YIG带阻滤波器的研究进展.pdf
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1、第4 5卷第4期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.42 0 2 3年8月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S TOO P T I C SA u g.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 2-2 1 基金项目:国际合作项目(S Q 2 0 1 8 Y F E 0 2 0 5 6 0 0);国家自然科学基金资助项目(5 2 0 7 2 0 6 2;5 1 4 7 2 0 4 6)作者简介:刘凌彤(1 9 9 6-),女,四川省广安市人,硕士生,主要从事微波磁性器件的研究。通信作者:杨青慧(1 9 7 9-),教授,主要从事液相外延及微波毫米器件
2、的研究。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 4-0 5 6 6-0 4D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 4.0 1 7Y I G带阻滤波器的研究进展刘凌彤,杨青慧,杜姗姗,张怀武(电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川 成都6 1 0 0 5 4)摘 要:随着通信与雷达系统在高频、宽带和小型化方面的高速发展,钇铁石榴石(Y I G)带阻滤波器是其发展道路中不可缺少的磁调谐器件。该文针对Y I G带阻滤波器阐述了Y I G带阻滤波器设计原理,介绍了近年来几种典型谐振器结构的发展状
3、况,并分析了这几种结构的优缺点。关键词:钇铁石榴石(Y I G);带阻滤波器;磁调谐中图分类号:T N 6 1 文献标志码:A R e v i e wo fR e s e a r c hP r o g r e s so fY I GB a n d s t o pf i l t e rL I UL i n g t o n g,Y A N GQ i n g h u i,D US h a n s h a n,Z H A N GH u a i w u(S t a t eK e yL a b.o fE l e c t r o n i cT h i nF i l m sa n dI n t e g r a
4、 t e dD e v i c e s,U n i v e r s i t yo fE l e c t r o n i cS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo fC h i n a,C h e n g d u6 1 0 0 5 4,C h i n a)A b s t r a c t:W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o mm u n i c a t i o na n dr a d a rs y s t e m st o w a r dh i g hf r e q u e n c y,b r o
5、a d b a n da n dm i n i a t u r i z a t i o n,Y t t r i u mi r o ng a r n e t(Y I G)b a n d-s t o pf i l t e r i sa n i n d i s p e n s a b l em a g n e t i c t u n i n gd e v i c e i n i t sd e-v e l o p m e n tp a t h.T h i sp a p e r d e s c r i b e s t h ed e s i g np r i n c i p l e o fY I Gb a
6、 n d-s t o p f i l t e r,i n t r o d u c e s t h ed e v e l o p m e n t s t a t u so f s e v e r a l t y p i c a l r e s o n a t o r s t r u c t u r e s i nr e c e n t y e a r s,a n da n a l y z e s t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h e s e s t r u c-t u r e s.K e yw o r d
