彭國豪，朱永忠，劉曉宇

(中國人民武裝警察部隊(duì)工程大學(xué)信息工程學(xué)院，西安 710086)

0 引言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的快速發(fā)展，頻譜資源變的日益緊張給無線通信帶來了巨大的挑戰(zhàn)，同時(shí)也促進(jìn)了可調(diào)微波器件的飛速發(fā)展。磁可調(diào)，電可調(diào)微波器件在通信領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而傳統(tǒng)的電可調(diào)微波器件雖然調(diào)節(jié)速度快，體積小，容易實(shí)現(xiàn)小型化，但是其調(diào)節(jié)范圍窄，品質(zhì)因子不高；磁可調(diào)微波器件通過改變偏置磁場可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶可調(diào)，但是難以實(shí)現(xiàn)小型化，調(diào)節(jié)速度慢。綜合考慮這兩種可調(diào)方式的優(yōu)劣特性和現(xiàn)今微波器件對可調(diào)微波器件品質(zhì)因數(shù)，調(diào)節(jié)速度和范圍，以微波損耗等要求較高的原因磁電雙可調(diào)濾波器越來越受到國內(nèi)外研究學(xué)者的青睞。

磁電雙可調(diào)即是利用磁電復(fù)合材料的鐵磁共振效應(yīng)(FMR)綜合磁可調(diào)和電可調(diào)兩種方式，利用磁場實(shí)現(xiàn)粗調(diào)，外加電場實(shí)現(xiàn)小范圍精確可調(diào)。這種磁電雙可調(diào)綜合磁可調(diào)，電可調(diào)優(yōu)點(diǎn)，具有功耗小，方便小型化，調(diào)節(jié)速度快，高Q值等特點(diǎn)，磁電雙可調(diào)微波器件逐漸成為研究人員的熱點(diǎn)。

1 磁可調(diào)濾波器種類及實(shí)現(xiàn)方法

磁可調(diào)主要采用YIG以及其他磁性材料改變?yōu)V波器性能實(shí)現(xiàn)磁可調(diào)。YIG即釔鐵石榴石，因?yàn)槠渚哂辛己玫碾姶判阅鼙粡V泛的應(yīng)用于各種微波器件中。

1.1 YIG薄膜

采用磁性薄膜材料和濾波器設(shè)計(jì)結(jié)合。

Hoton How第一次提出用金屬磁性薄膜代替鐵氧體來改善帶通特性的設(shè)計(jì)[1]。相比傳統(tǒng)鐵氧體材料利用鐵磁諧振原理，磁性金屬薄膜使用鐵磁抗諧振原理。利用復(fù)合微帶線，在其襯底層插入一層薄的磁性金屬薄膜，通過控制外加偏置電場，使得其中心頻率可調(diào)。

日本Makoto Tsutsumi采用YBCO和YIG即鐵氧體和超導(dǎo)體復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了磁可調(diào)微帶濾波器[2]。為了使射頻場與超導(dǎo)體產(chǎn)生更大的相互作用，YIG薄膜盡可能靠近條帶，如圖1兩種不同的利用超導(dǎo)體和 YIG 薄膜的微帶線結(jié)構(gòu)。

然后采用外延生長在釓鎵石榴石(GGG)襯底上的薄膜，利用外加直流場改變磁導(dǎo)率的物理機(jī)制，得到磁可調(diào)濾波器。在橫軸方向上施加直流磁場，通過一對各為300匝的亥姆霍茲線圈(如圖2)進(jìn)行波的傳播。這種磁場方向的優(yōu)點(diǎn)是退磁效果小，超導(dǎo)體與表面波相互作用強(qiáng)。實(shí)現(xiàn)400Mhz的可調(diào)頻率。

圖1 兩種不同的微帶線結(jié)構(gòu)

圖2 亥姆霍茲線圈測試結(jié)構(gòu)

C.S.Tsai采用YIG薄膜與GaAs工藝相結(jié)合，利用YIG自身FMR特性進(jìn)行帶通和帶阻設(shè)計(jì)[3]。如圖3所示沿微帶入射的微波發(fā)射門被耦合到Y(jié)IG/GGG層和最大耦合中，因此，當(dāng)微波發(fā)射門的載流子頻率與FMR頻率重合時(shí)，微波發(fā)射門的峰值吸收。這種帶阻濾波器已經(jīng)證明了頻率調(diào)諧范圍高達(dá)1.0到30.0 GHz，并且在FMR頻率處信號(hào)吸收水平為37 dB。利用一對級聯(lián)帶阻濾波器，分別施加不同的磁場，可以實(shí)現(xiàn)中心頻率和帶寬可調(diào)的帶通濾波器。

