微波铁氧体器件的新应用与技术开发
2007-06-11 11:00:17
来源：《国际电子变压器》2007年6月刊
点击：1595
1 前言
微波铁氧体器件是微波/毫米波电子设备和系统中不可或缺的基础元器件，它的应用已有50多年的历史。这类产品不仅在军用雷达，通信设备，电子战，电子对抗系统，航天，航空系统中有重要用途，而且在民用通信，交通管制，医疗卫生，食品加工，甚至农业等诸多领域都得到了广泛的应用。无论是军用产品还是民用产品，市场竞争日益激烈，只有性价比高，勇于创新的产品方可取胜。
从结构上分，微波铁氧体器件有波导器件、同轴器件和带线/微带器件几种。不过，从微波设备/系统集成、模块化、小型多功能化的总体发展趋势来看，越来越多地需要小型化、片式化和与半导体器件集成组件化的磁性产品。因此，国内外都在加紧对新型磁膜微波材料和微波/毫米波单片集成电路（MMIC）磁性产品的研究与开发。
下面，介绍铁氧体器件新近的应用与技术开发现状，并展望未来微波磁性材料与器件的技术发展趋势。
2 新应用开发
这里，主要介绍微波铁氧体器件在通信卫星天线波束形成网络（BFN）和短程空/海防系统中的应用。
2.1 通信卫星天线BFN用微波铁氧体[1]
通信卫星操作人员面临着复杂多变的太空环境和技术需求，要求在航天器放到轨道上之后能够重新组合它的天线波束图案。现在，美国军用通信卫星就具有将其天线辐射图案重新组合到轨道上的能力。例如，它的国防通信卫星系统（DSCSⅢ）卫星，通过带可编程波束形成网络（BFN）的超高频多波束天线发射和接收信号。用可编程BFN，可按照地面控制的需要，使航天器天线的辐射图案再整形，由上行线路干扰机检测。目前正在设计制造中的新一代先进高频卫星，还具备自适应性上行线路置零功能。在这些应用中，BFN的作用很重要。
现有开关式和可调式两种BFN。前者的结构最简单，它由单刀双掷（SPTD）开关的二叉树组成。铁氧体丫环开关，是多数航天器传统型无源开关BFN的基本组成部件。与固体开关元件相比，铁氧体开关的主要优点是插损低，功率容量大，直流功耗小。BFN用锁式铁氧体环行器开关，其开关时间均少于1μs，在20GHz或更高频段，可在500μs以下。可调式BFN可以任意组合多波束天线端口，以任何需要的RF振幅和相位进行照射。无源可调式BFN的基本组成部件是铁氧体可调功分器（VPD），相/幅控制模块（PAC）和移相器。这些铁氧体器件都具有低插损，高功率容量和低直流功耗等特点。VPD和PAC模块，都使用铁氧体移相器作它们的微波控制关键元件。DSCSⅢ用了2只90°移相器构成VPD，它们被放置在波导魔T和90°桥接岔路之间。魔T执行进入信号的等相/幅分解，并把这些分解的输出加到铁氧体移相器的输入端。这两个信号在桥接岔路上重新组合前，由移相器调整它们的相对相位。VPD的总损耗与功率分配的置位无关，开关时间在2-5μs内。
PAC模块可使每个任意的振幅和相位在一个周期内加权，以适用于通过它们的微波信号。PAC模块由2只360°铁氧体移相器组成，它们被放置在2只功分器之间。第一只功分器将进入的信号分成2个二等分，加到移相器上。然后，调整2只移相器，使2个二等分信号重组和干扰，为输出信号获得需要的振幅和相位。
2.2短程空/海防系统用微波铁氧体开关与开关矩阵[2]
军用市场上，特别需要可靠性高、开关速度快、功率容量大的Ka波段开关与开关矩阵。苏格兰Thales MESL公司正在为短程空/海防系统开发Ka波段微波铁氧体开关与开关矩阵。这类开关运用了环形移相器技术，旨在提高功率容量和开关速度，并附加上功率分解，可选择的输出极化等特点。其典型应用是火控雷达系统，作目标识别、跟踪、火炮导引，保密通信等。
该公司开发生产了两种锁式铁氧体开关：WR28波导开关结环行器和环形铁氧体开关。前者与传统的波导环行器相似，由于没有有效的冷却措施，故平均功率仅限于数十W。他们用5只开关环行器和3个高功率负载，就构成了一个SP3T开关矩阵。控制阵列的驱动电子线路，置于安装板的尾部。