7、 s:Y I G;b a n d-s t o pf i l t e r;m a g n e t i c t u n i n g 0 引言钇铁石榴石(Y I G)滤波器是一类在军事应用和远距离通信中不可缺少的器件,可用于雷达和通信系统中进行信号检测、控制射频信号频谱及抗干扰等方面1-3。如电子对抗领域要实现一体化超宽带对抗,则需要装配具备高选择性、高灵敏度的超宽带微波接收机,而Y I G带阻滤波器已应用于这种宽带接收机的接收前端,实现信号的选频功能,是接收机中重要的器件4。Y I G带阻滤波器是基于Y I G材料而设计的磁调谐带阻滤波器。与传统带阻滤波器相比,Y I G带阻滤波器的品质因数Q值高
8、,线性度及稳定性高,体积小,多倍频程调谐范围小5-6。本文将介绍其设计原理,从不同类型Y I G谐振器的角度出发,介绍几种Y I G谐振器典型结构的研究进展并分析其优缺点,最后对Y I G带阻滤波器做出总结和展望。1 Y I G带阻滤波器设计原理与常见的带阻滤波器一样,阻带的形成都是谐振器在中心频率0从传输信号的微波电路中吸收能量,使得该频率处的信号无法通过。但Y I G带阻滤波器利用Y I G铁磁共振原理,通过改变外加偏置磁场H0,其频率0也随之改变,进而实现了阻带的调谐,故Y I G铁磁共振原理是Y I G带阻滤波器设计的核心7。以小球结构的Y I G谐振子为例,如图1(a)所示,设一Y
9、I G小球置于外加偏置磁场H0中,则Y I G小球中的各自旋磁矩沿H0方向排列,成为一个磁矩为m的磁偶极矩,当H0方向发生改变时,磁矩m的方向也随着发生改变,基于铁磁共振线宽H,Y I G谐振器是有耗谐振器,磁矩做阻尼进动,进动角逐渐减小,最终磁矩m与H0方向平行。为使进动保持,在H0方向一定的情况下,在与磁矩m旋转的同方向上施加一个圆极化高频磁场H+,如图1(b)所示。当H+的频率与磁矩m进动的频率相同时,则磁矩m的进动将会无衰减地保持下去,即发生铁磁共振现象。但在与磁矩m旋转的反方向上施加一个圆极化高频磁场H-,或圆极化高频磁场H+频率与磁矩m进动频率不一致时,磁矩m不再做无衰减进动。图1
10、 铁磁共振原理示意图由铁磁共振原理可知,磁矩m的进动得以维持,是因为磁矩m进动时的阻尼得到了抵消,而圆极化高频磁场H+为此提供了能量,故当Y I G小球发生铁磁共振时,谐振器从圆极化高频磁场H+中吸收大量能量,在铁磁共振频率0处形成阻带,信号无法通过8。铁磁共振频率0与外加偏置磁场的H0呈线性关系,设在x y z坐标系中,H0的方向与z轴平行,忽略各向异性场,对于椭球形Y I G谐振器,谐振频率为f0=2.8H0-Nz-Nx()4 MS12H0-(Nz-Ny)4 MS12(1)式中:MS为饱和磁化强度;Nx、Ny、Nz分别为Y I G谐振器在x、y、z方向上的去磁系数,其值与Y I G谐振器的
11、形状有关,可见不同形状下Y I G谐振器的Nx、Ny、Nz不同,其铁磁共振频率0与外加偏置磁场H0的具体关系也有差异。2 基于Y I G小球设计的带阻滤波器小球是最早用于设计Y I G带阻滤波器的谐振器形状,这种设计结构非常经典,只需一条特性阻抗满足设计要求的传输线与数个Y I G单晶小球经过环耦合结构设计即可实现Y I G带阻滤波器,环耦合结构也分半环耦合结构和整环耦合结构。1 9 8 1年,E ATON公司公开了一种基于Y I G小球设计的多导体铁磁谐振耦合结构9,如图2所示,这是一种可调谐带阻滤波器结构,且滤波器结构中特殊耦合回路可增强Y I G小球间的耦合,同时也能减少寄生阻带。相较于
12、文献9 提出的半圆环耦合结构,文献1 0 提出一种多阶的整圆环耦合结构如图3所示。该Y I G带阻滤波器在28GH z内可调谐,阻带在-4 0d B处的带宽大于1 5MH z(从半耦合环递进到整耦合环)。基于Y I G小球的与传输线的环 耦 合 结 构,美 国M I C R O L AMB D A公 司 在2 0 0 8年推出了ML F R D系列多款双通道带阻滤波器产品,覆盖整个21 8GH z,分别为两款低频调谐带阻滤波器和两款高频调谐带阻滤波器,2个低频型号提供至少52 0MH z的-4 0d B阻带,2个高频滤波器提供1 53 5 MH z的-4 0d B阻带1 1。2 0 1 1年,
