[发明专利]基于磁性纳米线阵列的低插入损耗自偏置微带环形器

说明书

基于磁性纳米线阵列的低插入损耗自偏置微带环形器，属于微波无源器件领域，本发明包括微带Y结匹配线、中心有圆柱体通孔的六棱柱介质层、金属底电极和圆柱体中心结，其特征在于，所述圆柱形中心结包括顶层绝缘层和底层绝缘层，以及顶层绝缘层和底层绝缘层之间的至少两层纳米线阵列层，相邻的纳米阵列层之间为空气层。本发明环形器中心结采用三层以多孔氧化铝模板沉积的磁性纳米线阵列层，各层间以空气层隔开，实现了降低中心结整体介电常数的目的，其在微波频段X波段具有低的插入损耗和高的隔离度。

技术领域

本发明属于微波无源器件领域，具体涉及一种能应用在微波集成电路上的自偏置、低插入损耗的微波环形器设计。

背景技术

环形器是微波电路系统中不可或缺的器件之一，是一种具有定向传输特点的多端口非互易性器件。环形器的发展方向为小型化、高频段、宽频带。传统的铁氧体环形器无法实现自偏置，通常均需外加永磁铁来提供偏置场，这严重制约了环形器小型化的发展。因此，具有较大各向异性场和较大剩磁比，能够实现自偏置的磁性材料受到了广泛关注。其中基于纳米技术制备的软磁纳米线材料因具备以下优势成为环形器设计的新方向：1、具有较大的形状各向异性场，能使磁矩在纳米线长度方向上趋于一致从而实现自偏置的效果；2、具有较大的饱和磁化强度，能应用于更高频段；3、尽管软磁材料大多为良导体，但因纳米线的几何尺寸小于趋肤深度而具有较小的涡流损耗；4、可以通过制备不同几何尺寸的纳米线和材料种类(如Fe,Co,Ni及其合金)来拓宽工作频段。

目前，绝大多数人选用多孔氧化铝模板(AAO模板)和电化学沉积法来制备合金类的磁性纳米线阵列。因为该方法具有成熟的制备工艺，能获得高度有序的纳米线阵列，而且磁性纳米线的直径和长度可以在很大的范围内调节。此外，由于氧化铝模板材料具有低的介电损耗，这使得基于AAO纳米多孔模板成为开发新型自偏置磁性微波器件的理想介质材料。

已有的基于纳米线软磁材料设计的环形器均采用单层纳米线阵列结构，由于纳米线阵列本身的局限性而有较大的插入损耗。如M.Darques等人设计的基于单层NiFe纳米线阵列的环形器插入损耗接近-5dB，钟志勇等人设计的基于单层纳米线阵列的环形器在牺牲带宽和隔离度(带宽0.4GHz左右，隔离度最小值为-20.4dB)的情况下其插入损耗也仅在-2.3dB～-2.8dB。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有低插入损耗和相对大带宽的基于多层磁性纳米线阵列(如Fe,Co,Ni及其合金)的自偏置微带环形器。

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低插入损耗自偏置微带环形器，包括微带Y结匹配线、中心有圆柱体通孔的六棱柱介质层、金属底电极和圆柱体中心结，其特征在于，所述圆柱形中心结包括顶层绝缘层和底层绝缘层，以及顶层绝缘层和底层绝缘层之间的至少两层纳米线阵列层，相邻的纳米阵列层之间为空气层，空气层中有体积可忽略的、仅起支撑作用垫片。

进一步的，所述纳米线阵列层包括软磁纳米线阵列和多孔氧化铝模板，软磁纳米线阵列设置于多孔氧化铝模板的纳米孔洞中；多孔氧化铝模板厚度为50-200um，孔隙比为50-80％，纳米孔洞直径为50-120nm，所用软磁纳米线长度为40-160um，材料为Fe,Co,Ni及其合金。

更进一步的，多孔氧化铝模板厚度为70um；纳米孔洞直径80nm，孔隙比为60％，所用纳米线材料为α-Fe，长度为60um。

所述微带Y结匹配线的厚度5um,外臂长度2.8mm,外臂宽度0.65mm，内臂长度2.8mm，内臂宽度1.9mm，内圆半径2mm，材料为铜；

所述介质层的厚度250um，六棱柱内切圆半径7.6mm，内圆柱体通孔半径2mm，材料为聚四氟乙烯，型号为Rogers RO3003；

所述金属底电极设置于介质层和中心结底面，材料为铜；