环形开关的最简单结构是，把双90°环形铁氧体移相器放在波导T形支路和耦合器之间，形成Bulter阵列结构。T形支路把输入功率分解或2个幅、相相等的信号；这些信号在耦合器中合成进入一个输出端之前，由移相器产生±90°相对相移。为提高开关的峰值功率容量，公司选用了掺稀土的微波铁氧体材料，并在驱动电子线路中增设温度传感器，根据传感信号调节电流脉冲的长短，对铁氧体作温度补偿。他们的非互易SP2T Ka波段铁氧体开关达到的性能指标如后：开关频率35GHz，带宽10%，功率容量=1400W，=120w，开关时间<2μs，工作温度在（-30～+80）℃内。把上述几只SP2T开关组合起来，可构成两种开关矩阵，从1个输入开关到4个输出中的其中1个。这种开关能提供许多附加的特点，例如一只SP4T开关，还可以通过正交模换能器，从一端选择极化输出。
3 技术开发现状
3.1 高功率低IMD表面安装环行器/隔离器[3]
为了满足无限蜂窝电话和高数据速率通信卫星日益增长的市场需求，国外REC、Temex电子等许多公司都相继推出了高功率、低交调失真（IMD）表面安装环行器和隔离器系列产品。REC公司新系列产品的最大特点是，把它们安装到用户的PCB上后可以用水洗。他们用0.031″厚的PCB作环行器底座，将所有输出端与PCB底面上的接地对接，使器件的共面度达到了±0.004″。环行器的外壳安装在PCB上部，50Ω线和半月形电镀通孔在PCB的周边，为从PCB上面到下面的接触端口提供过度；通孔用焊料填充。总热阻抗为1～2℃/W的完整通道，为接地提供了附加的散热路径。盖子用环氧树脂模注而成，用硅橡胶粘结剂可承受105～245℃温升，使其在装配过程中允许再流焊。这些新系列产品的工作频率在0.935～1.880GHz内，插损均<0.350uB，隔离>20～22dB，典型的>55dB;其高功率隔离器35ME-4EA工作在1.805～1.880GHz，可容纳连续波功率正向100W，反向80W，而IMD<75 dBc；35MB4HA型环行器的IMD< 80dBc。
3.2 用SiGe晶体管抑制YIG振荡器的相噪[4]
在1990年代初，Avantek公司给8～20GHzYIG调谐振荡器制订的相噪声性能标准是，离100KHZ载频为-108dBc/Hz。如今，美国Micro LambdaWireless公司采用IBM公司生产的低噪声SiGe异质结双结晶体管（HBT），在至15GHz代替硅双极晶管，在15GHz以上代替GaAsFET，开发成功尺寸为φ1.75″、φ1.25″和φ1″直立圆柱体结构的3种YIG振荡器产品，前两种工作在6～20GHz内；后一种工作在6～18GHz、8～18GHz，有两种规格。它们的相噪声可保证达到：离100GHz载频-123dBc/Hz，比以前的同种产品降低了15 dB，其典型值可达到-130 dBc/Hz。
3.3 光纤通信系统用可调磁光器件[5]
为了支撑不断扩大的数据传输量，光纤通信系统广泛采用了以法拉第旋转效应原理工作的磁光器件。传统型磁光隔离器和环行器，都是按固定的法拉第旋转角工作。最近，FDL公司为光纤通信开发出实用的可调磁光器件——可调光衰减器（VOA），增益均衡器和磁光开关。前两种器件是给法拉第元件加上磁场，改变光的偏振方向，以改变光的衰减量；光开关，则可以移动光的传输方向。
FDK公司研制出两种可调磁光衰减器(VOA)：使用永磁体的VOA和快速响应VOA。前者的结构与在线型磁光隔离器相似，用液相外延(TbYBi)3-(FeGa)5O12 石榴石厚膜作法拉第转子，夹在2块金红石单晶双折射楔子之间，用永磁体在光传输方向加固定磁场，使磁性晶体磁化至饱和；同时，用电磁铁在垂直方向上施加可变磁场。即，转动两个外加磁场的矢量，调节法拉第旋转角度，使加给电磁铁的控制电流可以改变光的衰减量。其最大衰减达35dB，响应时间0.6ms。为了使响应时间降至0.1ms以下，他们使用高磁导率NiCuZn铁氧体作磁轨，绕上线圈，将石榴石厚膜置于由磁轨包围的闭合磁场区中，制成快速响应的法拉第转子，通过调节供给每个线圈的电流比值来控制光衰减量。采用脉冲电流工作，光衰减时的响应时间——衰减26 dB时是24μs，衰减16dB时为40μs。
增益均衡器是在可调磁光衰减器的基础上，再加上一块折射极构成。当增大功率电流时，增益均衡器的插损耗斜率与波长之关系可由负到正连续地改变。在波长λ=1532～1565nm内。插损耗之差可由-7调到+7，其非线性度小于0.8dB，冗长损耗4dB，偏极相关损耗小于0.1dB。
