靜磁表面波器件插入損耗分析
1 引言
隨著微波通訊、雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展，對系統(tǒng)靈敏度、帶寬及實(shí)時(shí)處理等功能的要求越來越高，從而對信號處理器件和微波鐵氧體材料的要求也越來越高。當(dāng)工作頻率達(dá)到微波高頻段時(shí)，常規(guī)的數(shù)字技術(shù)或表面聲波（SAW）器件已很難滿足需要，這時(shí)采用模擬技術(shù)的靜磁波（MSW）器件就將發(fā)揮其獨(dú)特的作用。靜磁表面波（MSSW）器件由于較易實(shí)現(xiàn)而在靜磁波器件占有很大的比重。但由于靜磁波器件是一種換能器件，且表面波器件信號在YIG薄膜表面?zhèn)鬏斠资芡饨缬绊?，從而會帶來更大的損耗[1]，這在很大程度上影響了靜磁波器件的實(shí)際應(yīng)用。如何降低靜磁表面波器件的插損一直是靜磁波器件研制者們非常關(guān)注的問題，降低靜磁表面波器件的插損一定會推動(dòng)其實(shí)用化進(jìn)程，使靜磁表面波器件的研究和應(yīng)用前景更為廣闊。
2 靜磁表面波器件中的換能器與YIG鐵磁薄膜
換能器與YIG鐵磁薄膜是靜磁波器件的主要組成部分，它們的設(shè)計(jì)和性能直接影響著器件的性能，它們對器件的插入損耗有著直接的影響。
2.1 換能器[2]
MSW換能器一般有四種類型：單條換能器(strip)、折線換能器（meander）、柵形換能器(grating)和叉指換能器（inert-finger）。單條換能器的特點(diǎn)是激勵(lì)頻帶寬，設(shè)計(jì)簡單，但帶通特性較差，歐姆電阻大；叉指換能器帶通特性好，中心頻率處損耗小，但激勵(lì)帶寬窄；多條換能器和折線換能器的性能介于單條換能器和叉指換能器之間，設(shè)計(jì)也很復(fù)雜。其中單條換能器由于其激勵(lì)頻帶寬、設(shè)計(jì)簡單，得到了廣泛的應(yīng)用，其色散特性和輻射電阻模擬曲線如圖1所示。
輻射電阻不為零時(shí)所對應(yīng)的頻率范圍為靜磁波可激勵(lì)范圍，即換能器的激勵(lì)帶寬，由圖1可知微帶激勵(lì)帶寬△f等于換能器輻射電阻最大值一半所對應(yīng)的兩個(gè)頻率的差值，這就為器件的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
換能器與YIG鐵磁薄膜是靜磁波器件的主要組成部分，它們的設(shè)計(jì)和性能直接影響著器件的性能，它們對器件的插入損耗有著直接的影響。
2.1 換能器[2]
MSW換能器一般有四種類型：單條換能器(strip)、折線換能器（meander）、柵形換能器(grating)和叉指換能器（inert-finger）。單條換能器的特點(diǎn)是激勵(lì)頻帶寬，設(shè)計(jì)簡單，但帶通特性較差，歐姆電阻大；叉指換能器帶通特性好，中心頻率處損耗小，但激勵(lì)帶寬窄；多條換能器和折線換能器的性能介于單條換能器和叉指換能器之間，設(shè)計(jì)也很復(fù)雜。其中單條換能器由于其激勵(lì)頻帶寬、設(shè)計(jì)簡單，得到了廣泛的應(yīng)用，其色散特性和輻射電阻模擬曲線如圖1所示。
輻射電阻不為零時(shí)所對應(yīng)的頻率范圍為靜磁波可激勵(lì)范圍，即換能器的激勵(lì)帶寬，由圖1可知微帶激勵(lì)帶寬△f等于換能器輻射電阻最大值一半所對應(yīng)的兩個(gè)頻率的差值，這就為器件的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
