低溫c波段寬溫區(qū)寬帶微波隔離器及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線通信領(lǐng)域，具體為一種基于低溫鐵氧體技術(shù)的非互易低溫C波段 寬溫區(qū)寬帶隔離器及其在射電天文、衛(wèi)星通訊及超導(dǎo)雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 微波隔離器是基于微波鐵氧體材料在直流偏置磁場(chǎng)和射頻磁場(chǎng)的共同作用下實(shí) 現(xiàn)的一種單向傳輸?shù)臒o(wú)源器件，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)接收機(jī)、無(wú)線通信領(lǐng)域，是接收機(jī)前端系統(tǒng) 的關(guān)鍵器件之一。隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星通訊在國(guó)防和民用領(lǐng)域越來(lái)越發(fā)揮著重 要的作用，超導(dǎo)雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)也得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，同時(shí)民用CDM等移動(dòng)通訊基站 也逐漸采用低溫超導(dǎo)接收機(jī)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都對(duì)微波器件有著更苛刻的要求，要求微波器 件能夠工作在較低的環(huán)境溫度；另一方面，在射電天文領(lǐng)域，無(wú)論是空間目標(biāo)探測(cè)、射電譜 線觀測(cè)等都需要超高靈敏度的接收機(jī)系統(tǒng)，為提高接收機(jī)的靈敏度，必須使用工作于低溫 的超導(dǎo)混頻器和低噪聲HEMT放大器，而超導(dǎo)混頻器和低噪聲放大器之間的阻抗失配會(huì)引 起駐波，從而降低超導(dǎo)混頻器的靈敏度，需要工作于低溫的微波隔離器來(lái)實(shí)現(xiàn)級(jí)間的阻抗 匹配，提高接收機(jī)的靈敏度，因此低溫微波隔離器也是低溫接收機(jī)系統(tǒng)前端不可缺少的關(guān) 鍵器件之一；與此同時(shí)，為提高頻段利用率，提高通訊效率，無(wú)論是軍事國(guó)防領(lǐng)域的衛(wèi)星通 訊以及民用通訊領(lǐng)域，接收機(jī)系統(tǒng)日益寬帶化的發(fā)展對(duì)器件的寬帶化要求也越來(lái)越高，射 電天文領(lǐng)域的大規(guī)模的超導(dǎo)探測(cè)器及大規(guī)模超導(dǎo)陣列接收機(jī)的射頻和中頻帶寬也越來(lái)越 寬，對(duì)寬帶化的低溫隔離器需求也越來(lái)越大。
[0003] 國(guó)外對(duì)低溫隔離器研究比較早，上世紀(jì)六十年代R. L. Comstock和C. E. Fay 基于微波鐵氧體單晶和多晶YIG材料，實(shí)現(xiàn)了低溫4K窄帶隔離器研制，工作頻率 為 3.9GHz ~4.1GHz，(R. L. Comstock, C. E. Fay, "Performance and Ferrimagnetic Material Considerations in Cryogenic Microwave Devices, '，J. Appl. Phys. vol. 36, 1965, pp. 1253-1258.);隨后D. H. ROTH等人使用微波鐵氧體CVB材料進(jìn)行了低溫 隔離器的設(shè)計(jì)（D.H. ROTH, etc·, "Investigation of Ferrimagnetic Materials at Low Temperatures and Some Applications in Low-Noise Receivers,'，IEEE Transactions on Magnetics, vol. Mag-2, No. 3, 1966, pp. 256-259.)，也實(shí)現(xiàn)了低溫4K窄帶隔離器研制，工 作頻率為3. 3GHz~4. 3GHz，然而單晶或多晶YIG材料以及CVB材料其可實(shí)現(xiàn)的飽和磁化強(qiáng) 度4 π Ms值范圍較小，限制了其他工作頻率隔離器的設(shè)計(jì)。近年來(lái)，隨著更高靈敏度低噪聲 射電天文接收機(jī)、衛(wèi)星通訊及超導(dǎo)雷達(dá)接收機(jī)的日益發(fā)展與廣泛應(yīng)用，低溫隔離器的需求 也日益劇增，寬帶化要求也越來(lái)越高。對(duì)于超導(dǎo)混頻接收機(jī)來(lái)說(shuō)，低溫隔離器可以應(yīng)用于超 導(dǎo)混頻器和低溫低噪聲放大器之間；對(duì)半導(dǎo)體低溫接收機(jī)中可用于天線和放大器之間或第 一級(jí)放大器后，實(shí)現(xiàn)級(jí)間隔離、阻抗匹配的作用。低溫隔離器可以大大抑制級(jí)間失配引起的 駐波對(duì)混頻器等器件的影響，這對(duì)接收機(jī)整體性能有著重要的作用，所以低溫隔離器，尤其 是低溫寬帶隔離器對(duì)于低噪聲接收機(jī)而言是非常必要的。目前國(guó)內(nèi)對(duì)低溫寬溫區(qū)寬帶隔離 器的研究尚屬空白，因而對(duì)低溫寬溫區(qū)寬帶隔離器的研制成為低噪聲接收機(jī)領(lǐng)域迫切需要 解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供了一種低溫4K~120K下具有隔離度高，插入損耗 小，可以滿足低噪聲接收機(jī)系統(tǒng)前端需求的低溫C波段寬溫區(qū)寬帶微波隔離器。