磁光开关是用电磁铁在光传输方向给外延石榴石磁膜加磁场，通过反转外磁场方向来完成光传输的开和关。FDK的2×2磁光开关尺寸为43×10×6.8mm，工作波长λ=1535～1565nm，插损为0.7dB，偏振相关损耗0.05dB，回波损耗60dB。
4 未来的发展方向
灵巧便携式多功能微波电子设备及系统的迅猛发展，迫切要求减小微波铁氧体器件尺寸。尽管微波多晶铁氧体器件和单晶磁光器件在小型化方面取得了很大的进步，但是离整机和系统应用的要求相距甚远。到目前为止，绝大部分实用的微波铁氧体器件都是使用块状铁氧体材料的分立型元件，它们在微波电路中占据着很大的空间。要想使这类器件与微波集成电路匹配，以至与半导体器件和其他器件集成，最好是使用磁膜。但是从目前的制备工艺来看，铁氧体需在高温下结晶成膜，难以与半导体工艺兼容，而且普遍的温度特性差，饱和磁化强度和磁晶各向异性场低，用作微波器件需加很高的直流偏场。从这点来看，高频金属磁膜和交换耦合铁磁/反铁磁多层膜是理想的未来器件用材料。不过，在优质磁膜制造技术尚未完全实用化之前，较现实的做法是采用新工艺制造六角晶系铁氧体厚膜，减小块状铁氧体基片的厚度，采用新的微波线路结构，进一步减小器件尺寸。
4.1 低高度隔离器的开发[6]
目前，手机用隔离器产品的最小尺寸是（4×4×1.6）mm3，系集中参数型，元件数目多，设计制造工艺复杂。最近，日本大诚和宣等人采用微带线Y结线路和YIG单晶基片，开发出尺寸为（3.5×3.5×1）mm3的2GHz手机用隔离器。YIG基片厚0.3mm，放在SiO2 衬底上，用0.2mm厚铁氧体永磁片给YIG施加800 Oe偏磁场，构成环行器。给环行器的第三端加上50Ω电阻作匹配负载，并与接地GND端接，便构成了隔离器。经过优化设计和制造工艺，其隔离度可达20dB，插损<0.3dB，符合实用要求。
为了廉价批生产0.3mm厚的YIG低损耗基片，日立金属（株）S.Yamamoto等人开发了极薄烧结铁氧体新的制备技术——放电等离子体烧结法（SPS）。他们用这种工艺制得厚0.2mm的YIG烧结体，在1350℃退火10min后，线宽降至5.6KA/m，Hc=0.56KA/m。他们用0.3mm厚SPSYIG基片制成高1mm的隔离器，在5GHz的插损0.7dB，隔离23dB，达到了实用的水平。
4.2 共面波导环行器[7]
具有共面波导结构的环行器能够很好地与微波集成电路匹配，因为它的线路和接地都位于同一个面内，且容易制成图形。因此，这种环行器可采用光刻工艺，容易以低的成本制造出来。2004年，K.Oshiro等人提出了新的共面波导结构环行器（六角形），应用三维有限元法分析了器件的传输性能。为了便于制造，他们把六角形改为矩形结构。环行器有1个Y结和3个端口，信号线和接地置于同一面内，并夹在2个YIG基片与气隙之间，Y结线路四周被接地面积包围。矩形YIG基片尺寸取（10×10×0.5）mm3，磁偏场加到与基片垂直的方向上。用50Ω电阻与一个端口端接，以隔离器形式测量这种环行器的传输性能。发现，在8GHz附近器件有插损︱S21︱=4.9dB，隔离︱S12︱=28dB，隔离超过20dB的带宽是70MHz。
4.3 新一代微波器件用六角晶系铁氧体厚膜[8，9]
新一代微波磁性器件，包括隔离器、滤波器、移相器等，将是平面型、自偏、低损耗且能以超过现有器件的性能工作，并易于与半导体等器件集成。目前，最有希望制成这些器件的是具有高饱和磁化强度（4πMs）、高磁晶各向异性场（HA）的六角晶系铁氧体厚膜。
当前，国内外已采用了多种制备技术加紧研制这种磁膜。其中，用得最多的是液相外延（LPE）、丝网印刷（LTCC）和脉冲激光沉积（PLD）三项技术。美国东北大学Harris等人认为，丝网印刷是目前比较成熟的厚膜制备技术。该校Y.Chen等人在硅和氧化铝基片上分别印刷出厚100～400μm的M型钡铁氧体膜。印刷用磁粉，用传统陶瓷工艺制备。他们把制得的磁粉与粘合剂（环氧树脂和硬化剂）混合，制成了适合印刷的浆料。浆料中含有70～75wt.%Ba-M磁粉，20～25wt.%粘合剂和2～5wt.%玻璃料。把浆料印刷到基片上后，垂直于膜面施加8KOe磁场，在250℃烘干。在整个干燥过程中都加有磁场。之后，在空气中以850～1300℃烧结烘干样品2～10h。采用丝网印刷术容易制成厚度可达1mm的磁膜，成本低，且矩形比>0.95，但是它们的FMR线宽大（ΔH≌200 Oe），即器件损耗大。
