統(tǒng)中作為功率放大器、開關(guān)放大器的輸入和輸出 隔離以及在測量系統(tǒng)中起去耦作用，以達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)、提高其穩(wěn)定性、可靠性的目的。 微波鐵氧體環(huán)行器作為一種分立元件，是采用一定形狀的鐵氧體和各種微波傳輸線構(gòu)成的 一種非互易性的多端口微波器件。傳統(tǒng)鐵氧體塊材結(jié)構(gòu)環(huán)行器如帶線結(jié)構(gòu)和微帶結(jié)構(gòu)環(huán)行 器的設(shè)計(jì)基本都是從H.Bosma等人的理論出發(fā)，大多采用將鐵氧體塊材嵌入基板的結(jié)構(gòu) 形式制作，這種結(jié)構(gòu)的的環(huán)行器雖然具有鐵氧體所占的比例較大，但體積亦大、很難直接 與微波電路集成；以其中體積相對較小的微帶結(jié)構(gòu)環(huán)行器為例，該環(huán)行器釆用八1203陶瓷 類介電質(zhì)材料或半導(dǎo)體材料作基板(片)，并在基板中開設(shè)圓孔，然后在該圓孔內(nèi)嵌入與 其孔徑及厚度相同的鐵氧體作為環(huán)行器芯片，最后在基板及鐵氧體芯片的上、下面鍍設(shè)高 電導(dǎo)率金屬膜和接地膜，分別作為環(huán)行器的中心結(jié)及其匹配段和接地膜，其中中心結(jié)的形
狀與鐵氧體芯片相同、而匹配段位于基板上。此種類微帶結(jié)構(gòu)的鐵氧體環(huán)行器由于在Al203
陶瓷基板中心孔內(nèi)嵌入鐵氧體塊材，導(dǎo)致環(huán)行器存在厚度及體積大、不能用于微波電路的 集成，而且鐵氧體與基板中心孔的結(jié)合強(qiáng)度差等缺陷。隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)向小型化、輕量 化、高可靠的方向發(fā)展，對微波鐵氧體微波環(huán)行器提出了小型化、平面化、可集成的要求， 以顯著降低系統(tǒng)的體積和重量，提高其可靠性。針對上述采用嵌入式微帶結(jié)構(gòu)的微波鐵氧 體環(huán)行器所存在的缺陷，并為了滿足其平面化、可集成等要求，有人又試圖采用基板+鐵 氧體膜片的結(jié)構(gòu)來制作環(huán)行器，即采用板體式基材(如A1203陶瓷、藍(lán)寶石或半導(dǎo)體材 料如GaAs等)作為支撐鐵氧體的基板，然后在其基板上印刷或?yàn)R射、沉積鐵氧體膜片； 這種結(jié)構(gòu)的環(huán)行器雖然具有可小型化和易于集成的優(yōu)點(diǎn)，
但由于此種環(huán)行器中鐵氧體膜片的厚度一般遠(yuǎn)小于基板的厚度，在基板與鐵氧體膜片所制 成的結(jié)構(gòu)體中鐵氧體所占的比例往往很小，且隨著鐵氧體膜片厚度的減小，環(huán)行器的性能將會(huì)隨之大幅降低；進(jìn)而導(dǎo)致這種結(jié)構(gòu)體的有效磁導(dǎo)率張量k/n大幅降低(其中k為鐵 氧體材料張量磁導(dǎo)率非對角分量，p為鐵氧體材料張量磁導(dǎo)率對角分量)，而根據(jù)環(huán)行器 的理論，當(dāng)結(jié)構(gòu)體的kV太小時(shí)，環(huán)行器的環(huán)行性能極弱、甚至失去環(huán)行性能；同時(shí)，當(dāng) k/n很小時(shí)、也使得結(jié)環(huán)行器的負(fù)載QL值(QL=n/V^k)很大、導(dǎo)致環(huán)行器的結(jié)阻抗很大， 從而又很難實(shí)現(xiàn)端口的阻抗匹配，也使環(huán)行器的環(huán)行性能極度降低、甚至失去環(huán)行性能。 反之，若加大結(jié)構(gòu)體中鐵氧體膜片的厚度、提高鐵氧體所占的比例，又不但增加了環(huán)行器 的厚度、不利于微波電路的集成，亦降低了鐵氧體膜片與其基板的結(jié)合強(qiáng)度。因而，背景 技術(shù)存在環(huán)行器的厚度和體積與環(huán)行性能之間難以協(xié)調(diào)的矛盾，仍難以滿足對環(huán)行器小型 化、平面化、可集成的要求等弊病。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在背景技術(shù)基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計(jì)一種膜片集成式微帶鐵氧體環(huán)行器，在 確保鐵氧體環(huán)行器性能和可靠性的條件下，有效減小其體積、厚度，達(dá)到小型化、平面化、 便于微波電路的集成等目的。
