基于MEMS工艺的微型环行器技术研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要

在信息传输量爆发式增长的通信需求背景下，随着通信技术的升级以及应

用场景的增加，用于隔离收发机系统上下行信号的环行器数量逐年增长。降低

微波通信环行器的能量功耗以及提高环行器的集成度，将变得更加迫切。通过

更深入的理论分析改进结构设计，不断优化环行器性能，在更高通信频率下，

能够发挥低插入损耗、高隔离度的优势；通过改进微纳加工工艺方法来实现更

多种类的环行器设计，提升环行器的集成度和环境适应能力，将更有利于环行

器在制导雷达、卫星通信、微波测量和医疗仪器等领域的应用。

本论文的研究目标是实现一种利用微机电系统（MEMS,Micro-Electro-

MechanicalSystem）制造工艺，来制作应用于Ka波段的微波环行器。其通带中

心频率为34GHz，实现回波损耗32~36GHz大于17dB。本论文的主要研究内

容为：

（1）环行器原理分析：从电子受到磁化运动的基础原理出发，研究磁化作

用对电信号的影响，决定设计器件的类别；通过基于场理论的环行器原理分析

和对应的尺寸计算，获取器件的基础尺寸。

（2）利用HighFrequencyStructureSimulator（HFSS）软件进行微波环行器

的仿真设计：所设计的结构包括有环行器核心运行组件（如：金属图形、高阻

硅介质、铁氧体、底部溅射金属），以及加工制作组件（如：可伐金属底座，上

层绝缘介质，金属化硅通孔，永磁体，键合金属块等）。设计的环行器需要有基

础电路功能，以及垂直方向的偏置磁激励。在仿真工作中将实现在32~36GHz

频段内，插入损耗小于0.5dB，并且回波损耗与隔离度实现大于17dB。

（3）微波环行器的制作加工：确定设计的所有优化尺寸参数之后，针对环

行器金属图案的上下对称性加工特点，确定采用单片制作完成后，基于晶圆键

合的加工方案。利用L-edit软件设计了一组版图，将片上结构拆分为四种加工

工艺步骤，完成上下对称合并，最后装配实现环行器的完整实物制作。

（4）微波环行器的实物测试：以矢量网络分析仪为主要测试设备进行器件

性能测试，分阶段测试两种样品，分别为未加装铁氧体配件与加装铁氧体配件

的环行器。最后，进行测试结果与仿真结果对比分析，验证所设计环行器的合

理性。

关键词：射频通信；微波环行器；MEMS加工；Ka波段

-I-

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

Abstract

Inthecontextoftheexplosivegrowthofcommunicationdemandforinformation

transmission,withtheupgradingofcommunicationtechnologyandtheincreaseof

applicationscenarios,thenumberofcirculatorusedtoisolatetheuplinkanddownlink

signalsofthetransceiversystemhasincreasedyearbyyear.Itwillbecomemore

urgenttoreducetheenergyconsumptionofmicrowavecommunicationcirculatorand

improvetheintegrationofcirculator.Throughmorein-depththeoreticalanalysisand

improvementofstructuraldesign,theperformanceofcirculatorisconstantly

optimized,whichcanplaytheadvantagesoflowinsertionlossandhighi