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1、微波铁氧体环行器隔离器的小型化及其对策何水校中国西南应用磁学研究所四川绵阳621000简要舟绍了国内外环行嚣、隔离嚣等徽渡铁氧体器件小型化、徽型化、片式化的麓展趋势提出 了集中建设徽细加工技术和徽组装工艺研究开发中心的设想1引言中国西南应用磁学研究所(包括其前身)在微波铁氧体材料和器件研制与生产领域内， 大致经历了三个发展阶段。第一阶段：1956-1960年，是建基立业阶段，开始研究和制造微 波铁氧体材料：第二阶段：19601978年，是巩固提高阶段，开始研制微波铁氧体器件、G 单晶材料与器件、薄膜和磁光器件等：第三阶段：1979年至今是全面发展阶段，基本上实 现了微波铁氧体材料和器件的系列化
2、，产品门类比较齐全并通过了Is09001质量认证。随 着信息产业和军事电子技术的发展，环行器、隔离器等微波铁氧体器件的小型化、微型化、 片式化、薄膜化将成为一个主要的发展方向之一。本文简要介绍国内外微波铁氧体器件的小 型化的进展情况和发展趋势提出了集中建设微细加工技术和微组装工艺研究开发中心的设 想，供同行参考，并请批评指正。2国外发展概况-近五十年来，大功率、小型化、宽频带、高可靠一直是国内外环行器、隔离器等微波铁 氧体器件发展的基本方向。例如，超视距远程雷达和微波医用治疗仪用的大功率波导差相移 隔离器长约l米，重达100Kg，而最小的微型化片式隔离器仅O39，外形尺寸为5x 521111，
3、有人称之为两极化发展趋势。 美、俄等国在环行器、隔离器等微波铁氧体器件小型化方面处于世界领先水平，有代表 性的厂家如：美国的MACOM、MCA、TRAK、Litton、Renaissance、Loral、Ferranti、Sierra、 FEI、Hughes、RaytheoIl和俄罗斯的lstok、Domain等公司，日本的村田、TDK则在微型集中参数环行器、隔离器研究、生产领域取得了显著成绩。 徽带环行器、隔离器适用于微波集成电路的微带环行器、隔离器是最早开发的小型化、片式化微波铁氧体器 件。Raymeon公司研制的超宽带小型化微带环行器、隔离器工作带宽618(6 517 5)GHz， 正向
4、损耗优于l(06)dB，反正向损耗不低于J4(18)(旧，VSrR优于12，外形尺寸仅 为2286 351524rran，设计特点是同时采用几种Ms的铁氧体组成微带基片，偏磁场采 用SmCo永醴膜(厚05 l rnm)【2：俄罗斯stok研制的微带环行器、隔离器基片质量高 微带电路设计新颖，制作精良工作频带从S、C波段直到毫米波，器件的性能和外彤尺寸 都是第一流的【31。插入式(Drop-ln)环行器、隔离器 由于众所周知的原因，带线环行器、隔离器的小型化较为困难。早期的做法是将同轴接 头-垃计成可拆卸的，后来直接设计成微带式、没有接头的带线环行器、隔离器，即所谓插入 式(Dropm)器件，可
5、直接焊接到微波混合集成电路中，结构帽当紧凑。如美国舶MICA， MA- COM公司八十年代初就已形成了系列化产品，工作频率3 722 0GHz，典型外形尺寸119为64X 64X 27mm(x波段)、95 X 95X 3 4mm(C波段)，工作温度：54+95；几 年前，本人曾有机会参观过位于加州硅谷的Litton公司，亲身体验了该公司每年研制生产10 万套Drop-in环行器、隔离器的感觉【4】。型曩中敦环行嚣、隔离器 为了满足移动通讯“大哥大”小型化的要求，日本人于1991年首先开发出微型集中参数环行器、隔离器【51，工作频带800MHz，外形尺寸为68X 694mm，工作温度：一25+7
6、5，重量075 g，设计特点是将中心导体和电容埋入多层铁氧体中以降低损耗，缩小体积； 近年来，日本的村田、TDK又相继推出7x7X 3和5X 52111ln微型集中参数环行器、隔离器，工作频带8002000MHz,并建成了月产100万只器件的生产线，每只售价不到lO美 元。 单片式触环行曩、啊膏嚣 实际上徽带环行器、隔离器是一种单片式微波铁氧体器件。但是近几年出现的单片式微 波集成电路技术要求在磁性和非磁性基片上采用薄膜或厚膜技术制造微带环行器、隔离器。 例如：将优质铁氧体厚膜沉积到G13G、QAs、Si、陶瓷、塑料和微晶玻璃等各种基片上， 再用薄膜电路制成环行器、隔离器及移相器等，并与其他微
