YIG帶阻濾波器的研究進展

劉凌彤,楊青慧,杜姍姍,張懷武

(電子科技大學 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室,四川 成都 610054)

0 引言

釔鐵石榴石(YIG)濾波器是一類在軍事應用和遠距離通信中不可缺少的器件,可用于雷達和通信系統中進行信號檢測、控制射頻信號頻譜及抗干擾等方面[1-3]。如電子對抗領域要實現一體化超寬帶對抗,則需要裝配具備高選擇性、高靈敏度的超寬帶微波接收機,而YIG帶阻濾波器已應用于這種寬帶接收機的接收前端,實現信號的選頻功能,是接收機中重要的器件[4]。YIG帶阻濾波器是基于YIG材料而設計的磁調諧帶阻濾波器。與傳統帶阻濾波器相比,YIG帶阻濾波器的品質因數Q值高,線性度及穩定性高,體積小,多倍頻程調諧范圍小[5-6]。本文將介紹其設計原理,從不同類型YIG諧振器的角度出發,介紹幾種YIG諧振器典型結構的研究進展并分析其優缺點,最后對YIG帶阻濾波器做出總結和展望。

1 YIG帶阻濾波器設計原理

與常見的帶阻濾波器一樣,阻帶的形成都是諧振器在中心頻率ω0從傳輸信號的微波電路中吸收能量,使得該頻率處的信號無法通過。但YIG帶阻濾波器利用YIG鐵磁共振原理,通過改變外加偏置磁場H0,其頻率ω0也隨之改變,進而實現了阻帶的調諧,故YIG鐵磁共振原理是YIG帶阻濾波器設計的核心[7]。

以小球結構的YIG諧振子為例,如圖1(a)所示,設一YIG小球置于外加偏置磁場H0中,則YIG小球中的各自旋磁矩沿H0方向排列,成為一個磁矩為m的磁偶極矩,當H0方向發生改變時,磁矩m的方向也隨著發生改變,基于鐵磁共振線寬ΔH,YIG諧振器是有耗諧振器,磁矩做阻尼進動,進動角逐漸減小,最終磁矩m與H0方向平行。為使進動保持,在H0方向一定的情況下,在與磁矩m旋轉的同方向上施加一個圓極化高頻磁場H+,如圖1(b)所示。當H+的頻率與磁矩m進動的頻率相同時,則磁矩m的進動將會無衰減地保持下去,即發生鐵磁共振現象。但在與磁矩m旋轉的反方向上施加一個圓極化高頻磁場H-,或圓極化高頻磁場H+頻率與磁矩m進動頻率不一致時,磁矩m不再做無衰減進動。

圖1 鐵磁共振原理示意圖

由鐵磁共振原理可知,磁矩m的進動得以維持,是因為磁矩m進動時的阻尼得到了抵消,而圓極化高頻磁場H+為此提供了能量,故當YIG小球發生鐵磁共振時,諧振器從圓極化高頻磁場H+中吸收大量能量,在鐵磁共振頻率ω0處形成阻帶,信號無法通過[8]。

鐵磁共振頻率ω0與外加偏置磁場的H0呈線性關系,設在xyz坐標系中,H0的方向與z軸平行,忽略各向異性場, 對于橢球形YIG諧振器,諧振頻率為

(1)

式中:MS為飽和磁化強度;Nx、Ny、Nz分別為YIG諧振器在x、y、z方向上的去磁系數,其值與YIG諧振器的形狀有關,可見不同形狀下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H0的具體關系也有差異。

2 基于YIG小球設計的帶阻濾波器

小球是最早用于設計YIG帶阻濾波器的諧振器形狀,這種設計結構非常經典,只需一條特性阻抗滿足設計要求的傳輸線與數個YIG單晶小球經過環耦合結構設計即可實現YIG帶阻濾波器,環耦合結構也分半環耦合結構和整環耦合結構。

1981年,EATON公司公開了一種基于YIG小球設計的多導體鐵磁諧振耦合結構[9],如圖2所示,這是一種可調諧帶阻濾波器結構,且濾波器結構中特殊耦合回路可增強YIG小球間的耦合,同時也能減少寄生阻帶。相較于文獻[9]提出的半圓環耦合結構,文獻[10]提出一種多階的整圓環耦合結構如圖3所示。該YIG帶阻濾波器在2～8 GHz內可調諧,阻帶在-40 dB處的帶寬大于15 MHz(從半耦合環遞進到整耦合環)。基于YIG小球的與傳輸線的環耦合結構,美國MICRO LAMBDA公司在2008年推出了MLFRD系列多款雙通道帶阻濾波器產品,覆蓋整個2～18 GHz,分別為兩款低頻調諧帶阻濾波器和兩款高頻調諧帶阻濾波器,2個低頻型號提供至少5～20 MHz的-40 dB阻帶,2個高頻濾波器提供15～35 MHz的-40 dB阻帶[11]。2011年,該公司又推出MLBF系列臺式YIG調諧濾波器,具有工作頻率高達20 GHz的帶阻信號,適用于實驗室或一般臺式應用[12]。2020年,隋明明等利用YIG小球設計了一款中心頻率可在2～6 GHz內調諧的帶阻濾波器,與常規器件相比,該濾波器體積縮小了13倍[3]。

