静磁表面波器件插入损耗分析
1 引言
随着微波通讯、雷达系统的发展，对系统灵敏度、带宽及实时处理等功能的要求越来越高，从而对信号处理器件和微波铁氧体材料的要求也越来越高。当工作频率达到微波高频段时，常规的数字技术或表面声波（SAW）器件已很难满足需要，这时采用模拟技术的静磁波（MSW）器件就将发挥其独特的作用。静磁表面波（MSSW）器件由于较易实现而在静磁波器件占有很大的比重。但由于静磁波器件是一种换能器件，且表面波器件信号在YIG薄膜表面传输易受外界影响，从而会带来更大的损耗[1]，这在很大程度上影响了静磁波器件的实际应用。如何降低静磁表面波器件的插损一直是静磁波器件研制者们非常关注的问题，降低静磁表面波器件的插损一定会推动其实用化进程，使静磁表面波器件的研究和应用前景更为广阔。
2 静磁表面波器件中的换能器与YIG铁磁薄膜
换能器与YIG铁磁薄膜是静磁波器件的主要组成部分，它们的设计和性能直接影响着器件的性能，它们对器件的插入损耗有着直接的影响。
2.1 换能器[2]
MSW换能器一般有四种类型：单条换能器(strip)、折线换能器（meander）、栅形换能器(grating)和叉指换能器（inert-finger）。单条换能器的特点是激励频带宽，设计简单，但带通特性较差，欧姆电阻大；叉指换能器带通特性好，中心频率处损耗小，但激励带宽窄；多条换能器和折线换能器的性能介于单条换能器和叉指换能器之间，设计也很复杂。其中单条换能器由于其激励频带宽、设计简单，得到了广泛的应用，其色散特性和辐射电阻模拟曲线如图1所示。
辐射电阻不为零时所对应的频率范围为静磁波可激励范围，即换能器的激励带宽，由图1可知微带激励带宽△f等于换能器辐射电阻最大值一半所对应的两个频率的差值，这就为器件的设计提供了理论依据。
换能器与YIG铁磁薄膜是静磁波器件的主要组成部分，它们的设计和性能直接影响着器件的性能，它们对器件的插入损耗有着直接的影响。
2.1 换能器[2]
MSW换能器一般有四种类型：单条换能器(strip)、折线换能器（meander）、栅形换能器(grating)和叉指换能器（inert-finger）。单条换能器的特点是激励频带宽，设计简单，但带通特性较差，欧姆电阻大；叉指换能器带通特性好，中心频率处损耗小，但激励带宽窄；多条换能器和折线换能器的性能介于单条换能器和叉指换能器之间，设计也很复杂。其中单条换能器由于其激励频带宽、设计简单，得到了广泛的应用，其色散特性和辐射电阻模拟曲线如图1所示。
辐射电阻不为零时所对应的频率范围为静磁波可激励范围，即换能器的激励带宽，由图1可知微带激励带宽△f等于换能器辐射电阻最大值一半所对应的两个频率的差值，这就为器件的设计提供了理论依据。
2.2 YIG铁磁薄膜[2]
YIG（Y3Fe5O12）系列铁磁薄膜是MSW的载体材料，属于立方晶系，此系列包括纯YIG和掺杂型YIG（如掺杂Ga、La、Te等）。MSW器件对材料的要求，一是有足够的厚度，以保证适当的微波性能；二是在保证功率容量的前提下固有损耗尽可能小；另外从器件的温度特性考虑，还希望YIG薄膜在宽温度范围内具有尽可能小的温度系数。
制作YIG薄膜的方法一般分为气相外延（VPE）和液相外延(LPE)，但由于气相外延在YIG膜面上会产生很多缺陷，所以要得到高质量的YIG薄膜一般都在GGG基片上采用液相外延制作。液相外延一般是将熔体加热到1200℃并保温一段时间，氧化铝杆可带动铂金支架和GGG基片在一定范围内连续转动，将GGG基片预热一段时间后放入熔体中成膜，成膜结束后将基片架取出，高速旋转，抛干净基片上的残液，再将基片放入稀硝酸中溶去助熔剂即可。