圖3 使用YIG/GGG-GaAs倒裝芯片的微波帶阻濾波器

文獻(xiàn)[4]利用YIG小球設(shè)計(jì)出2GHz-8GHz的阻帶濾波器如圖4所示，在YIG小球未諧振時(shí)，耦合結(jié)構(gòu)類似于一個(gè)低通濾波器，當(dāng)其諧振時(shí)等效為一個(gè)帶阻濾波器如圖5所示。利用低通歡耦合線16級YIG小球諧振器，解決了長期以來阻帶高度和寬度不高的問題，成功避免了帶外靜磁模疊加，使假響應(yīng)大幅降低。

圖4 (a)低通濾波器等效原理圖(b)帶阻濾波器等效原理圖

文獻(xiàn)[5]用YIG單晶鐵氧體小球諧振子，通過改進(jìn)耦合結(jié)構(gòu)，利用其鐵磁諧振的原理設(shè)計(jì)出7GHz-40GHz調(diào)諧帶通濾波器如圖5所示。

圖5 YIG帶阻濾波器示意圖

1.2 磁性材料填充

通過外加磁場改變塊狀磁性材料磁導(dǎo)率，從而調(diào)整濾波器腔體性能。

Keum C.Hwang等人研制了一種WR-90矩形波導(dǎo)(22.86 10.16 mm)頻率可調(diào)陷波濾波器[6]。如圖6所示矩形波導(dǎo)窄邊的四個(gè)矩形槽(10.16 mm)中填充鐵氧體。通過減小兩塊磁體之間的距離，利用兩塊磁棒產(chǎn)生的直流磁場可達(dá)1300oe。發(fā)現(xiàn)，通過改變直流磁場從0oe到5830oe,中心頻率調(diào)諧范圍在8.6GHZ到11.3GHZ。

A.S.Horton等人提出一種可通過鐵磁體負(fù)載的可調(diào)微帶濾波器[7]。如圖7所示在微帶存根下方的通道中，填充部分鐵磁流體，鐵磁流體響應(yīng)置于地面下方的自流偏置場而移動(dòng)，從而導(dǎo)致存根截面阻抗和傳播常數(shù)的變化以及濾波元件的調(diào)諧。

圖6 WR-90波導(dǎo)中填充鐵氧體的中心頻率可調(diào)陷波濾波器

圖7 BSF示意圖

文獻(xiàn)[8]報(bào)道了一種在硅片上制備的C波段BSF。利用單傳輸線下的FeGaB/AL2O3多層膜，制成細(xì)長帶狀。BSF利用其形狀各向異性，在5GHZ處表現(xiàn)出自共振，衰減率高達(dá)20dB以上。此外，通過施加相當(dāng)小的磁場 ，達(dá)到400oe，頻率從5移到8.5GHZ以上，可調(diào)諧70%。

圖8 雙極性帶通濾波器

0noel Acar等人在2015年提出利用橫向偏置鐵氧體負(fù)載的同軸諧振腔設(shè)計(jì)雙極性帶通濾波器[9]。通過改變電感，使得諧振器的中心頻率發(fā)生改變。如圖8所示在同軸腔一端短路，另一端有電容，形成諧振器。在電容器端子處，短路的同軸傳輸線表現(xiàn)出電感特性，在導(dǎo)納相互抵消的頻率處產(chǎn)生共振。同軸傳輸線中填充鐵氧體，在外加直流磁場的作用下，在軸向飽和，可以維持一種類似于空心同軸橫向電磁模(TEM)的傳輸模式。因此上述腔的同軸段可以插入鐵氧體，從而產(chǎn)生相同工作原理的諧振器。諧振器可以通過改變外加電場強(qiáng)度來調(diào)諧。該濾波器能產(chǎn)生更高的品質(zhì)因素。等效電路如圖9所示。

圖9 橫向偏置鐵氧體負(fù)載的短同軸諧振腔與等效電路

1.3 磁性材料基板

利用磁性材料基板進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)