2.2 YIG鐵磁薄膜[2]
YIG（Y3Fe5O12）系列鐵磁薄膜是MSW的載體材料，屬于立方晶系，此系列包括純YIG和摻雜型YIG（如摻雜Ga、La、Te等）。MSW器件對材料的要求，一是有足夠的厚度，以保證適當(dāng)?shù)奈⒉ㄐ阅?；二是在保證功率容量的前提下固有損耗盡可能小；另外從器件的溫度特性考慮，還希望YIG薄膜在寬溫度范圍內(nèi)具有盡可能小的溫度系數(shù)。
制作YIG薄膜的方法一般分為氣相外延（VPE）和液相外延(LPE)，但由于氣相外延在YIG膜面上會產(chǎn)生很多缺陷，所以要得到高質(zhì)量的YIG薄膜一般都在GGG基片上采用液相外延制作。液相外延一般是將熔體加熱到1200℃并保溫一段時(shí)間，氧化鋁桿可帶動(dòng)鉑金支架和GGG基片在一定范圍內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，將GGG基片預(yù)熱一段時(shí)間后放入熔體中成膜，成膜結(jié)束后將基片架取出，高速旋轉(zhuǎn)，拋干凈基片上的殘液，再將基片放入稀硝酸中溶去助熔劑即可。
YIG薄膜的FMR線寬△H對器件插損影響很大，因?yàn)閭鬏敁p耗與其成正比，故要求晶格生長盡可能完好；另外靜磁波器件的溫度穩(wěn)定性主要由YIG薄膜的溫度特性和磁場的溫度特性共同決定，改善器件的溫度特性主要從這兩方面著手。近來國內(nèi)正在研制一種摻雜Te、 La等的YIG膜，利用它們的正負(fù)溫度系數(shù)抵消的特性實(shí)現(xiàn)薄膜的寬溫化，另外一種方法是利用與YIG薄膜溫度系數(shù)相反的永磁體產(chǎn)生磁場，將二者對溫度的影響互相抵消。
YIG（Y3Fe5O12）系列鐵磁薄膜是MSW的載體材料，屬于立方晶系，此系列包括純YIG和摻雜型YIG（如摻雜Ga、La、Te等）。MSW器件對材料的要求，一是有足夠的厚度，以保證適當(dāng)?shù)奈⒉ㄐ阅?；二是在保證功率容量的前提下固有損耗盡可能小；另外從器件的溫度特性考慮，還希望YIG薄膜在寬溫度范圍內(nèi)具有盡可能小的溫度系數(shù)。
制作YIG薄膜的方法一般分為氣相外延（VPE）和液相外延(LPE)，但由于氣相外延在YIG膜面上會產(chǎn)生很多缺陷，所以要得到高質(zhì)量的YIG薄膜一般都在GGG基片上采用液相外延制作。液相外延一般是將熔體加熱到1200℃并保溫一段時(shí)間，氧化鋁桿可帶動(dòng)鉑金支架和GGG基片在一定范圍內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，將GGG基片預(yù)熱一段時(shí)間后放入熔體中成膜，成膜結(jié)束后將基片架取出，高速旋轉(zhuǎn)，拋干凈基片上的殘液，再將基片放入稀硝酸中溶去助熔劑即可。
YIG薄膜的FMR線寬△H對器件插損影響很大，因?yàn)閭鬏敁p耗與其成正比，故要求晶格生長盡可能完好；另外靜磁波器件的溫度穩(wěn)定性主要由YIG薄膜的溫度特性和磁場的溫度特性共同決定，改善器件的溫度特性主要從這兩方面著手。近來國內(nèi)正在研制一種摻雜Te、 La等的YIG膜，利用它們的正負(fù)溫度系數(shù)抵消的特性實(shí)現(xiàn)薄膜的寬溫化，另外一種方法是利用與YIG薄膜溫度系數(shù)相反的永磁體產(chǎn)生磁場，將二者對溫度的影響互相抵消。
3 插入損耗分析
靜磁表面波器件的插入損耗主要由兩部分組成，一種是由換能器輻射電阻引起的換能損耗，另一種是由YIG薄膜引起的傳輸損耗。下面分別對兩種損耗予以分析。