YIG薄膜的FMR线宽△H对器件插损影响很大，因为传输损耗与其成正比，故要求晶格生长尽可能完好；另外静磁波器件的温度稳定性主要由YIG薄膜的温度特性和磁场的温度特性共同决定，改善器件的温度特性主要从这两方面着手。近来国内正在研制一种掺杂Te、 La等的YIG膜，利用它们的正负温度系数抵消的特性实现薄膜的宽温化，另外一种方法是利用与YIG薄膜温度系数相反的永磁体产生磁场，将二者对温度的影响互相抵消。
YIG（Y3Fe5O12）系列铁磁薄膜是MSW的载体材料，属于立方晶系，此系列包括纯YIG和掺杂型YIG（如掺杂Ga、La、Te等）。MSW器件对材料的要求，一是有足够的厚度，以保证适当的微波性能；二是在保证功率容量的前提下固有损耗尽可能小；另外从器件的温度特性考虑，还希望YIG薄膜在宽温度范围内具有尽可能小的温度系数。
制作YIG薄膜的方法一般分为气相外延（VPE）和液相外延(LPE)，但由于气相外延在YIG膜面上会产生很多缺陷，所以要得到高质量的YIG薄膜一般都在GGG基片上采用液相外延制作。液相外延一般是将熔体加热到1200℃并保温一段时间，氧化铝杆可带动铂金支架和GGG基片在一定范围内连续转动，将GGG基片预热一段时间后放入熔体中成膜，成膜结束后将基片架取出，高速旋转，抛干净基片上的残液，再将基片放入稀硝酸中溶去助熔剂即可。
YIG薄膜的FMR线宽△H对器件插损影响很大，因为传输损耗与其成正比，故要求晶格生长尽可能完好；另外静磁波器件的温度稳定性主要由YIG薄膜的温度特性和磁场的温度特性共同决定，改善器件的温度特性主要从这两方面着手。近来国内正在研制一种掺杂Te、 La等的YIG膜，利用它们的正负温度系数抵消的特性实现薄膜的宽温化，另外一种方法是利用与YIG薄膜温度系数相反的永磁体产生磁场，将二者对温度的影响互相抵消。
3 插入损耗分析
静磁表面波器件的插入损耗主要由两部分组成，一种是由换能器辐射电阻引起的换能损耗，另一种是由YIG薄膜引起的传输损耗。下面分别对两种损耗予以分析。
3.1 换能损耗
计算换能损耗的传输线模型如图2所示[3, 4]。如果假设A、C之间的物理长度与YIG薄膜中传输的MSSW的波长相比很小，且能量在加载了YIG介质的微带线上与未加载YIG部分的损耗相比很小。那么由A、B端指向C的输入阻抗
可以表示为：
静磁表面波器件的插入损耗主要由两部分组成，一种是由换能器辐射电阻引起的换能损耗，另一种是由YIG薄膜引起的传输损耗。下面分别对两种损耗予以分析。
3.1 换能损耗
计算换能损耗的传输线模型如图2所示[3, 4]。如果假设A、C之间的物理长度与YIG薄膜中传输的MSSW的波长相比很小，且能量在加载了YIG介质的微带线上与未加载YIG部分的损耗相比很小。那么由A、B端指向C的输入阻抗
可以表示为： 
Zin=Z0tanh(γ′L) （1）
这里γ′为传播常数，
为未加载YIG的微带线特性阻抗。在长度为L的微带线上任取一小段微元dz，不考虑其阻抗特性，其等效传输线模型如图3所示[3, 4]。图中r代表单位长度的介质损耗，L0和C0代表无损耗微带线单位长度的电感和电容，特性阻抗
，Rm为单位长度的MSSW辐射电阻，且有
，其中
分别代表沿传输正负方向的辐射电阻[5]。其中：
这里γ′为传播常数，
为未加载YIG的微带线特性阻抗。在长度为L的微带线上任取一小段微元dz，不考虑其阻抗特性，其等效传输线模型如图3所示[3, 4]。图中r代表单位长度的介质损耗，L0和C0代表无损耗微带线单位长度的电感和电容，特性阻抗，Rm为单位长度的MSSW辐射电阻，且有，其中分别代表沿传输正负方向的辐射电阻[5]。其中： 
式中：w为换能器线宽，t为YIG薄膜厚度，l1为介质基片厚度，
代入辐射电阻表达式，可知Rm是频率、磁场强度、薄膜的饱和磁化强度、YIG薄膜厚度、微带线宽和介质基片厚度的函数，即
，代入上述参数，即可计算换能器的辐射电阻。 利用传输线模型进行插入损耗计算的完整的等效电路如图4所示[3]。图中Rg为电源内阻，一般Rg=50Ω。因为：