本發(fā)明的解決方案是在傳統(tǒng)的微帶微波環(huán)行器基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對在相同厚度下 基板與鐵氧體膜片所制成的結(jié)構(gòu)體中鐵氧體所占的比例往往很小，造成有效磁導(dǎo)率張量 k/p小，而采用加大鐵氧體膜片的厚度來提高結(jié)構(gòu)體中鐵氧體所占的比例、則有效磁導(dǎo)率 張量k4l在得到有效提高的同時(shí)，結(jié)構(gòu)體的厚度(體積)也將隨之大幅度增加，而不利于 微波電路的集成的缺陷。本發(fā)明在基板背面增設(shè)一與環(huán)行器的中心結(jié)相同形狀的凹槽，然 后在凹槽內(nèi)置入金屬或在凹槽內(nèi)表面覆蓋接地膜，以有效降低基板在結(jié)構(gòu)體中所占比例、 提高有效磁導(dǎo)率張量k/p、降低環(huán)行器的結(jié)阻抗，在確保鐵氧體環(huán)行器性能和可靠性的條 件下，有效減小其體積、厚度，從而實(shí)現(xiàn)其目的。因此，本發(fā)明集成式微帶鐵氧體環(huán)行器 包括介電質(zhì)或半導(dǎo)體基片，附著于基片上部的鐵氧體膜片，緊貼于鐵氧體膜片上的高電導(dǎo) 率中心結(jié)及其匹配段，位于基片底面的高電導(dǎo)率接地膜，關(guān)鍵在于在基片底面還開設(shè)有一 軸截面形狀與中心結(jié)相同的凹槽，且在凹槽內(nèi)置入了與凹槽腔體相同體積的高電導(dǎo)率金屬 塊或在凹槽內(nèi)表面覆蓋接地膜；高電導(dǎo)率金屬塊與凹槽腔體的內(nèi)壁緊固成一體，而接地膜 則緊貼于該高電導(dǎo)率金屬塊及基片底面或基片底面和凹槽內(nèi)表面。
上述介電質(zhì)或半導(dǎo)體基片中介電質(zhì)基片為藍(lán)寶石或A1203陶瓷基片，半導(dǎo)體基片則 為GaAs。所述在基片底面還開設(shè)有一凹槽，凹槽槽底距基片上表面20~60Mm (即槽底部 位基片的厚度)。而所述附著于基片上部的鐵氧體膜片，其膜片厚為3 80Wn，其附著方法 則采用脈沖激光沉積或磁控濺射、或絲網(wǎng)印刷方式將鐵氧體附著于基片上。所述高電導(dǎo)率 金屬為Au (金)或Ag (銀)、Cu (銅)、Pt(鉑)。
本發(fā)明由于在基板背面增設(shè)了一與環(huán)行器的中心結(jié)形狀相同的凹槽，并在凹槽內(nèi)置入
4高電導(dǎo)率金屬或在其內(nèi)表面覆蓋接地膜，在相同厚度(體積)鐵氧體的條件下有效降低了
基板在結(jié)構(gòu)體中所占比例，而有效磁導(dǎo)率張量k4i得到大幅度提高，而環(huán)行器的結(jié)阻抗則
大幅度降低；反之，在相同性能的前提下鐵氧體的厚度則可較大幅度降低。因而本發(fā)明具 有在確保鐵氧體環(huán)行器的性能和可靠性的前提下，可有效減小其體積、厚度；實(shí)現(xiàn)小型化、 平面化、便于微波電路的集成，促進(jìn)單片微波集成電路發(fā)展等特點(diǎn)。


圖l.為本發(fā)明集成式微帶鐵氧體環(huán)行器結(jié)構(gòu)示意圖2.為本發(fā)明實(shí)施例1集成式微帶鐵氧體環(huán)行器各部件展開狀態(tài)示意圖； 圖3.為實(shí)施例1微波特性的有限元仿真結(jié)果座標(biāo)對比示意圖； 圖4.為本發(fā)明實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖(A-A視圖)。
圖中1.基片，2.鐵氧體膜片，3.中心結(jié)，4.匹配段，5.接地膜，6.(基板)凹槽， 7.高電導(dǎo)率金屬塊。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l:圖2.為本實(shí)施例環(huán)行器各部件展開狀態(tài)示意圖，基片l采用八1203陶瓷材 料，其厚度為200Mm(微米)，相對介電常數(shù)為9.8;其底部凹槽6半徑R880陶、槽深150Mm，； 鐵氧體膜片2為鋇鐵氧體、厚度為10湘、飽和磁化強(qiáng)度為2500Gs、相對介電常數(shù)為15、 鐵氧體薄膜受到的偏置磁場為106A/m，；中心結(jié)3、匹配段4、接地膜5均為厚度為3Mra 的金(Au)膜，其中，中心結(jié)3采用圓形、半徑為R880Mm，匹配段4均采用內(nèi)端寬、外 端窄的寬窄不同的兩節(jié)線、其寬度和長度分別為400Wn、 200Mm及160Mm 、 940Mm;高電 導(dǎo)率金屬塊7采用銀(Ag)、其半徑與中心結(jié)3的半徑相同亦為880Mm、其厚為150微米。
