BFN，微波鐵氧體器件
簡介
微波鐵氧體器件是微波/毫米波電子設備和系統中不可或缺的基礎元器件，它的套用已有50多年的歷史。這類產品不僅在軍用雷達，通信設備，電子戰，電子對抗系統，航天，航空系統中有重要用途，而且在民用通信，交通管制，醫療衛生，食品加工，甚至農業等諸多領域都得到了廣泛的套用。無論是軍用產品還是民用產品，市場競爭日益激烈，只有性價比高，勇於創新的產品方可取勝。
從結構上分，微波鐵氧體器件有波導器件、同軸器件和帶線/微帶器件幾種。不過，從微波設備/系統集成、模組化、小型多功能化的總體發展趨勢來看，越來越多地需要小型化、片式化和與半導體器件集成組件化的磁性產品。因此，國內外都在加緊對新型磁膜微波材料和微波/毫米波單片積體電路（MMIC）磁性產品的研究與開發。
下面，介紹鐵氧體器件新近的套用與技術開發現狀，並展望未來微波磁性材料與器件的技術發展趨勢。
套用開發
這裡，主要介紹微波鐵氧體器件在通信衛星天線波束形成網路（BFN）和短程空/海防系統中的套用。
通信衛星天線BFN用微波鐵氧體
通信衛星操作人員面臨著複雜多變的太空環境和技術需求，要求在太空飛行器放到軌道上之後能夠重新組合它的天線波束圖案。現在，美國軍用通信衛星就具有將其天線輻射圖案重新組合到軌道上的能力。例如，它的國防通信衛星系統（DSCSⅢ）衛星，通過帶可程式波束形成網路（BFN）的超高頻多波束天線發射和接收信號。用可程式BFN，可按照地面控制的需要，使太空飛行器天線的輻射圖案再整形，由上行線路干擾機檢測。目前正在設計製造中的新一代先進高頻衛星，還具備自適應性上行線路置零功能。在這些套用中，BFN的作用很重要。
現有開關式和可調式兩種BFN。前者的結構最簡單，它由單刀雙擲（SPTD）開關的二叉樹組成。鐵氧體丫環開關，是多數太空飛行器傳統型無源開關BFN的基本組成部件。與固體開關元件相比，鐵氧體開關的主要優點是插損低，功率容量大，直流功耗小。BFN用鎖式鐵氧體環行器開關，其開關時間均少於1μs，在20GHz或更高頻段，可在500μs以下。可調式BFN可以任意組合多波束天線連線埠，以任何需要的RF振幅和相位進行照射。無源可調式BFN的基本組成部件是鐵氧體可調功分器（VPD），相/幅控制模組（PAC）和移相器。這些鐵氧體器件都具有低插損，高功率容量和低直流功耗等特點。VPD和PAC模組，都使用鐵氧體移相器作它們的微波控制關鍵元件。DSCSⅢ用了2隻90°移相器構成VPD，它們被放置在波導魔T和90°橋接岔路之間。魔T執行進入信號的等相/幅分解，並把這些分解的輸出加到鐵氧體移相器的輸入端。這兩個信號在橋接岔路上重新組合前，由移相器調整它們的相對相位。VPD的總損耗與功率分配的置位無關，開關時間在2-5μs內。
PAC模組可使每個任意的振幅和相位在一個周期內加權，以適用於通過它們的微波信號。PAC模組由2隻360°鐵氧體移相器組成，它們被放置在2隻功分器之間。第一隻功分器將進入的信號分成2個二等分，加到移相器上。然後，調整2隻移相器，使2個二等分信號重組和干擾，為輸出信號獲得需要的振幅和相位。
2.2短程空/海防系統用微波鐵氧體開關與開關矩陣
軍用市場上,特別需要可靠性高、開關速度快、功率容量大的Ka波段開關與開關矩陣。蘇格蘭ThalesMESL公司正在為短程空/海防系統開發Ka波段微波鐵氧體開關與開關矩陣。這類開關運用了環形移相器技術，旨在提高功率容量和開關速度，並附加上功率分解，可選擇的輸出極化等特點。其典型套用是火控雷達系統，作目標識別、跟蹤、火炮導引，保密通信等。
該公司開發生產了兩種鎖式鐵氧體開關：WR28波導開關結環行器和環形鐵氧體開關。前者與傳統的波導環行器相似，由於沒有有效的冷卻措施，故平均功率僅限於數十W。他們用5隻開關環行器和3個高功率負載，就構成了一個SP3T開關矩陣。控制陣列的驅動電子線路，置於安裝板的尾部。