X.Yang教授組利用YIG材料為基板，通過改變外置磁場使其從0-100oe，插入損耗為1.1-1.25DB，其可調(diào)諧范圍為380MHz[10]。2015年Eyad Arabi通過LTCC技術(shù)與鐵氧體材料結(jié)合[11]。于磁可調(diào)濾波器大多基于FMR材料，通過改變FMR頻率實(shí)現(xiàn)可調(diào)性，需要有很大的偏置場(koe級)，這對很多小型化設(shè)備來說非常困難。如果采用鐵氧體部分磁化，可以獲得良好的可調(diào)性，偏置場也小得多，于是采用嵌入式線圈代替外部線圈(如圖10)，鐵氧體材料大大減少濾波器尺寸和偏置場而且還有很好的可調(diào)性。

2016年張知之等人通過設(shè)計(jì)不同的Ms鐵氧體襯底，研究鐵氧體基片在不同磁化狀態(tài)下對平行耦合微帶磁可調(diào)帶通濾波器性能影響設(shè)計(jì)出適用于不同質(zhì)譜的YIG鐵氧體基片的C波段可調(diào)濾波器[12]。在外場作用下，YIG中心頻率在0-200Oe下有5.60GHz向下移動(dòng)至4.86GHz，在200Oe-720Oe下由4.86GHz向上移動(dòng)到5.05GHz。其帶寬在0-200Oe下有0.24GHz擴(kuò)展到0.45GHz，并且隨著外場進(jìn)一步增加，帶寬幾乎保持不變。

圖10 LTCC帶通濾波器結(jié)構(gòu)圖

2 電可調(diào)濾波器種類及實(shí)現(xiàn)方法

電可調(diào)濾波器主要采用變?nèi)莨?、PIN二極管等電子元件實(shí)現(xiàn)濾波器參數(shù)可調(diào)。由于其調(diào)諧速度快，精度較高，易于集成，適合同時(shí)調(diào)節(jié)多個(gè)參數(shù)，在可調(diào)濾波器領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

2.1 PIN二極管

PIN結(jié)合濾波器主要利用PIN的單向?qū)ㄐ阅芷鸬揭粋€(gè)開關(guān)作用，實(shí)現(xiàn)濾波器中心頻率不變的情況下帶寬可切換。Kai Chang 第一次提出利用PIN二極管進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)[13]。2003年Christen Rauscher采用多種PIN二極管，將PIN管當(dāng)做開關(guān)，實(shí)現(xiàn)濾波器中心頻率不變，帶寬在500MHz-1500MHz可調(diào)[14]。文獻(xiàn)[15]提出一種利用PIN二極管與濾波器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)中心頻率不變，帶寬可調(diào)。

2.2 半導(dǎo)體變?nèi)莨?/h3>

由于半導(dǎo)體變?nèi)莨艹杀据^低，反應(yīng)速度快，在電可調(diào)濾波器中應(yīng)用廣泛。2008年Sang-June Park等人首先采用變?nèi)莨芎椭C振器結(jié)合通過調(diào)節(jié)諧振器耦合系數(shù)實(shí)現(xiàn)中心頻率可調(diào)濾波器[16]。此外，G.Chaudhary等人也通過變?nèi)莨芙Y(jié)合濾波器實(shí)現(xiàn)雙模帶寬中心頻率可調(diào)濾波器[17]。文獻(xiàn)[18]提出一種變?nèi)莨芙Y(jié)合SIW消逝模腔體，實(shí)現(xiàn)中心頻率在2.8GHz-4.2GHz范圍內(nèi)可調(diào)。

2.3 MEMS技術(shù)

由于MEMS技術(shù)具有Q值高，功耗低，線性度高等優(yōu)點(diǎn)，如今已經(jīng)成為電可調(diào)濾波的主要方式。文獻(xiàn)[19]提出一種將MEMS技術(shù)與濾波器集總元件結(jié)合，通過MEMS設(shè)計(jì)開關(guān)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)濾波器中心頻率和帶寬可調(diào)如圖11所示。Raafat R.Mansour團(tuán)隊(duì)也設(shè)計(jì)出基于MEMS開關(guān)的可調(diào)濾波器[20]。

圖11 MEMS開關(guān)濾波器

3 磁電雙可調(diào)濾波器種類及分析

磁電雙可調(diào)濾波器，主要采用磁電復(fù)合材料和磁可調(diào)器件與電可調(diào)器件混合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙調(diào)諧。