13、该公司又推出ML B F系列台式Y I G调谐滤波器,具有工作频率高达2 0GH z的带阻信号,适用于实验室或一般台式应用1 2。2 0 2 0年,隋明明等利用Y I G小球设计了一款中心频率 可在26GH z内调谐的带阻滤波器,与常规器件相比,该滤波器体积缩小了1 3倍3。图2 半耦合环结构的Y I G带阻滤波器图图3 Y I G小球与传输线的耦合结构图3 基于Y I G薄膜设计的带阻滤波器与Y I G小球相比,基于Y I G薄膜设计的Y I G带阻滤波器易制造,结构平面化,且耦合结构较多。T s a i.C.S等基于Y I G薄膜设计了一种宽调谐范围的带阻滤波器,微带线以G a A s材料
14、为基板,Y I G薄膜放置于微带电路上,谐振频率的调谐范围为1.61 3.6GH z1 3。该团队在2 0 0 0年对上述结构做了改进,在可调谐范围和阻带深度两方面都有很大的改善,如图4所示1 4。将基于G a A s基板的微带线通带扩展到2 6.5GH z后,在相同磁化方向下实现阻带调谐范围为2.52 3GH z,最大阻带深度可达-3 8d B。Y I G带阻滤波器实现的阻带都较窄,若想获得大的吸收带宽,可考虑非均匀磁场对阻带产生的影响。2 0 0 5年,T s a i.C.S等将2个基于单阶Y I G薄膜设计的Y I G带阻滤波器结构级联,2个滤波器分别置于不同磁场大小的外加磁场内,将2个
15、中心765 第4期刘凌彤等:Y I G带阻滤波器的研究进展频率不同但相近的阻带叠加,在通带外电路提供宽调谐范围(13 0GH z),实现极大的吸收带宽。如在1 1GH z的阻带中心频率处显示出19 0 0MH z的大吸收带宽,但平均吸收峰值较低,约为1 3d B1 5。图4 基于单阶Y I G薄膜设计的Y I G带阻滤波器虽然基于单个Y I G薄膜设计的各类磁调滤波器早已应用在系统中1 5,但要使单阶Y I G带阻滤波器实现较好的阻带性能,Y I G薄膜的使用面积通常较大(见图4)。考虑到Y I G谐振器成本和滤波器更大的阻带抑制,减小Y I G薄膜使用面积,采用多阶Y I G谐振器是一种实现
16、更高性能且结构紧凑滤波器的途径。2 0 0 3年,M a r c e l l iR等1 6提出了一种基于2个级联Y I G/钆镓石榴石(G G G)谐振器组合的微波可调谐带阻滤波器结构,如图5所示。谐振器为Y I G薄膜,与文献1 3-1 5相比,该谐振器结构更紧凑。利用静磁表面波技术,频率可调谐范围为1 01 7GH z,全频带内阻带深度大于1 5d B,最大阻带深度可达-4 0d B。2 0 0 6年,M a r c e l l iR等提出了新的基于两个级联Y I G/G G G谐振器组合的微波可调谐带阻滤波器结构1 7,用共面波导替代了原微带线结构,在可调谐范围为7.51 1.5GH z
17、内实现阻带深度大于2 5d B。图5 双谐振器Y I G带阻滤波器除利用Y I G薄膜与传输线耦合的结构外,研究者也探索了将Y I G薄膜与周期光栅和电磁带隙结构结合 的 可 能 性。A.M a e d a等 利 用 机 械 工 艺 在Y I G薄膜表面雕刻出各种周期光栅1 8,并利用Y I G光栅制备了一种可调谐带阻滤波器,其在阻带内具有较高的抑制度,在中心频率为3GH z处陷波高达-4 0d B,但阻带外的插入损耗较大。2 0 1 9年,A l i n aC i s m a r u等 探 索 了Y I G薄 膜 与 耦 合 线 结 构 的EMB G谐振器间的耦合,设计了一种调谐范围为51
18、8GH z的Y I G可调谐带阻滤波器,在高阶模式下阻带深度可达-2 5d B,显示出良好的选择性,电路结构如图6所示1 9。图6 基于EMB G结构的Y I G带阻滤波器4 基于Y I G基板的微带线带阻滤波器以Y I G材料为电路基板设计磁调带阻滤波器是一种新颖的设计思路,但这方面的研究较少,与用Y I G小球或Y I G薄膜来设计可调谐带阻滤波器的设计原理不同,其中心思想是以部分磁化的方式,改变外加偏置磁场H0来控制Y I G基板的张量磁导率,Y I G基板的张量磁导率进一步影响基板上微带线带阻滤波器的中心频率f0,进而实现微带线带阻滤波 器 的 频 率 可 调 谐。2 0 1 9年,Z