3.1 換能損耗
計(jì)算換能損耗的傳輸線模型如圖2所示[3, 4]。如果假設(shè)A、C之間的物理長度與YIG薄膜中傳輸?shù)腗SSW的波長相比很小，且能量在加載了YIG介質(zhì)的微帶線上與未加載YIG部分的損耗相比很小。那么由A、B端指向C的輸入阻抗
可以表示為：
靜磁表面波器件的插入損耗主要由兩部分組成，一種是由換能器輻射電阻引起的換能損耗，另一種是由YIG薄膜引起的傳輸損耗。下面分別對兩種損耗予以分析。
3.1 換能損耗
計(jì)算換能損耗的傳輸線模型如圖2所示[3, 4]。如果假設(shè)A、C之間的物理長度與YIG薄膜中傳輸?shù)腗SSW的波長相比很小，且能量在加載了YIG介質(zhì)的微帶線上與未加載YIG部分的損耗相比很小。那么由A、B端指向C的輸入阻抗
可以表示為： 
Zin=Z0tanh(γ′L) （1）
這里γ′為傳播常數(shù)，
為未加載YIG的微帶線特性阻抗。在長度為L的微帶線上任取一小段微元dz，不考慮其阻抗特性，其等效傳輸線模型如圖3所示[3, 4]。圖中r代表單位長度的介質(zhì)損耗，L0和C0代表無損耗微帶線單位長度的電感和電容，特性阻抗
，Rm為單位長度的MSSW輻射電阻，且有
，其中
分別代表沿傳輸正負(fù)方向的輻射電阻[5]。其中：
這里γ′為傳播常數(shù)，
為未加載YIG的微帶線特性阻抗。在長度為L的微帶線上任取一小段微元dz，不考慮其阻抗特性，其等效傳輸線模型如圖3所示[3, 4]。圖中r代表單位長度的介質(zhì)損耗，L0和C0代表無損耗微帶線單位長度的電感和電容，特性阻抗，Rm為單位長度的MSSW輻射電阻，且有，其中分別代表沿傳輸正負(fù)方向的輻射電阻[5]。其中： 
式中：w為換能器線寬，t為YIG薄膜厚度，l1為介質(zhì)基片厚度，
代入輻射電阻表達(dá)式，可知Rm是頻率、磁場強(qiáng)度、薄膜的飽和磁化強(qiáng)度、YIG薄膜厚度、微帶線寬和介質(zhì)基片厚度的函數(shù)，即
，代入上述參數(shù)，即可計(jì)算換能器的輻射電阻。 利用傳輸線模型進(jìn)行插入損耗計(jì)算的完整的等效電路如圖4所示[3]。圖中Rg為電源內(nèi)阻，一般Rg=50Ω。因?yàn)椋?
由圖知：
將（3）~（7）式代入（2）式，得換能損耗：
3.2 MSSW的插入損耗分析
因?yàn)镸SSW的插入損耗＝換能損耗＋傳輸損耗，又YIG薄膜傳輸MSSW總的傳輸損耗為：
[1]，式中
的單位為A/m，
的單位為μs。
時(shí)，得到如圖5所示的模擬結(jié)果。
3.2 MSSW的插入損耗分析
因?yàn)镸SSW的插入損耗＝換能損耗＋傳輸損耗，又YIG薄膜傳輸MSSW總的傳輸損耗為：
[1]，式中的單位為A/m，的單位為μs。時(shí)，得到如圖5所示的模擬結(jié)果。
器件的插入損耗是衡量器件性能的重要指標(biāo)，所以研究各參數(shù)對器件插入損耗的影響就變得非常重要了。總體來說，當(dāng)器件的帶寬要求一定，即微帶寬度一定的情況下，插入損耗受靜磁波換能效率和薄膜的鐵磁共振線寬
的影響最大。下面模擬YIG薄膜對插入損耗的影響。
3.2.1 YIG薄膜厚度
當(dāng)微帶寬度w=0.18mm，H=7.164×104A/m (900Oe)，Ms=1.39×105A/m(1750Oe)，l1=0.5mm，
39.8A/m(0.5Oe)，YIG薄膜厚度t從0.02mm變化到0.08mm得到如圖6所示的模擬結(jié)果。
的影響最大。下面模擬YIG薄膜對插入損耗的影響。3.2.1 YIG薄膜厚度