7、波器件、半导体菅芯甚至光器件、 记忆单元组台成单片功能模块，尺寸小、价格低、便于平面安装，这已成为国外最近研究开 发的热点。Olivor等人在GGG基片上液相外延YIG11l】方向的单晶膜，在260-c以下将膜 转移到Si上，YIG单晶膜经抛光后用通常的制版刻蚀技术用铜薄膜制作电路，采用两级匹 配技术，在X波段制成单片单晶YIGSi环行器，在8-12GHz带宽范围内正向损耗1 34dB， 通过改进偏磁场、匹配电路和接地方式后，有可能将正向损耗降低到ldB，窄带工作可小于 0 5 dB【6】。薄膜结环行器、隔离器的铁氧体膜厚一般在1 00-200微米，尽管这类器件还不够 成熟，但目前国外正投入大
8、量人力、财力，进行研究开发，预计应用前景十分广阔。3国内进展情况应当说，我所多年来一直将微波铁氧体器件的小型化、微型化、片式化、薄膜北作为一 个主要的发展方向在跟踪国际先进水平方面傲了大量工作，取得了引人注目的成绩。早在 六十年代我所研制的S、L波段环行器、隔离器每只重量一个人几乎搬不动到八十年代 就已开发出空气隔离微带环行器、隔离器，工作频带1000MHz左右，重量仅几克。 擞带环行嚣、孺离器我所研制、生产微带环行器、隔离器的工作起步较早，投入也较大目前从低微波频段 到毫米波均已有产品，基本上实现了系列化、型谱化并己建成了一条贯标生产线。 插入式(Drop-in)环行器、隔离器 从八十年代末
9、开始，我所逐步由研制可拆卸式接头的同轴带线环行器、隔离器转向 Drop-in器件的开发现已在C波段以上实现了系列化，并已建成了一条小型化同轴带线环 行器、隔离器贯标生产线；在S、L波段，由于采取高场准集中参数设计技术也已在小型 化方面取得了显著进展。妥羹中参戥环行墨、隔离器我所八十年代开发的L波段空气隔离准集中参数微带环行器、隔离器曾经获得郝科技 进步二等奖，近几年来不断跟踪国外移动通讯用微型环行器、隔离器的进展，在外形尺寸 及电气性能方面已达到了7x 7x 3mm的水平，但制作工艺尚需进一步稳定。 单片式薰曩环行曩、隔离嚣几年来，我所在单片电路技术方面取得了一定进展，比如在蓝宝石基片上制作半
10、导体管 芯与磁性元件相结合的微波电路：将微带环行器和滤波器作成一体的单片式组件等等，在液 相外延磁性薄膜方面也有一定的技术基础。但总的来说，由于投入不足，设备、仪器条件较一一 一。-_-_-。一、：5囊毫尊琵l j魏；差，要想短时期内跟踪国外的先进技术水平，发展单片式薄膜环行器、隔离器还有许多困难。 此外，国内许多兄弟单位在波铁氧体器件的小型化、微型化、片式化、薄膜化方面也撒、 了大量工作，取得了可喜成绩。4关于建设徽细加工和徽组装工艺中心的设想为什么要提出集中建设微细加工技术和微组装工艺研究开发中心的构想，其理由可从 以下几个方面来说明。1)磁性功能材料和磁性元器件的快速发展时至今日，可以说
11、已经初步形成了一门独 特的磁电子学和磁电子技术。高性能磁性材料的研究已进入分子设计领域；小型化、微型化、 片式化、薄膜化磁性元器件的制造必须大量采用微电子学原理和微细加工、微组装技术，否 则就几乎寸步难行。2)由于磁性基片的特殊性，磁性粉末又易影响微细加工和微组装工艺设备的使用寿命所以报难通过外协来实现微波铁氧体器件的小型化、微型化、片式化、薄膜化，必须建设适 合于微波铁氧体器件的专用微细加工和微组装工艺线。3)微波铁氧体器件的小型化、微型化、片式化、薄膜化工艺线，还应与器件的CAD、 EDA和CAT相衔接：此外，还需陶瓷基片、浆料甚至特殊金属、工程塑料等加工设备相配 套；组织批量生产时，成品
12、还需要自动编带机等专用包装设备，所以投资强度是相当大的。4)随着信息产业和军事电子装各大量采用系统集成技术，对微波铁氧体器件的小型化、 微型化、片式化、薄膜化的要求日益迫切但总的来说，微波铁氧体器件是一个相当小的行 业，除少数品种如环行器、隔离器T限组件等以外，往往均存在d,羲tt、多品种的问题，军 用、民用市场的局限性显而易见。分散投资多头建设在经济上是不可取的。鉴于上述理由，从技术上、经济上考虑，集中投资，建设微细加工技术和微组装工艺 研究开发中心应当是必要的、可行的建成开放式工艺线也是可以傲到的。 (2000-o铷I)考瓷辑【1】马昌责，磁性行业快报，No 6，1994，1【2BlightRE etalIEEEMTTSDi91992：3(LL-2)，1389 【31stok公司产品说明书，1993 14Litton公司产品说明书，199If51 YISHIKAWA et al IEICE Transactions，Vol E74，No 5 1991，1226f61 Oliver SA et aIIEEE TramM兀?vol 46，No 5 l 9981645121