由图知：
将（3）~（7）式代入（2）式，得换能损耗：
3.2 MSSW的插入损耗分析
因为MSSW的插入损耗＝换能损耗＋传输损耗，又YIG薄膜传输MSSW总的传输损耗为：
[1]，式中
的单位为A/m，
的单位为μs。
时，得到如图5所示的模拟结果。
3.2 MSSW的插入损耗分析
因为MSSW的插入损耗＝换能损耗＋传输损耗，又YIG薄膜传输MSSW总的传输损耗为：
[1]，式中的单位为A/m，的单位为μs。时，得到如图5所示的模拟结果。
器件的插入损耗是衡量器件性能的重要指标，所以研究各参数对器件插入损耗的影响就变得非常重要了。总体来说，当器件的带宽要求一定，即微带宽度一定的情况下，插入损耗受静磁波换能效率和薄膜的铁磁共振线宽
的影响最大。下面模拟YIG薄膜对插入损耗的影响。
3.2.1 YIG薄膜厚度
当微带宽度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从0.02mm变化到0.08mm得到如图6所示的模拟结果。
的影响最大。下面模拟YIG薄膜对插入损耗的影响。3.2.1 YIG薄膜厚度
当微带宽度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从0.02mm变化到0.08mm得到如图6所示的模拟结果。 
3.2.2 YIG薄膜的铁磁共振线宽
由图6和图7可见，插入损耗随YIG薄膜厚度的增加而逐渐减小，当YIG膜厚达到一定范围以后趋于恒定；随YIG薄膜
的增大而增大。所以在器件的实际制作过程中，适当的YIG膜厚度、小且位错缺陷少的YIG薄膜是静磁薄膜波器件的首选。
由图6和图7可见，插入损耗随YIG薄膜厚度的增加而逐渐减小，当YIG膜厚达到一定范围以后趋于恒定；随YIG薄膜
的增大而增大。所以在器件的实际制作过程中，适当的YIG膜厚度、小且位错缺陷少的YIG薄膜是静磁薄膜波器件的首选。 
4 静磁表面波器件研制过程中的几点体会
对实际制作的静磁表面波器件来说，要达到小于6dB的插损是非常不易的，适当减小器件插损须从以下几个方面着手：
（1）选用高品质YIG薄膜：铁磁共振线宽尽可能小、具有适当的厚度且位错和缺陷要少；
（2）换能器设计合理准确，制作精良；
（3）调节器件匹配，可选用电阻匹配或电容匹配，尽量减小器件输入功率被反射的几率；
（4）器件必须有良好的背底信号和大的动态范围，防止静磁波激励波形被淹没；
（5）磁场质量要非常好，减小由于磁场不均匀引起的信号输出异常。
对实际制作的静磁表面波器件来说，要达到小于6dB的插损是非常不易的，适当减小器件插损须从以下几个方面着手：
（1）选用高品质YIG薄膜：铁磁共振线宽尽可能小、具有适当的厚度且位错和缺陷要少；
（2）换能器设计合理准确，制作精良；
（3）调节器件匹配，可选用电阻匹配或电容匹配，尽量减小器件输入功率被反射的几率；
（4）器件必须有良好的背底信号和大的动态范围，防止静磁波激励波形被淹没；
（5）磁场质量要非常好，减小由于磁场不均匀引起的信号输出异常。
5 结语
在静磁波器件的研制过程中器件插入损耗是一个非常重要的指标，静磁表面波器件由于其传播特性的影响，又会产生比体波器件更大的损耗，所以本文对关于静磁表面波器件插入损耗的理论进行了总结，又对自己在静磁表面波器件研制过程中得到的减小插损的一些体会进行了简单介绍。
在静磁波器件的研制过程中器件插入损耗是一个非常重要的指标，静磁表面波器件由于其传播特性的影响，又会产生比体波器件更大的损耗，所以本文对关于静磁表面波器件插入损耗的理论进行了总结，又对自己在静磁表面波器件研制过程中得到的减小插损的一些体会进行了简单介绍。
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