19、 E RMAN E A等2 0提出一种工作在X波段的Y I G可调谐带阻滤波器,如图7所示。将Y I G材料设为基板,基板上实现方形回匝开口谐振环的超材料图案,微带电路为阻带传输特性,在较低强度范围内改变外加偏置磁场,使Y I G材料处在部分磁化状态,H0影响张量磁导率,进而影响阻带中心频率,在超材料图案形成的阻带中心频率处获得高达1 0.8 1%的可调性,且滤波器整体结构紧凑,实现了滤波器小型化。图7 基于Y I G衬底的磁调带阻滤波器5 结束语以M I C R O L AMB D A公司为首,基于小球结构的Y I G带阻滤波器仍是主流,因为Y I G小球接近于椭圆结构,具有温度稳定轴可调节
20、,激发的射频磁场均匀等优点,现利用小球结构的Y I G带阻滤波器的设计理论已较成熟,但Y I G小球腔体结构设计复杂,结构立体,不便于微波集成。此外,目前这类器件的直通传输低于2 0GH z2 1,这些问题限制了Y I G带阻滤波器在更高频率及多功能集成方面的865压 电 与 声 光2 0 2 3年 发展。在国内工艺方面仍存在改进的空间,主要集中在Y I G小球的量产、器件装配及调试等方面,使用平面结构的Y I G薄膜可避免小球结构面临的谐振器晶向 调节、制备、装配及集成 化等方面的 问题2 2。目前采用单个Y I G薄膜谐振器的Y I G带阻滤波器虽然可实现阻带的激励,但存在阻带深度小及带宽
21、窄等缺点。这类Y I G带阻滤波器的Y I G薄膜平面面积较大,存在磁路体积大和功耗高等问题。减小Y I G薄膜的使用面积并采用多谐振器结构的Y I G带阻滤波器具有低成本、小体积及低功耗等优点。多谐振器结构能够增强阻带的选择性,加大阻带内的衰减,所以无论是经济或性能上,多谐振器结构Y I G带阻滤波器更具有工程实用意义。但与小球结构相比,Y I G薄膜会面临退磁场大、激励的射频磁场不均匀易激寄生阻带等问题。将Y I G材料设作电路基板为Y I G带阻滤波器平面化设计提供了新思路,目前用这种方法设计的Y I G带阻滤波器的结构紧凑,易集成,但阻带中心频率的可调谐范围窄,线性度低,不能很好地满足
22、工程需求。总体来说,与Y I G小球相比,Y I G薄膜仍在微波易集成及低成本等方面具备优势。随着器件将朝向集成化发展,利用Y I G薄膜技术,设计更紧凑平面化的多倍频程调谐的Y I G带阻滤波器迫在眉睫,进一步推动整机的小型化、轻量化发展。参考文献:1 冯辉煜.62 6.5GH zY I G带阻滤波器设计与仿真J.通讯世界,2 0 1 8(2):1 2 6-1 2 7.F E N G H u i y u.D e s i g na n ds i m u l a t i o no f62 6.5GH zY I Gb a n d-s t o pf i l t e rJ.C o mm u n i c
23、 a t i o n W o r l d,2 0 1 8(2):1 2 6-1 2 7.2 崔荃,李兰琼,雍涛.基于Y I G技术的四通道干扰抑制模块的设计与研究J.通讯世界,2 0 2 1,2 8(1 1):1 5-1 7.C U IQ u a n,L IL a n q i o n g,YON G T a o.D e s i g na n dr e-s e a r c ho f f o u r-c h a n n e l i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o nm o d u l eb a s e do nY I Gt e c h n o l
24、o g yJ.C o mm u n i c a t i o n W o r l d,2 0 2 1,2 8(1 1):1 5-1 7.3 隋明明,张平川,张星梅.一种微型化Y I G带阻滤波器设计J.通讯世界,2 0 2 0,2 7(5):3 7-3 8.S U I M i n g m i n g,Z HA N G P i n g c h u a n,Z HA N G X i n g m e i.D e s i g no f am i n i a t u r i z e dY I Gb a n d-s t o pf i l t e rJ.C o m-m u n i c a t i o nW o
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