本實(shí)施例環(huán)行器的制作方法為凹槽6采用激光刻蝕而成；鐵氧體膜片2采用磁控濺 射工藝將其牢固附著于基片1的上表面；高電導(dǎo)率金屬塊7是將銀(Ag)粉置于凹槽6 內(nèi)采用高溫火焰吹熔后、在凹槽6內(nèi)冷卻而成；然后將帶鐵氧體膜片2及高電導(dǎo)率金屬塊 7的基片1送入蒸鍍裝置內(nèi)在其上、下兩面(鐵氧體膜片2及高電導(dǎo)率金屬塊7和基片1 的底面)進(jìn)行鍍金處理，最后采用光刻工藝將鐵氧體膜片2上多余的金膜除去，即成。
本實(shí)施例所制得的環(huán)行器與相同性能的背景技術(shù)相比、可降低厚度20%左右；采用有 限元軟件對其進(jìn)行電磁特性仿真試驗(yàn)，其結(jié)果如圖3所示即在29GHz左右，隔離大于 30dB，而插入損失小于ldB，可見本發(fā)明環(huán)行器具有優(yōu)異的環(huán)行性能。
實(shí)施例2:圖4.為本實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖，基片1及其凹槽6、鐵氧體膜片2、中心 結(jié)3、匹配段4均與實(shí)施例1相同，該實(shí)施例在基片1的底面和凹槽6的內(nèi)表面均蒸鍍3Mra 厚的金膜，而省i金屬塊(Ag) 7以節(jié)約部分貴金屬并進(jìn)一步降低重量。
權(quán)利要求
1.一種膜片集成式微帶鐵氧體環(huán)行器，包括介電質(zhì)或半導(dǎo)體基片，附著于基片上部的鐵氧體膜片，緊貼于鐵氧體膜片上的高電導(dǎo)率中心結(jié)及其匹配段，位于基片底面的高電導(dǎo)率接地膜，其特征在于在基片底面還開設(shè)有一軸截面形狀與中心結(jié)相同的凹槽，且在凹槽內(nèi)置入了與凹槽腔體相同體積的高電導(dǎo)率金屬塊或在凹槽內(nèi)表面覆蓋接地膜；高電導(dǎo)率金屬塊與凹槽腔體的內(nèi)壁緊固成一體，而接地膜則緊貼于該高電導(dǎo)率金屬塊及基片底面或基片底面和凹槽內(nèi)表面。
2. 按權(quán)利要求1所述膜片集成式微帶鐵氧體環(huán)行器，其特征在于所述介電質(zhì)或半導(dǎo)體基片中介電質(zhì)基片為藍(lán)寶石或Al203陶瓷基片，而半導(dǎo)體基片則為GaAs。
3. 按權(quán)利要求1所述膜片集成式微帶鐵氧體環(huán)行器，其特征在于所述在基片底面還開設(shè)有一凹槽，凹槽槽底距基片上表面30 60Mrn。
4. 按權(quán)利要求1所述膜片集成式微帶鐵氧體環(huán)行器，其特征在于所述附著于基片上部的鐵氧體膜片，其膜片厚為3~20Mm;而其附著的方法則采用脈沖激光沉積或磁控濺射、或絲網(wǎng)印刷方式將鐵氧體附著于基片上。
5. 按權(quán)利要求1所述膜片集成式微帶鐵氧體環(huán)行器，其特征在于所述高電導(dǎo)率金屬為Au或Ag、 Cu、 Pt。
全文摘要
該發(fā)明屬于固體電子器件中的集成式微帶鐵氧體環(huán)行器，包括底部設(shè)有凹槽的介電質(zhì)或半導(dǎo)體基片及設(shè)于凹槽內(nèi)的高電導(dǎo)率金屬塊或接地膜，附著于基片上部的鐵氧體膜片，緊貼于鐵氧體膜片上的高電導(dǎo)率中心結(jié)及其匹配段，位于基片底面的高電導(dǎo)率接地膜。該環(huán)行器由于在基片底面增設(shè)了凹槽，并在凹槽內(nèi)置入了與其相同體積的金屬塊或在其內(nèi)表面覆蓋接地膜，其有效磁導(dǎo)率張量k/μ得到大幅度提高，而結(jié)阻抗則大幅度降低，在相同性能的前提下與背景技術(shù)相比、環(huán)行器的體積、厚度則可有效降低；從而具有在確保鐵氧體環(huán)行器的性能和可靠性的前提下，可有效減小其體積、厚度；實(shí)現(xiàn)小型化、平面化、便于微波電路的集成，促進(jìn)單片微波集成電路發(fā)展等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01P1/32GK101667673SQ20091016773
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月23日
發(fā)明者張萬里, 張文旭, 斌 彭, 淵 汪, 蔣洪川 申請人:電子科技大學(xué)