環形開關的最簡單結構是，把雙90°環形鐵氧體移相器放在波導T形支路和耦合器之間，形成Bulter陣列結構。T形支路把輸入功率分解或2個幅、相相等的信號；這些信號在耦合器中合成進入一個輸出端之前，由移相器產生±90°相對相移。為提高開關的峰值功率容量，公司選用了摻稀土的微波鐵氧體材料，並在驅動電子線路中增設溫度感測器，根據感測信號調節電流脈衝的長短，對鐵氧體作溫度補償。他們的非互易SP2TKa波段鐵氧體開關達到的性能指標如後：開關頻率35GHz,頻寬10%，功率容量=1400W,=120w,開關時間20～22dB，典型的>55dB;其高功率隔離器35ME-4EA工作在1.805～1.880GHz，可容納連續波功率正向100W，反向80W，而IMD0.95，但是它們的FMR線寬大（ΔH≌200Oe）,即器件損耗大。
採用傳統的LPE技術，難以製成六角晶系鐵氧體厚膜，因為它的生長速度很慢。最近，很多人對此做了改進。例如，S.Q.Yoon等人先用PLD，在（111）GGG和m面、(1100)Al2O3基片上生長Ba-M鐵氧體籽晶層。接著，用LPE等溫浸漬沉積Ba-M鐵氧體膜，生長2h,膜的厚度達到50～200μm，生長速度達到25～100μm/h，比單用LPE提高了若干倍。他們測量生長在（111）GGG上的Ba-M膜的ΔH在58GHz~0.068kOe，在m面Al2O3上的膜在59.9GHzΔH～0.08KOe。可見，用改進的LPE法可在GGG和Al2O3基片上均可生長出厚200μm的優質六角晶系鐵氧膜，且ΔH值很小。但是，當這種膜厚超過150μm以後，會開裂，離實用器件要求>300μm也較遠。
PLD是新近開發成功的薄膜生長工藝。1992年美國海洋研究所C.A.Carosella等人率先用來生長Ba-M磁膜，在58GHz其ΔH可小於66Oe。後來的很多研究證明，在>900℃的生長溫度，在Al2O3、MgO、GGG基片上均可用PLD法沉積出優質Ba-M膜，其HA達到塊狀材料的值，高達17000Oe。由於鐵氧體的生長溫度高，不適用於普通的半導體基片，Z.Chen等人選用了耐熱的6H-SiC單晶作基片沉積Ba-M膜。用PLD法雖可長出ΔH值小、HA高的磁膜，但目前的生長速度比LPE慢，工藝、設備尚不夠成熟，還有待進一步的開發。
4.4使用金屬磁膜的單片可調微波器件
Fe、Fe-Ni金屬材料具有高4πMs和高HA值，是理想的高頻磁性材料。在半導體基片上沉積這類金屬磁膜，開發混合結構，作為一項採用半導體工藝構成磁性MMIC，近來受到了廣泛的關注，正在加緊研究與開發。例如美國Raytheon公司、科羅拉多、加州大學等，他們用Fe或Fe-Ni磁膜構成器件，利用其鐵磁共振（FMR）現象完成諧振器、濾波器、移相器等的功能。Schloeman等人用離子束濺射（IBS）工藝，在（100）GaAs基片上生長出結晶方向相同的單晶Fe膜。在Fe膜上形成Al或Au帶線導體，在GaAs基片裡面製作G-Au接地導體。再用光刻把Fe膜和上部導體一起加工成帶狀線。從外部加直流磁場，便構成了磁可調諧集成器件。Camley小組採用Fe/GaAs/Fe夾層結構製成傳輸線器件。採用這種結構，只需加數100Oe磁偏場，比YIG器件低很多[11]。Kuanr等人運用RF/DC磁控濺射形成Fe/Cu/GaAs結構，製作10～30GHz微帶帶阻濾波器，觀察到3dB阻頻寬約5GHz，最大衰減>50dB/cm,通帶插損～2.00dB。他們還用共面波導帶阻濾波器作移相器。在GaAs基片上沉積650nm厚Fe或750nm厚NiFe膜，構成共面波導線路，加900Oe磁場把器件的FMR頻率調諧到15GHz。經測試，在8GHz相移量有100°/cm，插損2dB。
4.5交換耦合鐵磁/反鐵磁多層膜
高4πMs軟磁薄膜，其HA值一般都很低，從而嚴重限制了它們在RF/微波頻段的套用。近來很多研究證明，交換偏置的鐵磁（FM）/反鐵磁（AFM）複合材料，由於界面作用或交換耦合，可實現單向各向異性場，並可用來提高高4πMs材料的有效各向異性場。故交換耦合FM/AFM二層或三層膜，有望用作RF/微波器件的備選材料。美國東北大學C.Pettiford等人用DC磁性濺射，制出用Ru作籽晶層的CoFe/PtMn/CoFe三層膜，在直流和X波段表征了它們的磁性能。