采用传统的LPE技术，难以制成六角晶系铁氧体厚膜，因为它的生长速度很慢。最近，很多人对此做了改进。例如，S.Q.Yoon等人先用PLD，在（111）GGG和m面、(1100)Al2O3基片上生长Ba-M铁氧体籽晶层。接着，用LPE等温浸渍沉积Ba-M铁氧体膜，生长2h，膜的厚度达到50～200μm，生长速度达到25～100μm/h，比单用LPE提高了若干倍。他们测量生长在（111）GGG上的Ba-M膜的ΔH在58GHz~0.068kOe，在m面Al2O3上的膜在59.9GHz ΔH～0.08KOe。可见，用改进的LPE法可在GGG和Al2O3基片上均可生长出厚200μm的优质六角晶系铁氧膜，且ΔH值很小。但是，当这种膜厚超过150μm以后，会开裂，离实用器件要求>300μm也较远。
PLD是新近开发成功的薄膜生长工艺。1992年美国海洋研究所C.A.Carosella等人率先用来生长Ba-M磁膜，在58GHz其ΔH可小于66Oe。后来的很多研究证明，在>900℃的生长温度，在Al2O3、MgO、GGG基片上均可用PLD法沉积出优质Ba-M膜，其HA达到块状材料的值，高达17000 Oe。由于铁氧体的生长温度高，不适用于普通的半导体基片，Z.Chen等人选用了耐热的6H-SiC单晶作基片沉积Ba-M膜。用PLD法虽可长出ΔH值小、HA高的磁膜，但目前的生长速度比LPE慢，工艺、设备尚不够成熟，还有待进一步的开发。
4.4 使用金属磁膜的单片可调微波器件[10]
Fe、Fe-Ni金属材料具有高4πMs和高HA值，是理想的高频磁性材料。在半导体基片上沉积这类金属磁膜，开发混合结构，作为一项采用半导体工艺构成磁性MMIC，近来受到了广泛的关注，正在加紧研究与开发。例如美国Raytheon公司、科罗拉多、加州大学等，他们用Fe或Fe-Ni磁膜构成器件，利用其铁磁共振（FMR）现象完成谐振器、滤波器、移相器等的功能。Schloeman等人用离子束溅射（IBS）工艺，在（100）GaAs基片上生长出结晶方向相同的单晶Fe膜。在Fe膜上形成Al或Au带线导体，在GaAs基片里面制作G-Au接地导体。再用光刻把Fe膜和上部导体一起加工成带状线。从外部加直流磁场，便构成了磁可调谐集成器件。Camley小组采用Fe/GaAs/Fe夹层结构制成传输线器件。采用这种结构，只需加数100 Oe磁偏场，比YIG器件低很多[11]。Kuanr等人运用RF/DC磁控溅射形成Fe/Cu/GaAs结构，制作10～30GHz微带带阻滤波器，观察到3dB阻带宽约5GHz，最大衰减>50dB/cm，通带插损～2.00dB。他们还用共面波导带阻滤波器作移相器。在GaAs基片上沉积650nm厚Fe或750nm厚NiFe膜，构成共面波导线路，加900 Oe磁场把器件的FMR频率调谐到15GHz。经测试，在8GHz相移量有100°/cm，插损2dB。
4.5 交换耦合铁磁/反铁磁多层膜[12，13]
高4πMs软磁薄膜，其HA值一般都很低，从而严重限制了它们在RF/微波频段的应用。近来很多研究证明，交换偏置的铁磁（FM）/反铁磁（AFM）复合材料，由于界面作用或交换耦合，可实现单向各向异性场，并可用来提高高4πMs材料的有效各向异性场。故交换耦合FM/AFM二层或三层膜，有望用作RF/微波器件的备选材料。美国东北大学C.Pettiford等人用DC磁性溅射，制出用Ru作籽晶层的CoFe/PtMn/CoFe三层膜，在直流和X波段表征了它们的磁性能。发现，Co84Fe16/Pt50Mn50/Co84Fe16三层膜在～9.5GHz附近的ΔH值达到45 Oe，而且HA值有340 Oe，是直流频率的2倍高。法国CEA gRENOBLE公司Y.Lamy等人系统研究了用NiMn，IrMn和NiO分别作AFM层、CoFe作FM层的交
