劉凌彤,楊青慧,杜姍姍,張懷武

(電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610054)

0 引言

釔鐵石榴石(YIG)濾波器是一類在軍事應(yīng)用和遠(yuǎn)距離通信中不可缺少的器件,可用于雷達(dá)和通信系統(tǒng)中進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)、控制射頻信號(hào)頻譜及抗干擾等方面[1-3]。如電子對(duì)抗領(lǐng)域要實(shí)現(xiàn)一體化超寬帶對(duì)抗,則需要裝配具備高選擇性、高靈敏度的超寬帶微波接收機(jī),而YIG帶阻濾波器已應(yīng)用于這種寬帶接收機(jī)的接收前端,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的選頻功能,是接收機(jī)中重要的器件[4]。YIG帶阻濾波器是基于YIG材料而設(shè)計(jì)的磁調(diào)諧帶阻濾波器。與傳統(tǒng)帶阻濾波器相比,YIG帶阻濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q值高,線性度及穩(wěn)定性高,體積小,多倍頻程調(diào)諧范圍小[5-6]。本文將介紹其設(shè)計(jì)原理,從不同類型YIG諧振器的角度出發(fā),介紹幾種YIG諧振器典型結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展并分析其優(yōu)缺點(diǎn),最后對(duì)YIG帶阻濾波器做出總結(jié)和展望。

1 YIG帶阻濾波器設(shè)計(jì)原理

與常見(jiàn)的帶阻濾波器一樣,阻帶的形成都是諧振器在中心頻率ω0從傳輸信號(hào)的微波電路中吸收能量,使得該頻率處的信號(hào)無(wú)法通過(guò)。但YIG帶阻濾波器利用YIG鐵磁共振原理,通過(guò)改變外加偏置磁場(chǎng)H0,其頻率ω0也隨之改變,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了阻帶的調(diào)諧,故YIG鐵磁共振原理是YIG帶阻濾波器設(shè)計(jì)的核心[7]。

以小球結(jié)構(gòu)的YIG諧振子為例,如圖1(a)所示,設(shè)一YIG小球置于外加偏置磁場(chǎng)H0中,則YIG小球中的各自旋磁矩沿H0方向排列,成為一個(gè)磁矩為m的磁偶極矩,當(dāng)H0方向發(fā)生改變時(shí),磁矩m的方向也隨著發(fā)生改變,基于鐵磁共振線寬ΔH,YIG諧振器是有耗諧振器,磁矩做阻尼進(jìn)動(dòng),進(jìn)動(dòng)角逐漸減小,最終磁矩m與H0方向平行。為使進(jìn)動(dòng)保持,在H0方向一定的情況下,在與磁矩m旋轉(zhuǎn)的同方向上施加一個(gè)圓極化高頻磁場(chǎng)H+,如圖1(b)所示。當(dāng)H+的頻率與磁矩m進(jìn)動(dòng)的頻率相同時(shí),則磁矩m的進(jìn)動(dòng)將會(huì)無(wú)衰減地保持下去,即發(fā)生鐵磁共振現(xiàn)象。但在與磁矩m旋轉(zhuǎn)的反方向上施加一個(gè)圓極化高頻磁場(chǎng)H-,或圓極化高頻磁場(chǎng)H+頻率與磁矩m進(jìn)動(dòng)頻率不一致時(shí),磁矩m不再做無(wú)衰減進(jìn)動(dòng)。

圖1 鐵磁共振原理示意圖

由鐵磁共振原理可知,磁矩m的進(jìn)動(dòng)得以維持,是因?yàn)榇啪豰進(jìn)動(dòng)時(shí)的阻尼得到了抵消,而圓極化高頻磁場(chǎng)H+為此提供了能量,故當(dāng)YIG小球發(fā)生鐵磁共振時(shí),諧振器從圓極化高頻磁場(chǎng)H+中吸收大量能量,在鐵磁共振頻率ω0處形成阻帶,信號(hào)無(wú)法通過(guò)[8]。

鐵磁共振頻率ω0與外加偏置磁場(chǎng)的H0呈線性關(guān)系,設(shè)在xyz坐標(biāo)系中,H0的方向與z軸平行,忽略各向異性場(chǎng), 對(duì)于橢球形YIG諧振器,諧振頻率為