圖2 半耦合環結構的YIG帶阻濾波器圖

圖3 YIG小球與傳輸線的耦合結構圖

3 基于YIG薄膜設計的帶阻濾波器

與YIG小球相比,基于YIG薄膜設計的YIG帶阻濾波器易制造,結構平面化,且耦合結構較多。 Tsai.C.S等基于YIG薄膜設計了一種寬調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,諧振頻率的調諧范圍為1.6～13.6 GHz[13]。該團隊在2000年對上述結構做了改進,在可調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展到26.5 GHz后,在相同磁化方向下實現阻帶調諧范圍為2.5～23 GHz,最大阻帶深度可達-38 dB。YIG帶阻濾波器實現的阻帶都較窄,若想獲得大的吸收帶寬,可考慮非均勻磁場對阻帶產生的影響。2005年,Tsai.C.S等將2個基于單階YIG薄膜設計的YIG帶阻濾波器結構級聯,2個濾波器分別置于不同磁場大小的外加磁場內,將2個中心頻率不同但相近的阻帶疊加,在通帶外電路提供寬調諧范圍(1～30 GHz),實現極大的吸收帶寬。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薄膜設計的YIG帶阻濾波器

雖然基于單個YIG薄膜設計的各類磁調濾波器早已應用在系統中[15],但要使單階YIG帶阻濾波器實現較好的阻帶性能, YIG薄膜的使用面積通常較大(見圖4)。考慮到YIG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諧振器是一種實現更高性能且結構緊湊濾波器的途徑。2003年,Marcelli R等[16]提出了一種基于2個級聯YIG/釓鎵石榴石(GGG)諧振器組合的微波可調諧帶阻濾波器結構,如圖5所示。諧振器為YIG薄膜,與文獻[13-15] 相比,該諧振器結構更緊湊。利用靜磁表面波技術,頻率可調諧范圍為10～17 GHz,全頻帶內阻帶深度大于15 dB,最大阻帶深度可達-40 dB。2006年,Marcelli R等提出了新的基于兩個級聯YIG/GGG諧振器組合的微波可調諧帶阻濾波器結構[17],用共面波導替代了原微帶線結構,在可調諧范圍為7.5～11.5 GHz內實現阻帶深度大于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構外,研究者也探索了將YIG薄膜與周期光柵和電磁帶隙結構結合的可能性。A.Maeda等利用機械工藝在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諧帶阻濾波器,其在阻帶內具有較高的抑制度,在中心頻率為3 GHz處陷波高達-40 dB,但阻帶外的插入損耗較大。2019年,Alina Cismaru等探索了YIG薄膜與耦合線結構的EMBG諧振器間的耦合,設計了一種調諧范圍為5～18 GHz的YIG可調諧帶阻濾波器,在高階模式下阻帶深度可達-25 dB,顯示出良好的選擇性,電路結構如圖6所示[19]。

圖6 基于EMBG結構的YIG帶阻濾波器

4 基于YIG基板的微帶線帶阻濾波器

以YIG材料為電路基板設計磁調帶阻濾波器是一種新穎的設計思路,但這方面的研究較少,與用YIG小球或YIG薄膜來設計可調諧帶阻濾波器的設計原理不同,其中心思想是以部分磁化的方式,改變外加偏置磁場H0來控制YIG基板的張量磁導率,YIG基板的張量磁導率進一步影響基板上微帶線帶阻濾波器的中心頻率f0,進而實現微帶線帶阻濾波器的頻率可調諧。2019年,ZERMANE A等[20]提出一種工作在X波段的YIG可調諧帶阻濾波器,如圖7所示。將YIG材料設為基板,基板上實現方形回匝開口諧振環的超材料圖案,微帶電路為阻帶傳輸特性,在較低強度范圍內改變外加偏置磁場,使YIG材料處在部分磁化狀態,H0影響張量磁導率,進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10.81%的可調性,且濾波器整體結構緊湊,實現了濾波器小型化。

圖7 基于YIG襯底的磁調帶阻濾波器

5 結束語

以MICRO LAMBDA公司為首,基于小球結構的YIG帶阻濾波器仍是主流,因為YIG小球接近于橢圓結構,具有溫度穩定軸可調節,激發的射頻磁場均勻等優點,現利用小球結構的YIG帶阻濾波器的設計理論已較成熟,但YIG小球腔體結構設計復雜,結構立體,不便于微波集成。此外,目前這類器件的直通傳輸低于20 GHz[21],這些問題限制了YIG帶阻濾波器在更高頻率及多功能集成方面的發展。在國內工藝方面仍存在改進的空間,主要集中在YIG小球的量產、器件裝配及調試等方面,使用平面結構的YIG薄膜可避免小球結構面臨的諧振器晶向調節、制備、裝配及集成化等方面的問題[22]。目前采用單個YIG薄膜諧振器的YIG帶阻濾波器雖然可實現阻帶的激勵,但存在阻帶深度小及帶寬窄等缺點。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題。減小YIG薄膜的使用面積并采用多諧振器結構的YIG帶阻濾波器具有低成本、小體積及低功耗等優點。多諧振器結構能夠增強阻帶的選擇性,加大阻帶內的衰減,所以無論是經濟或性能上,多諧振器結構YIG帶阻濾波器更具有工程實用意義。但與小球結構相比,YIG薄膜會面臨退磁場大、激勵的射頻磁場不均勻易激寄生阻帶等問題。將YIG材料設作電路基板為YIG帶阻濾波器平面化設計提供了新思路,目前用這種方法設計的YIG帶阻濾波器的結構緊湊,易集成,但阻帶中心頻率的可調諧范圍窄,線性度低,不能很好地滿足工程需求。總體來說,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勢。隨著器件將朝向集成化發展,利用YIG薄膜技術,設計更緊湊平面化的多倍頻程調諧的YIG帶阻濾波器迫在眉睫,進一步推動整機的小型化、輕量化發展。