微波铁氧体器件是微波/毫米波电子设备和系统中不可或缺的基础元器件，它的应用已有50多年的历史。这类产品不仅在军用雷达，通信设备，电子战，电子对抗系统，航天，航空系统中有重要用途，而且在民用通信，交通管制，医疗卫生，食品加工，甚至农业等诸多领域都得到了广泛的应用。无论是军用产品还是民用产品，市场竞争日益激烈，只有性价比高，勇于创新的产品方可取胜。
从结构上分，微波铁氧体器件有波导器件、同轴器件和带线/微带器件几种。不过，从微波设备/系统集成、模块化、小型多功能化的总体发展趋势来看，越来越多地需要小型化、片式化和与半导体器件集成组件化的磁性产品。因此，国内外都在加紧对新型磁膜微波材料和微波/毫米波单片集成电路（MMIC）磁性产品的研究与开发。
下面，介绍铁氧体器件新近的应用与技术开发现状，并展望未来微波磁性材料与器件的技术发展趋势。
2 新应用开发
这里，主要介绍微波铁氧体器件在通信卫星天线波束形成网络（BFN）和短程空/海防系统中的应用。
2.1 通信卫星天线BFN用微波铁氧体[1]
通信卫星操作人员面临着复杂多变的太空环境和技术需求，要求在航天器放到轨道上之后能够重新组合它的天线波束图案。现在，美国军用通信卫星就具有将其天线辐射图案重新组合到轨道上的能力。例如，它的国防通信卫星系统（DSCSⅢ）卫星，通过带可编程波束形成网络（BFN）的超高频多波束天线发射和接收信号。用可编程BFN，可按照地面控制的需要，使航天器天线的辐射图案再整形，由上行线路干扰机检测。目前正在设计制造中的新一代先进高频卫星，还具备自适应性上行线路置零功能。在这些应用中，BFN的作用很重要。
现有开关式和可调式两种BFN。前者的结构最简单，它由单刀双掷（SPTD）开关的二叉树组成。铁氧体丫环开关，是多数航天器传统型无源开关BFN的基本组成部件。与固体开关元件相比，铁氧体开关的主要优点是插损低，功率容量大，直流功耗小。BFN用锁式铁氧体环行器开关，其开关时间均少于1μs，在20GHz或更高频段，可在500μs以下。可调式BFN可以任意组合多波束天线端口，以任何需要的RF振幅和相位进行照射。无源可调式BFN的基本组成部件是铁氧体可调功分器（VPD），相/幅控制模块（PAC）和移相器。这些铁氧体器件都具有低插损，高功率容量和低直流功耗等特点。VPD和PAC模块，都使用铁氧体移相器作它们的微波控制关键元件。DSCSⅢ用了2只90°移相器构成VPD，它们被放置在波导魔T和90°桥接岔路之间。魔T执行进入信号的等相/幅分解，并把这些分解的输出加到铁氧体移相器的输入端。这两个信号在桥接岔路上重新组合前，由移相器调整它们的相对相位。VPD的总损耗与功率分配的置位无关，开关时间在2-5μs内。
PAC模块可使每个任意的振幅和相位在一个周期内加权，以适用于通过它们的微波信号。PAC模块由2只360°铁氧体移相器组成，它们被放置在2只功分器之间。第一只功分器将进入的信号分成2个二等分，加到移相器上。然后，调整2只移相器，使2个二等分信号重组和干扰，为输出信号获得需要的振幅和相位。
2.2短程空/海防系统用微波铁氧体开关与开关矩阵[2]
军用市场上，特别需要可靠性高、开关速度快、功率容量大的Ka波段开关与开关矩阵。苏格兰Thales MESL公司正在为短程空/海防系统开发Ka波段微波铁氧体开关与开关矩阵。这类开关运用了环形移相器技术，旨在提高功率容量和开关速度，并附加上功率分解，可选择的输出极化等特点。其典型应用是火控雷达系统，作目标识别、跟踪、火炮导引，保密通信等。
该公司开发生产了两种锁式铁氧体开关：WR28波导开关结环行器和环形铁氧体开关。前者与传统的波导环行器相似，由于没有有效的冷却措施，故平均功率仅限于数十W。他们用5只开关环行器和3个高功率负载，就构成了一个SP3T开关矩阵。控制阵列的驱动电子线路，置于安装板的尾部。