(1)

式中:MS為飽和磁化強(qiáng)度;Nx、Ny、Nz分別為YIG諧振器在x、y、z方向上的去磁系數(shù),其值與YIG諧振器的形狀有關(guān),可見(jiàn)不同形狀下YIG諧振器的Nx、Ny、Nz不同,其鐵磁共振頻率ω0與外加偏置磁場(chǎng)H0的具體關(guān)系也有差異。

2 基于YIG小球設(shè)計(jì)的帶阻濾波器

小球是最早用于設(shè)計(jì)YIG帶阻濾波器的諧振器形狀,這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)非常經(jīng)典,只需一條特性阻抗?jié)M足設(shè)計(jì)要求的傳輸線與數(shù)個(gè)YIG單晶小球經(jīng)過(guò)環(huán)耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)YIG帶阻濾波器,環(huán)耦合結(jié)構(gòu)也分半環(huán)耦合結(jié)構(gòu)和整環(huán)耦合結(jié)構(gòu)。

1981年,EATON公司公開(kāi)了一種基于YIG小球設(shè)計(jì)的多導(dǎo)體鐵磁諧振耦合結(jié)構(gòu)[9],如圖2所示,這是一種可調(diào)諧帶阻濾波器結(jié)構(gòu),且濾波器結(jié)構(gòu)中特殊耦合回路可增強(qiáng)YIG小球間的耦合,同時(shí)也能減少寄生阻帶。相較于文獻(xiàn)[9]提出的半圓環(huán)耦合結(jié)構(gòu),文獻(xiàn)[10]提出一種多階的整圓環(huán)耦合結(jié)構(gòu)如圖3所示。該YIG帶阻濾波器在2～8 GHz內(nèi)可調(diào)諧,阻帶在-40 dB處的帶寬大于15 MHz(從半耦合環(huán)遞進(jìn)到整耦合環(huán))?；赮IG小球的與傳輸線的環(huán)耦合結(jié)構(gòu),美國(guó)MICRO LAMBDA公司在2008年推出了MLFRD系列多款雙通道帶阻濾波器產(chǎn)品,覆蓋整個(gè)2～18 GHz,分別為兩款低頻調(diào)諧帶阻濾波器和兩款高頻調(diào)諧帶阻濾波器,2個(gè)低頻型號(hào)提供至少5～20 MHz的-40 dB阻帶,2個(gè)高頻濾波器提供15～35 MHz的-40 dB阻帶[11]。2011年,該公司又推出MLBF系列臺(tái)式Y(jié)IG調(diào)諧濾波器,具有工作頻率高達(dá)20 GHz的帶阻信號(hào),適用于實(shí)驗(yàn)室或一般臺(tái)式應(yīng)用[12]。2020年,隋明明等利用YIG小球設(shè)計(jì)了一款中心頻率可在2～6 GHz內(nèi)調(diào)諧的帶阻濾波器,與常規(guī)器件相比,該濾波器體積縮小了13倍[3]。

