低溫c波段寬溫區寬帶微波隔離器及應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于無線通信領域，具體為一種基于低溫鐵氧體技術的非互易低溫C波段 寬溫區寬帶隔離器及其在射電天文、衛星通訊及超導雷達接收機系統中的應用。
【背景技術】
[0002] 微波隔離器是基于微波鐵氧體材料在直流偏置磁場和射頻磁場的共同作用下實 現的一種單向傳輸的無源器件，廣泛應用于雷達接收機、無線通信領域，是接收機前端系統 的關鍵器件之一。隨著航天技術的快速發展，衛星通訊在國防和民用領域越來越發揮著重 要的作用，超導雷達接收機系統也得到越來越廣泛的應用，同時民用CDM等移動通訊基站 也逐漸采用低溫超導接收機系統，這些系統都對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境溫度；另一方面，在射電天文領域，無論是空間目標探測、射電譜 線觀測等都需要超高靈敏度的接收機系統，為提高接收機的靈敏度，必須使用工作于低溫 的超導混頻器和低噪聲HEMT放大器，而超導混頻器和低噪聲放大器之間的阻抗失配會引 起駐波，從而降低超導混頻器的靈敏度，需要工作于低溫的微波隔離器來實現級間的阻抗 匹配，提高接收機的靈敏度，因此低溫微波隔離器也是低溫接收機系統前端不可缺少的關 鍵器件之一；與此同時，為提高頻段利用率，提高通訊效率，無論是軍事國防領域的衛星通 訊以及民用通訊領域，接收機系統日益寬帶化的發展對器件的寬帶化要求也越來越高，射 電天文領域的大規模的超導探測器及大規模超導陣列接收機的射頻和中頻帶寬也越來越 寬，對寬帶化的低溫隔離器需求也越來越大。
[0003] 國外對低溫隔離器研究比較早，上世紀六十年代R. L. Comstock和C. E. Fay 基于微波鐵氧體單晶和多晶YIG材料，實現了低溫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材料進行了低溫 隔離器的設計（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.)，也實現了低溫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材料其可實現的飽和磁化強 度4 π Ms值范圍較小，限制了其他工作頻率隔離器的設計。近年來，隨著更高靈敏度低噪聲 射電天文接收機、衛星通訊及超導雷達接收機的日益發展與廣泛應用，低溫隔離器的需求 也日益劇增，寬帶化要求也越來越高。對于超導混頻接收機來說，低溫隔離器可以應用于超 導混頻器和低溫低噪聲放大器之間；對半導體低溫接收機中可用于天線和放大器之間或第 一級放大器后，實現級間隔離、阻抗匹配的作用。低溫隔離器可以大大抑制級間失配引起的 駐波對混頻器等器件的影響，這對接收機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于低噪聲接收機而言是非常必要的。目前國內對低溫寬溫區寬帶隔離 器的研究尚屬空白，因而對低溫寬溫區寬帶隔離器的研制成為低噪聲接收機領域迫切需要 解決的問題。
【發明內容】
[0004] 本發明針對現有技術不足，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系統前端需求的低溫C波段寬溫區寬帶微波隔離器。
[0005] 本發明具體方案如下： 一種低溫C波段寬溫區寬帶微波隔離器，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：（計量單位：質量百分數％ ) 成分含量分析由南京大學現代分析中心測得，使用儀器為X射線熒光譜儀。
[0006] 該材料300K時，飽和磁化強度為4 π Ms= 1240Gauss，120K時，飽和磁化強度為 4JiMs= 1620Gauss，4I^t4 3TMs= 1670Gauss〇
[0007] 上述隔離器的工作頻率范圍為4GHz~8GHz。
[0008] 本發明所述的隔離器為本領域常規使用的類型和結構，包括波導型或微帶型的諧 振式隔離器或場移式隔離器以及法拉第旋轉式隔離器等，優選雙Y結型環行器，進一步優 選雙Y結型大Y結長度為5. 4mm，寬度為I. 64mm，小Y結長度為3. 3mm，寬度為I. 3mm，鐵氧體 直徑為10. 8_，厚度為0. 98_，端口四分之一波長阻抗匹配線長度為8. 7_，寬度為2. 3_， 可以實現低溫4K~120K下相對工作帶寬大于66%。
[0009] 本發明還提供了上述隔離器在低噪聲接收機前端、衛星通訊及超導雷達接收機系 統中的應用。
[0010] 微波鐵氧體用于微波隔離器中作為微波介質材料，其重要參數是飽和磁化強度 4 31 Ms和相對介電常數e P決定著隔離器設計的頻段和內部結電路尺寸。4 31 Ms溫度特性 由南京大學江蘇省納米技術實驗室測得，使用的儀器為超導量子干涉儀。YCaAlSnIG系列材 料為YIG鐵氧體材料中進行元素摻雜得到，通過多元素對Fe3+的晶格位置取代可以得到不 同飽和磁化強度值的鐵氧體材料，而其相對介電常數變化比較小，不影響器件的尺寸設計， 同時由于材料中摻入了適當的Sn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，然而對于同一系列材料而言，不同的組份含量對材 料的低溫下的磁參數影響比較大，且沒有可預見性，本發明對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下表現出來的磁參數也不同。
[0011] YCaAlSnIG系列材料化學式為Y3 yCayFe5 x /IxSnyO12，根據X和y的取值 不同可以得到同系列的不同飽和磁化強度的鐵氧體材料，材料1-3的化學式分別為 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% )，Fe2O3 (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 % )，分別根據材料1-3的化學式中各元素 的摩爾比計算原料配比，材料1-3采用如下方法制備得到： 將配比后的粉料進行球磨20小時，球磨后干壓成型，材料的預燒過程為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小時后隨爐自然 降溫；然后將預燒后的材料再進行球磨20小時，球磨后使用10%含量的聚四氟乙烯（PVA) 粘合劑進行造粒并干壓成型，壓強為6Mpa，然后再進行燒結，燒結過程為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，然后1420°C -1100°C，降溫速率為0. 7°C /m