环形开关的最简单结构是，把双90°环形铁氧体移相器放在波导T形支路和耦合器之间，形成Bulter阵列结构。T形支路把输入功率分解或2个幅、相相等的信号；这些信号在耦合器中合成进入一个输出端之前，由移相器产生±90°相对相移。为提高开关的峰值功率容量，公司选用了掺稀土的微波铁氧体材料，并在驱动电子线路中增设温度传感器，根据传感信号调节电流脉冲的长短，对铁氧体作温度补偿。他们的非互易SP2T Ka波段铁氧体开关达到的性能指标如后：开关频率35GHz，带宽10%，功率容量=1400W，=120w，开关时间<2μs，工作温度在（-30～+80）℃内。把上述几只SP2T开关组合起来，可构成两种开关矩阵，从1个输入开关到4个输出中的其中1个。这种开关能提供许多附加的特点，例如一只SP4T开关，还可以通过正交模换能器，从一端选择极化输出。
3 技术开发现状
3.1 高功率低IMD表面安装环行器/隔离器[3]
为了满足无限蜂窝电话和高数据速率通信卫星日益增长的市场需求，国外REC、Temex电子等许多公司都相继推出了高功率、低交调失真（IMD）表面安装环行器和隔离器系列产品。REC公司新系列产品的最大特点是，把它们安装到用户的PCB上后可以用水洗。他们用0.031″厚的PCB作环行器底座，将所有输出端与PCB底面上的接地对接，使器件的共面度达到了±0.004″。环行器的外壳安装在PCB上部，50Ω线和半月形电镀通孔在PCB的周边，为从PCB上面到下面的接触端口提供过度；通孔用焊料填充。总热阻抗为1～2℃/W的完整通道，为接地提供了附加的散热路径。盖子用环氧树脂模注而成，用硅橡胶粘结剂可承受105～245℃温升，使其在装配过程中允许再流焊。这些新系列产品的工作频率在0.935～1.880GHz内，插损均<0.350uB，隔离>20～22dB，典型的>55dB;其高功率隔离器35ME-4EA工作在1.805～1.880GHz，可容纳连续波功率正向100W，反向80W，而IMD<75 dBc；35MB4HA型环行器的IMD< 80dBc。
3.2 用SiGe晶体管抑制YIG振荡器的相噪[4]
在1990年代初，Avantek公司给8～20GHzYIG调谐振荡器制订的相噪声性能标准是，离100KHZ载频为-108dBc/Hz。如今，美国Micro LambdaWireless公司采用IBM公司生产的低噪声SiGe异质结双结晶体管（HBT），在至15GHz代替硅双极晶管，在15GHz以上代替GaAsFET，开发成功尺寸为φ1.75″、φ1.25″和φ1″直立圆柱体结构的3种YIG振荡器产品，前两种工作在6～20GHz内；后一种工作在6～18GHz、8～18GHz，有两种规格。它们的相噪声可保证达到：离100GHz载频-123dBc/Hz，比以前的同种产品降低了15 dB，其典型值可达到-130 dBc/Hz。
3.3 光纤通信系统用可调磁光器件[5]
为了支撑不断扩大的数据传输量，光纤通信系统广泛采用了以法拉第旋转效应原理工作的磁光器件。传统型磁光隔离器和环行器，都是按固定的法拉第旋转角工作。最近，FDL公司为光纤通信开发出实用的可调磁光器件——可调光衰减器（VOA），增益均衡器和磁光开关。前两种器件是给法拉第元件加上磁场，改变光的偏振方向，以改变光的衰减量；光开关，则可以移动光的传输方向。
FDK公司研制出两种可调磁光衰减器(VOA)：使用永磁体的VOA和快速响应VOA。前者的结构与在线型磁光隔离器相似，用液相外延(TbYBi)3-(FeGa)5O12 石榴石厚膜作法拉第转子，夹在2块金红石单晶双折射楔子之间，用永磁体在光传输方向加固定磁场，使磁性晶体磁化至饱和；同时，用电磁铁在垂直方向上施加可变磁场。即，转动两个外加磁场的矢量，调节法拉第旋转角度，使加给电磁铁的控制电流可以改变光的衰减量。其最大衰减达35dB，响应时间0.6ms。为了使响应时间降至0.1ms以下，他们使用高磁导率NiCuZn铁氧体作磁轨，绕上线圈，将石榴石厚膜置于由磁轨包围的闭合磁场区中，制成快速响应的法拉第转子，通过调节供给每个线圈的电流比值来控制光衰减量。采用脉冲电流工作，光衰减时的响应时间——衰减26 dB时是24μs，衰减16dB时为40μs。
增益均衡器是在可调磁光衰减器的基础上，再加上一块折射极构成。当增大功率电流时，增益均衡器的插损耗斜率与波长之关系可由负到正连续地改变。在波长λ=1532～1565nm内。插损耗之差可由-7调到+7，其非线性度小于0.8dB，冗长损耗4dB，偏极相关损耗小于0.1dB。