圖2 半耦合環(huán)結(jié)構(gòu)的YIG帶阻濾波器圖

圖3 YIG小球與傳輸線的耦合結(jié)構(gòu)圖

3 基于YIG薄膜設(shè)計(jì)的帶阻濾波器

與YIG小球相比,基于YIG薄膜設(shè)計(jì)的YIG帶阻濾波器易制造,結(jié)構(gòu)平面化,且耦合結(jié)構(gòu)較多。 Tsai.C.S等基于YIG薄膜設(shè)計(jì)了一種寬調(diào)諧范圍的帶阻濾波器,微帶線以GaAs材料為基板,YIG薄膜放置于微帶電路上,諧振頻率的調(diào)諧范圍為1.6～13.6 GHz[13]。該團(tuán)隊(duì)在2000年對(duì)上述結(jié)構(gòu)做了改進(jìn),在可調(diào)諧范圍和阻帶深度兩方面都有很大的改善,如圖4所示[14]。將基于GaAs基板的微帶線通帶擴(kuò)展到26.5 GHz后,在相同磁化方向下實(shí)現(xiàn)阻帶調(diào)諧范圍為2.5～23 GHz,最大阻帶深度可達(dá)-38 dB。YIG帶阻濾波器實(shí)現(xiàn)的阻帶都較窄,若想獲得大的吸收帶寬,可考慮非均勻磁場(chǎng)對(duì)阻帶產(chǎn)生的影響。2005年,Tsai.C.S等將2個(gè)基于單階YIG薄膜設(shè)計(jì)的YIG帶阻濾波器結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián),2個(gè)濾波器分別置于不同磁場(chǎng)大小的外加磁場(chǎng)內(nèi),將2個(gè)中心頻率不同但相近的阻帶疊加,在通帶外電路提供寬調(diào)諧范圍(1～30 GHz),實(shí)現(xiàn)極大的吸收帶寬。如在11 GHz的阻帶中心頻率處顯示出1 900 MHz的大吸收帶寬,但平均吸收峰值較低,約為13 dB[15]。

圖4 基于單階YIG薄膜設(shè)計(jì)的YIG帶阻濾波器

雖然基于單個(gè)YIG薄膜設(shè)計(jì)的各類磁調(diào)濾波器早已應(yīng)用在系統(tǒng)中[15],但要使單階YIG帶阻濾波器實(shí)現(xiàn)較好的阻帶性能, YIG薄膜的使用面積通常較大(見(jiàn)圖4)?？紤]到Y(jié)IG諧振器成本和濾波器更大的阻帶抑制,減小YIG薄膜使用面積,采用多階YIG諧振器是一種實(shí)現(xiàn)更高性能且結(jié)構(gòu)緊湊濾波器的途徑。2003年,Marcelli R等[16]提出了一種基于2個(gè)級(jí)聯(lián)YIG/釓鎵石榴石(GGG)諧振器組合的微波可調(diào)諧帶阻濾波器結(jié)構(gòu),如圖5所示。諧振器為YIG薄膜,與文獻(xiàn)[13-15] 相比,該諧振器結(jié)構(gòu)更緊湊。利用靜磁表面波技術(shù),頻率可調(diào)諧范圍為10～17 GHz,全頻帶內(nèi)阻帶深度大于15 dB,最大阻帶深度可達(dá)-40 dB。2006年,Marcelli R等提出了新的基于兩個(gè)級(jí)聯(lián)YIG/GGG諧振器組合的微波可調(diào)諧帶阻濾波器結(jié)構(gòu)[17],用共面波導(dǎo)替代了原微帶線結(jié)構(gòu),在可調(diào)諧范圍為7.5～11.5 GHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻帶深度大于25 dB。

圖5 雙諧振器YIG帶阻濾波器

除利用YIG薄膜與傳輸線耦合的結(jié)構(gòu)外,研究者也探索了將YIG薄膜與周期光柵和電磁帶隙結(jié)構(gòu)結(jié)合的可能性。A.Maeda等利用機(jī)械工藝在YIG薄膜表面雕刻出各種周期光柵[18],并利用YIG光柵制備了一種可調(diào)諧帶阻濾波器,其在阻帶內(nèi)具有較高的抑制度,在中心頻率為3 GHz處陷波高達(dá)-40 dB,但阻帶外的插入損耗較大。2019年,Alina Cismaru等探索了YIG薄膜與耦合線結(jié)構(gòu)的EMBG諧振器間的耦合,設(shè)計(jì)了一種調(diào)諧范圍為5～18 GHz的YIG可調(diào)諧帶阻濾波器,在高階模式下阻帶深度可達(dá)-25 dB,顯示出良好的選擇性,電路結(jié)構(gòu)如圖6所示[19]。