當(dāng)微帶寬度w=0.18mm，H=7.164×104A/m (900Oe)，Ms=1.39×105A/m(1750Oe)，l1=0.5mm，
39.8A/m(0.5Oe)，YIG薄膜厚度t從0.02mm變化到0.08mm得到如圖6所示的模擬結(jié)果。 
3.2.2 YIG薄膜的鐵磁共振線寬
由圖6和圖7可見，插入損耗隨YIG薄膜厚度的增加而逐漸減小，當(dāng)YIG膜厚達(dá)到一定范圍以后趨于恒定；隨YIG薄膜
的增大而增大。所以在器件的實(shí)際制作過程中，適當(dāng)?shù)?/font>YIG膜厚度、小且位錯(cuò)缺陷少的YIG薄膜是靜磁薄膜波器件的首選。
由圖6和圖7可見，插入損耗隨YIG薄膜厚度的增加而逐漸減小，當(dāng)YIG膜厚達(dá)到一定范圍以后趨于恒定；隨YIG薄膜
的增大而增大。所以在器件的實(shí)際制作過程中，適當(dāng)?shù)?/font>YIG膜厚度、小且位錯(cuò)缺陷少的YIG薄膜是靜磁薄膜波器件的首選。 
4 靜磁表面波器件研制過程中的幾點(diǎn)體會
對實(shí)際制作的靜磁表面波器件來說，要達(dá)到小于6dB的插損是非常不易的，適當(dāng)減小器件插損須從以下幾個(gè)方面著手：
（1）選用高品質(zhì)YIG薄膜：鐵磁共振線寬盡可能小、具有適當(dāng)?shù)暮穸惹椅诲e(cuò)和缺陷要少；
（2）換能器設(shè)計(jì)合理準(zhǔn)確，制作精良；
（3）調(diào)節(jié)器件匹配，可選用電阻匹配或電容匹配，盡量減小器件輸入功率被反射的幾率；
（4）器件必須有良好的背底信號和大的動(dòng)態(tài)范圍，防止靜磁波激勵(lì)波形被淹沒；
（5）磁場質(zhì)量要非常好，減小由于磁場不均勻引起的信號輸出異常。
對實(shí)際制作的靜磁表面波器件來說，要達(dá)到小于6dB的插損是非常不易的，適當(dāng)減小器件插損須從以下幾個(gè)方面著手：
（1）選用高品質(zhì)YIG薄膜：鐵磁共振線寬盡可能小、具有適當(dāng)?shù)暮穸惹椅诲e(cuò)和缺陷要少；
（2）換能器設(shè)計(jì)合理準(zhǔn)確，制作精良；
（3）調(diào)節(jié)器件匹配，可選用電阻匹配或電容匹配，盡量減小器件輸入功率被反射的幾率；
（4）器件必須有良好的背底信號和大的動(dòng)態(tài)范圍，防止靜磁波激勵(lì)波形被淹沒；
（5）磁場質(zhì)量要非常好，減小由于磁場不均勻引起的信號輸出異常。
5 結(jié)語
在靜磁波器件的研制過程中器件插入損耗是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，靜磁表面波器件由于其傳播特性的影響，又會產(chǎn)生比體波器件更大的損耗，所以本文對關(guān)于靜磁表面波器件插入損耗的理論進(jìn)行了總結(jié)，又對自己在靜磁表面波器件研制過程中得到的減小插損的一些體會進(jìn)行了簡單介紹。
在靜磁波器件的研制過程中器件插入損耗是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，靜磁表面波器件由于其傳播特性的影響，又會產(chǎn)生比體波器件更大的損耗，所以本文對關(guān)于靜磁表面波器件插入損耗的理論進(jìn)行了總結(jié)，又對自己在靜磁表面波器件研制過程中得到的減小插損的一些體會進(jìn)行了簡單介紹。
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