磁光开关是用电磁铁在光传输方向给外延石榴石磁膜加磁场，通过反转外磁场方向来完成光传输的开和关。FDK的2×2磁光开关尺寸为43×10×6.8mm，工作波长λ=1535～1565nm，插损为0.7dB，偏振相关损耗0.05dB，回波损耗60dB。
4 未来的发展方向
灵巧便携式多功能微波电子设备及系统的迅猛发展，迫切要求减小微波铁氧体器件尺寸。尽管微波多晶铁氧体器件和单晶磁光器件在小型化方面取得了很大的进步，但是离整机和系统应用的要求相距甚远。到目前为止，绝大部分实用的微波铁氧体器件都是使用块状铁氧体材料的分立型元件，它们在微波电路中占据着很大的空间。要想使这类器件与微波集成电路匹配，以至与半导体器件和其他器件集成，最好是使用磁膜。但是从目前的制备工艺来看，铁氧体需在高温下结晶成膜，难以与半导体工艺兼容，而且普遍的温度特性差，饱和磁化强度和磁晶各向异性场低，用作微波器件需加很高的直流偏场。从这点来看，高频金属磁膜和交换耦合铁磁/反铁磁多层膜是理想的未来器件用材料。不过，在优质磁膜制造技术尚未完全实用化之前，较现实的做法是采用新工艺制造六角晶系铁氧体厚膜，减小块状铁氧体基片的厚度，采用新的微波线路结构，进一步减小器件尺寸。
4.1 低高度隔离器的开发[6]
目前，手机用隔离器产品的最小尺寸是（4×4×1.6）mm3，系集中参数型，元件数目多，设计制造工艺复杂。最近，日本大诚和宣等人采用微带线Y结线路和YIG单晶基片，开发出尺寸为（3.5×3.5×1）mm3的2GHz手机用隔离器。YIG基片厚0.3mm，放在SiO2 衬底上，用0.2mm厚铁氧体永磁片给YIG施加800 Oe偏磁场，构成环行器。给环行器的第三端加上50Ω电阻作匹配负载，并与接地GND端接，便构成了隔离器。经过优化设计和制造工艺，其隔离度可达20dB，插损<0.3dB，符合实用要求。
为了廉价批生产0.3mm厚的YIG低损耗基片，日立金属（株）S.Yamamoto等人开发了极薄烧结铁氧体新的制备技术——放电等离子体烧结法（SPS）。他们用这种工艺制得厚0.2mm的YIG烧结体，在1350℃退火10min后，线宽降至5.6KA/m，Hc=0.56KA/m。他们用0.3mm厚SPSYIG基片制成高1mm的隔离器，在5GHz的插损0.7dB，隔离23dB，达到了实用的水平。
4.2 共面波导环行器[7]
具有共面波导结构的环行器能够很好地与微波集成电路匹配，因为它的线路和接地都位于同一个面内，且容易制成图形。因此，这种环行器可采用光刻工艺，容易以低的成本制造出来。2004年，K.Oshiro等人提出了新的共面波导结构环行器（六角形），应用三维有限元法分析了器件的传输性能。为了便于制造，他们把六角形改为矩形结构。环行器有1个Y结和3个端口，信号线和接地置于同一面内，并夹在2个YIG基片与气隙之间，Y结线路四周被接地面积包围。矩形YIG基片尺寸取（10×10×0.5）mm3，磁偏场加到与基片垂直的方向上。用50Ω电阻与一个端口端接，以隔离器形式测量这种环行器的传输性能。发现，在8GHz附近器件有插损︱S21︱=4.9dB，隔离︱S12︱=28dB，隔离超过20dB的带宽是70MHz。
4.3 新一代微波器件用六角晶系铁氧体厚膜[8，9]
新一代微波磁性器件，包括隔离器、滤波器、移相器等，将是平面型、自偏、低损耗且能以超过现有器件的性能工作，并易于与半导体等器件集成。目前，最有希望制成这些器件的是具有高饱和磁化强度（4πMs）、高磁晶各向异性场（HA）的六角晶系铁氧体厚膜。
当前，国内外已采用了多种制备技术加紧研制这种磁膜。其中，用得最多的是液相外延（LPE）、丝网印刷（LTCC）和脉冲激光沉积（PLD）三项技术。美国东北大学Harris等人认为，丝网印刷是目前比较成熟的厚膜制备技术。该校Y.Chen等人在硅和氧化铝基片上分别印刷出厚100～400μm的M型钡铁氧体膜。印刷用磁粉，用传统陶瓷工艺制备。他们把制得的磁粉与粘合剂（环氧树脂和硬化剂）混合，制成了适合印刷的浆料。浆料中含有70～75wt.%Ba-M磁粉，20～25wt.%粘合剂和2～5wt.%玻璃料。把浆料印刷到基片上后，垂直于膜面施加8KOe磁场，在250℃烘干。在整个干燥过程中都加有磁场。之后，在空气中以850～1300℃烧结烘干样品2～10h。采用丝网印刷术容易制成厚度可达1mm的磁膜，成本低，且矩形比>0.95，但是它们的FMR线宽大（ΔH≌200 Oe），即器件损耗大。