圖6 基于EMBG結(jié)構(gòu)的YIG帶阻濾波器

4 基于YIG基板的微帶線帶阻濾波器

以YIG材料為電路基板設(shè)計(jì)磁調(diào)帶阻濾波器是一種新穎的設(shè)計(jì)思路,但這方面的研究較少,與用YIG小球或YIG薄膜來(lái)設(shè)計(jì)可調(diào)諧帶阻濾波器的設(shè)計(jì)原理不同,其中心思想是以部分磁化的方式,改變外加偏置磁場(chǎng)H0來(lái)控制YIG基板的張量磁導(dǎo)率,YIG基板的張量磁導(dǎo)率進(jìn)一步影響基板上微帶線帶阻濾波器的中心頻率f0,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微帶線帶阻濾波器的頻率可調(diào)諧。2019年,ZERMANE A等[20]提出一種工作在X波段的YIG可調(diào)諧帶阻濾波器,如圖7所示。將YIG材料設(shè)為基板,基板上實(shí)現(xiàn)方形回匝開(kāi)口諧振環(huán)的超材料圖案,微帶電路為阻帶傳輸特性,在較低強(qiáng)度范圍內(nèi)改變外加偏置磁場(chǎng),使YIG材料處在部分磁化狀態(tài),H0影響張量磁導(dǎo)率,進(jìn)而影響阻帶中心頻率,在超材料圖案形成的阻帶中心頻率處獲得高達(dá)10.81%的可調(diào)性,且濾波器整體結(jié)構(gòu)緊湊,實(shí)現(xiàn)了濾波器小型化。

圖7 基于YIG襯底的磁調(diào)帶阻濾波器

5 結(jié)束語(yǔ)

以MICRO LAMBDA公司為首,基于小球結(jié)構(gòu)的YIG帶阻濾波器仍是主流,因?yàn)閅IG小球接近于橢圓結(jié)構(gòu),具有溫度穩(wěn)定軸可調(diào)節(jié),激發(fā)的射頻磁場(chǎng)均勻等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)利用小球結(jié)構(gòu)的YIG帶阻濾波器的設(shè)計(jì)理論已較成熟,但YIG小球腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜,結(jié)構(gòu)立體,不便于微波集成。此外,目前這類器件的直通傳輸?shù)陀?0 GHz[21],這些問(wèn)題限制了YIG帶阻濾波器在更高頻率及多功能集成方面的發(fā)展。在國(guó)內(nèi)工藝方面仍存在改進(jìn)的空間,主要集中在YIG小球的量產(chǎn)、器件裝配及調(diào)試等方面,使用平面結(jié)構(gòu)的YIG薄膜可避免小球結(jié)構(gòu)面臨的諧振器晶向調(diào)節(jié)、制備、裝配及集成化等方面的問(wèn)題[22]。目前采用單個(gè)YIG薄膜諧振器的YIG帶阻濾波器雖然可實(shí)現(xiàn)阻帶的激勵(lì),但存在阻帶深度小及帶寬窄等缺點(diǎn)。這類YIG帶阻濾波器的YIG薄膜平面面積較大,存在磁路體積大和功耗高等問(wèn)題。減小YIG薄膜的使用面積并采用多諧振器結(jié)構(gòu)的YIG帶阻濾波器具有低成本、小體積及低功耗等優(yōu)點(diǎn)。多諧振器結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)阻帶的選擇性,加大阻帶內(nèi)的衰減,所以無(wú)論是經(jīng)濟(jì)或性能上,多諧振器結(jié)構(gòu)YIG帶阻濾波器更具有工程實(shí)用意義。但與小球結(jié)構(gòu)相比,YIG薄膜會(huì)面臨退磁場(chǎng)大、激勵(lì)的射頻磁場(chǎng)不均勻易激寄生阻帶等問(wèn)題。將YIG材料設(shè)作電路基板為YIG帶阻濾波器平面化設(shè)計(jì)提供了新思路,目前用這種方法設(shè)計(jì)的YIG帶阻濾波器的結(jié)構(gòu)緊湊,易集成,但阻帶中心頻率的可調(diào)諧范圍窄,線性度低,不能很好地滿足工程需求?？傮w來(lái)說(shuō),與YIG小球相比,YIG薄膜仍在微波易集成及低成本等方面具備優(yōu)勢(shì)。隨著器件將朝向集成化發(fā)展,利用YIG薄膜技術(shù),設(shè)計(jì)更緊湊平面化的多倍頻程調(diào)諧的YIG帶阻濾波器迫在眉睫,進(jìn)一步推動(dòng)整機(jī)的小型化、輕量化發(fā)展。