3.1 磁電復(fù)合材料

文獻(xiàn)[21]提出一種可以通過磁電相互作用實(shí)現(xiàn)電可調(diào)的鐵氧體-鐵電微波帶通濾波器的設(shè)計(jì)。將耦合微帶線與YIG/PMN-PT組成的磁電復(fù)合材料結(jié)合，使得復(fù)合材料在電場的作用下發(fā)生形變，表現(xiàn)為鐵氧體鐵磁諧振中的磁場位移。由于電調(diào)諧比傳統(tǒng)磁調(diào)諧速度快得多，而且?guī)缀鯖]有什么功耗。文獻(xiàn)[22]設(shè)計(jì)并制作了基于YIG/PMN-PT雙分子層鐵磁共振的磁、電雙可調(diào)濾波器。文獻(xiàn)[23]利用鐵氧體在微波和偏磁場作用下會(huì)產(chǎn)生鐵磁共振吸收電磁場能量的原理，通過階躍阻抗微帶線和磁電層合材料的結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款 TD-SCDMA 頻段的雙頻通帶特性濾波器(如圖12)，但插損較大。文獻(xiàn)[24]制備了可調(diào)的六角晶鐵氧體/壓電磁電雙可調(diào)微帶諧振器，該磁電微波諧振器能較理想的實(shí)現(xiàn)大范圍的磁場粗調(diào)節(jié)及小范圍的電場精調(diào)節(jié)。

文獻(xiàn)[25]設(shè)計(jì)了一種基于鐵磁諧振的可調(diào)諧微帶帶通濾波器如圖13所示。通過磁電耦合實(shí)現(xiàn)濾波器可調(diào)。由于磁電材料具有很強(qiáng)的磁場與電場能量轉(zhuǎn)換的能力。利用其特點(diǎn)PZT板上施加電場，通過層和層的機(jī)械形變實(shí)現(xiàn)電調(diào)諧，電場引起的FMR頻移效應(yīng)YIG薄膜中磁場的頻移效應(yīng)基本相同。利用面內(nèi)磁場和面外磁場通過FMR實(shí)現(xiàn)磁調(diào)諧。中國計(jì)量大學(xué)周浩淼[26-27]同樣類似原理采用YIG/PZT材料，設(shè)計(jì)出中心頻率可調(diào)的帶通濾波器。

(a)加載集總電容和鐵氧體板的諧振腔

(b)等效模型

圖13 磁電帶通濾波器原理圖

2015年Lin H利用鎳鋅鐵氧體復(fù)合材料設(shè)計(jì)出倒S型磁電雙可調(diào)濾波器[28]。

3.2 電可調(diào)和磁可調(diào)器件混合結(jié)構(gòu)

電可調(diào)和磁可調(diào)二維結(jié)合實(shí)現(xiàn)磁電雙可調(diào)研究較少[29-31]。文獻(xiàn)[29]出一種基于SIW的電磁二維調(diào)諧設(shè)備。該設(shè)備采用鐵氧體，變?nèi)萜骱蚐IW濾波器結(jié)合分別實(shí)現(xiàn)磁可調(diào)、電可調(diào)，最終將二者結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)二維電磁可調(diào)濾波器設(shè)計(jì)。首先磁調(diào)諧是一個(gè)加載在電空腔的壁端的平面鐵氧體板，而電調(diào)諧是一個(gè)集總電容上下導(dǎo)體之間連接在中央?yún)^(qū)域的空腔。通過對特征方程求解，得出了諧振腔頻率隨電、磁調(diào)諧元件值的變化關(guān)系。實(shí)現(xiàn)了電磁二維可調(diào)。

3.3 RE MEMS技術(shù)

RE MEMS技術(shù)即MEMS 技術(shù)與RF技術(shù)的結(jié)合。為磁電雙可調(diào)濾波器的實(shí)現(xiàn)提供了新的方法。Haider Lin利用(NEMS)技術(shù)耦合環(huán)形薄膜體諧振器(FBAR)利用壓磁FeGaB和壓電AIN薄膜之間的強(qiáng)磁電效應(yīng)聲波可以與輻射電磁波強(qiáng)耦合，鐵磁相的磁各向異性可以通過施加在壓磁層上的電壓控制，實(shí)現(xiàn)中心頻率可調(diào)[31](如圖14)。文獻(xiàn)[32]一種(RF MEMS)可調(diào)諧濾波器基于電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)。此外，中國許多學(xué)者也對磁電雙可調(diào)濾波器開始展開研究。