采用传统的LPE技术，难以制成六角晶系铁氧体厚膜，因为它的生长速度很慢。最近，很多人对此做了改进。例如，S.Q.Yoon等人先用PLD，在（111）GGG和m面、(1100)Al2O3基片上生长Ba-M铁氧体籽晶层。接着，用LPE等温浸渍沉积Ba-M铁氧体膜，生长2h，膜的厚度达到50～200μm，生长速度达到25～100μm/h，比单用LPE提高了若干倍。他们测量生长在（111）GGG上的Ba-M膜的ΔH在58GHz~0.068kOe，在m面Al2O3上的膜在59.9GHz ΔH～0.08KOe。可见，用改进的LPE法可在GGG和Al2O3基片上均可生长出厚200μm的优质六角晶系铁氧膜，且ΔH值很小。但是，当这种膜厚超过150μm以后，会开裂，离实用器件要求>300μm也较远。
PLD是新近开发成功的薄膜生长工艺。1992年美国海洋研究所C.A.Carosella等人率先用来生长Ba-M磁膜，在58GHz其ΔH可小于66Oe。后来的很多研究证明，在>900℃的生长温度，在Al2O3、MgO、GGG基片上均可用PLD法沉积出优质Ba-M膜，其HA达到块状材料的值，高达17000 Oe。由于铁氧体的生长温度高，不适用于普通的半导体基片，Z.Chen等人选用了耐热的6H-SiC单晶作基片沉积Ba-M膜。用PLD法虽可长出ΔH值小、HA高的磁膜，但目前的生长速度比LPE慢，工艺、设备尚不够成熟，还有待进一步的开发。
4.4 使用金属磁膜的单片可调微波器件[10]
Fe、Fe-Ni金属材料具有高4πMs和高HA值，是理想的高频磁性材料。在半导体基片上沉积这类金属磁膜，开发混合结构，作为一项采用半导体工艺构成磁性MMIC，近来受到了广泛的关注，正在加紧研究与开发。例如美国Raytheon公司、科罗拉多、加州大学等，他们用Fe或Fe-Ni磁膜构成器件，利用其铁磁共振（FMR）现象完成谐振器、滤波器、移相器等的功能。Schloeman等人用离子束溅射（IBS）工艺，在（100）GaAs基片上生长出结晶方向相同的单晶Fe膜。在Fe膜上形成Al或Au带线导体，在GaAs基片里面制作G-Au接地导体。再用光刻把Fe膜和上部导体一起加工成带状线。从外部加直流磁场，便构成了磁可调谐集成器件。Camley小组采用Fe/GaAs/Fe夹层结构制成传输线器件。采用这种结构，只需加数100 Oe磁偏场，比YIG器件低很多[11]。Kuanr等人运用RF/DC磁控溅射形成Fe/Cu/GaAs结构，制作10～30GHz微带带阻滤波器，观察到3dB阻带宽约5GHz，最大衰减>50dB/cm，通带插损～2.00dB。他们还用共面波导带阻滤波器作移相器。在GaAs基片上沉积650nm厚Fe或750nm厚NiFe膜，构成共面波导线路，加900 Oe磁场把器件的FMR频率调谐到15GHz。经测试，在8GHz相移量有100°/cm，插损2dB。
4.5 交换耦合铁磁/反铁磁多层膜[12，13]
高4πMs软磁薄膜，其HA值一般都很低，从而严重限制了它们在RF/微波频段的应用。近来很多研究证明，交换偏置的铁磁（FM）/反铁磁（AFM）复合材料，由于界面作用或交换耦合，可实现单向各向异性场，并可用来提高高4πMs材料的有效各向异性场。故交换耦合FM/AFM二层或三层膜，有望用作RF/微波器件的备选材料。美国东北大学C.Pettiford等人用DC磁性溅射，制出用Ru作籽晶层的CoFe/PtMn/CoFe三层膜，在直流和X波段表征了它们的磁性能。发现，Co84Fe16/Pt50Mn50/Co84Fe16三层膜在～9.5GHz附近的ΔH值达到45 Oe，而且HA值有340 Oe，是直流频率的2倍高。法国CEA gRENOBLE公司Y.Lamy等人系统研究了用NiMn，IrMn和NiO分别作AFM层、CoFe作FM层的交
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