[0005] 本發(fā)明具體方案如下： 一種低溫C波段寬溫區(qū)寬帶微波隔離器，包括鐵氧體，所述鐵氧體采用YCaAlSnIG材料 制成，YCaAlSnIG材料的主要成分含量如下：（計(jì)量單位：質(zhì)量百分?jǐn)?shù)％ ) 成分含量分析由南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心測(cè)得，使用儀器為X射線熒光譜儀。
[0006] 該材料300K時(shí)，飽和磁化強(qiáng)度為4 π Ms= 1240Gauss，120K時(shí)，飽和磁化強(qiáng)度為 4JiMs= 1620Gauss，4I^t4 3TMs= 1670Gauss〇
[0007] 上述隔離器的工作頻率范圍為4GHz~8GHz。
[0008] 本發(fā)明所述的隔離器為本領(lǐng)域常規(guī)使用的類型和結(jié)構(gòu)，包括波導(dǎo)型或微帶型的諧 振式隔離器或場(chǎng)移式隔離器以及法拉第旋轉(zhuǎn)式隔離器等，優(yōu)選雙Y結(jié)型環(huán)行器，進(jìn)一步優(yōu) 選雙Y結(jié)型大Y結(jié)長(zhǎng)度為5. 4mm，寬度為I. 64mm，小Y結(jié)長(zhǎng)度為3. 3mm，寬度為I. 3mm，鐵氧體 直徑為10. 8_，厚度為0. 98_，端口四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配線長(zhǎng)度為8. 7_，寬度為2. 3_， 可以實(shí)現(xiàn)低溫4K~120K下相對(duì)工作帶寬大于66%。
[0009] 本發(fā)明還提供了上述隔離器在低噪聲接收機(jī)前端、衛(wèi)星通訊及超導(dǎo)雷達(dá)接收機(jī)系 統(tǒng)中的應(yīng)用。
[0010] 微波鐵氧體用于微波隔離器中作為微波介質(zhì)材料，其重要參數(shù)是飽和磁化強(qiáng)度 4 31 Ms和相對(duì)介電常數(shù)e P決定著隔離器設(shè)計(jì)的頻段和內(nèi)部結(jié)電路尺寸。4 31 Ms溫度特性 由南京大學(xué)江蘇省納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得，使用的儀器為超導(dǎo)量子干涉儀。YCaAlSnIG系列材 料為YIG鐵氧體材料中進(jìn)行元素?fù)诫s得到，通過(guò)多元素對(duì)Fe3+的晶格位置取代可以得到不 同飽和磁化強(qiáng)度值的鐵氧體材料，而其相對(duì)介電常數(shù)變化比較小，不影響器件的尺寸設(shè)計(jì)， 同時(shí)由于材料中摻入了適當(dāng)?shù)腟n元素，相比一般的YAlIG材料而言，可有效降低材料的磁 損耗，有助于減小微波器件的插入損耗，然而對(duì)于同一系列材料而言，不同的組份含量對(duì)材 料的低溫下的磁參數(shù)影響比較大，且沒(méi)有可預(yù)見(jiàn)性，本發(fā)明對(duì)比了其中三種同系列的鐵氧 體材料，其中摻雜元素的含量不同，從而在常溫300K下表現(xiàn)出來(lái)的磁參數(shù)也不同。
[0011] YCaAlSnIG系列材料化學(xué)式為Y3 yCayFe5 x /IxSnyO12，根據(jù)X和y的取值 不同可以得到同系列的不同飽和磁化強(qiáng)度的鐵氧體材料，材料1-3的化學(xué)式分別為 丫2. 88。&0. 12?θ4 .28 Al〇. 6Sn 0. 12〇12, ^2.98。&0.02?63. 78八1!. 2Sn〇. 02 012和 Y 2.94〇已〇. Q6Fe3.9φΑ I i Sn0.06012。
[0012] 選取原WY2O3(純度 99.99% )，F(xiàn)e2O3 (純度 99% )，Al (OH)3 (純度 99%，其中含有 33 %水份），SnO2 (純度99. 5 % )，CaCO3 (純度98 % )，分別根據(jù)材料1-3的化學(xué)式中各元素 的摩爾比計(jì)算原料配比，材料1-3采用如下方法制備得到： 將配比后的粉料進(jìn)行球磨20小時(shí)，球磨后干壓成型，材料的預(yù)燒過(guò)程為70°C -400°C， 升溫速率為1.4°(：/1^11，400°(：-1100°(：，升溫速率為1.9°(：/1^11，并保溫5小時(shí)后隨爐自然 降溫；然后將預(yù)燒后的材料再進(jìn)行球磨20小時(shí)，球磨后使用10%含量的聚四氟乙烯（PVA) 粘合劑進(jìn)行造粒并干壓成型，壓強(qiáng)為6Mpa，然后再進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過(guò)程為70°C -400°C，升溫 速率為 1.4°C /min，400 °C -IKKTC，升溫速率為 1.9°C /min，1100 °C -1420 °C，升溫速率為 0. 7°C /min，保溫7小時(shí)，然后1420°C -1100°C，降溫速率為0. 7°C /m