圖14 NEME ME層狀結(jié)構(gòu)帶通濾波器

3.4 磁電雙可調(diào)濾波器小型化分析

磁電雙可調(diào)濾波器采用磁電復(fù)合材料時(shí)，主要利用磁場實(shí)現(xiàn)粗調(diào)，利用電場實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)，雖然調(diào)節(jié)范圍大但是調(diào)節(jié)過程中需要外置偏置線圈難以做到小型化。

傳統(tǒng)鐵氧體材料進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)中，由于鐵氧體材料介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的影響，嚴(yán)重制約了濾波器小型化設(shè)計(jì)。因此，有學(xué)者考慮采用改進(jìn)材料降低介電常數(shù)和磁導(dǎo)率進(jìn)行濾波器小型化設(shè)計(jì)。中國計(jì)量學(xué)院周浩淼提出一種發(fā)卡型磁電雙可調(diào)濾波器磁電層合材料利用其高介電常數(shù)和高磁導(dǎo)率的特性實(shí)現(xiàn)濾波器小型化，通過改變電磁鐵電流大小和N、S之間距離以及壓電相上下金屬薄膜電壓實(shí)現(xiàn)濾波器磁電雙可調(diào)[33]。

3.5 磁電雙可調(diào)濾波器全可調(diào)分析

全可調(diào)濾波器是指能夠同時(shí)滿足中心頻率，帶寬，傳輸零點(diǎn)，階數(shù)等濾波性能可重構(gòu)特性，使得其能夠靈活的抑制各種干擾信號(hào)，傳輸損耗大大減少。磁電雙可調(diào)濾波器兩種設(shè)計(jì)方式對全可調(diào)磁電濾波器的研究較少。

磁電復(fù)合材料利用磁場實(shí)現(xiàn)粗調(diào)，利用電場實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)無法實(shí)現(xiàn)帶寬、中心頻率、傳輸零點(diǎn)等多功能同時(shí)可調(diào)，電可調(diào)和磁可調(diào)器件混合結(jié)構(gòu)雖然可以實(shí)現(xiàn)中心頻率和帶寬可調(diào)但是調(diào)諧范圍有限。

2008年，國立臺(tái)灣大學(xué)的丘剛利用釔鐵石榴石/釓鎵石榴石砷化鎵(YIG/GGG-GaAs)材料設(shè)計(jì)出中心頻率和帶寬可調(diào)的磁可調(diào)濾波器[34]。2011年，美國東北大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系楊國民采用YIG薄膜設(shè)計(jì)出中心頻率和帶寬可調(diào)的磁可調(diào)濾波器[35]。2015年， Sulav Adhikari等人基于半?；刹▽?dǎo)(HMSIW)的方法，設(shè)計(jì)了一種新穎的中心頻率和帶寬可調(diào)磁電雙可調(diào)濾波器[36]。

4 總結(jié)與展望

磁電雙可調(diào)濾波器提出后吸引了國內(nèi)外眾多研究人員的興趣逐漸成為學(xué)術(shù)界研熱點(diǎn)。隨著磁電材料和微波技術(shù)的發(fā)展，磁電雙可調(diào)濾波器的研究有了一定進(jìn)展，雖然磁電雙可調(diào)濾波利用電和磁兩種方法，使得可調(diào)方式多樣化，并且大大提高了調(diào)節(jié)的精度，范圍但也存在許多不足：(1)磁電雙可調(diào)濾波器調(diào)節(jié)功能有限，絕大多數(shù)只能利用磁電復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)中心頻率或者帶寬單一性能可調(diào)，無法滿足完全現(xiàn)在高速發(fā)展的毫米波器件的嚴(yán)格要求實(shí)現(xiàn)全可調(diào)。(2)磁調(diào)諧需要到偏置線圈對器件小型化，集成化難以實(shí)現(xiàn)。(3)磁電雙可調(diào)濾波器大多采用傳統(tǒng)微帶線結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)限制性能有待提高。

針對以上問題在未來濾波器設(shè)計(jì)中可以考慮結(jié)合重量輕，低損耗的低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)利用其便于大規(guī)模生產(chǎn)的特點(diǎn)和高集成度的基片集成波導(dǎo)(SIW)諧振腔的高品質(zhì)特點(diǎn)，開發(fā)設(shè)計(jì)出無論是性能還是集成度上滿足現(xiàn)代通信需求的多層LTCC基片集成波導(dǎo)多功能可調(diào)濾波器，這將大大提高濾波器的可調(diào)和可控范圍，為毫米波器件帶來全新的技術(shù)發(fā)展，這將會(huì)對未來微波通信產(chǎn)生重大的影響。