一種磁電可調(diào)雙通帶濾波器

朱鋒杰，周 浩淼，肖 英，夏哲雷

(中國計量學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，用戶在2～40GHz頻段內(nèi)的需求變得更加多樣化和復(fù)雜化。比如無線通信技術(shù)中的無線局域網(wǎng)就必須同時服務(wù)于2.45GHz和5GHz這兩個頻段。如何根據(jù)用戶的要求提高器件的可調(diào)性和靈活性，成為了一個有待解決的重要問題。而新型信息功能材料－磁電復(fù)合材料為可調(diào)微波器件提供了一種新的思路。與傳統(tǒng)的可調(diào)微波器件相比，基于磁電層合材料的微波器件如濾波器，移相器，環(huán)形器等具有調(diào)節(jié)速度快，范圍大，噪音小，體積小等優(yōu)點［1、2］。目前的研究主要致力于單頻點的磁電可調(diào)濾波器的設(shè)計和性能研究。比如，使用YIG/GGG和微帶線可以構(gòu)成一個磁可調(diào)帶通濾波器［3］。在此基礎(chǔ)上增加PMN-PT層，在磁可調(diào)的基礎(chǔ)上增加了電可調(diào)的性能，相比于磁調(diào)，電場調(diào)節(jié)更加高效、精確、耗能也更少［4］。實驗測量表明，基于YIG/PZT的層合結(jié)構(gòu)的磁電雙可調(diào)濾波器具有較好的帶通效果［5］。但是上述的磁電可調(diào)單通帶濾波器仍然不能滿足無線局域網(wǎng)的傳輸要求，具有雙頻點的磁電可調(diào)雙通帶濾波器作為磁電可調(diào)的微波器件，可以同時傳輸兩個不同頻段的微波信號，可以有效解決了這一難題。本文在磁電可調(diào)單通帶濾波器的基礎(chǔ)上，在兩條微帶線之間增加一塊PZT/YIG磁電層合材料設(shè)計了一款磁電可調(diào)的雙通帶濾波器。由HFSS平臺進行模擬仿真，通過調(diào)節(jié)施加在兩塊磁電層合材料的偏置磁場強度可以實現(xiàn)通帶在2～10GHz范圍內(nèi)的粗調(diào)，調(diào)節(jié)電場強度可以實現(xiàn)阻帶在幾十兆赫茲內(nèi)的精確調(diào)節(jié)。

1 設(shè)計原理及模型建立

磁電微波雙帶通濾波器的磁電可調(diào)特性是基于壓電體的逆壓電效應(yīng)以及鐵氧體的鐵磁共振機理實現(xiàn)的。將濾波器放置于用于施加外加偏置磁場的兩極線圈之間，鐵氧體將產(chǎn)生鐵磁共振效應(yīng);若在PZT層施加外加電場，將導(dǎo)致壓電層變形，繼而帶動鐵氧體層的變形導(dǎo)致鐵磁共振的頻率發(fā)生偏移;兩者從本質(zhì)上來說，都是通過改變鐵磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率，從而導(dǎo)致鐵磁共振頻率發(fā)生偏移。本文結(jié)合上述理論設(shè)計了磁電微波雙通帶濾波器，其設(shè)計思路如圖1所示，在磁電可調(diào)單通帶濾波器的基礎(chǔ)上于兩條微帶線之間增加一塊磁電層合材料，從而得到磁電可調(diào)雙通帶濾波器。當(dāng)YIG層處于鐵磁共振狀態(tài)時，輸入和輸出端的微帶線與層合材料發(fā)生耦合，從而使FMR頻段的能量從輸入端傳輸?shù)捷敵龆?，達到雙通帶的效果［6］。

圖1 雙帶通濾波器的實現(xiàn)原理

濾波器的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，YIG尺寸為5.5mm×1.9mm×0.11mm，飽和磁化強度4 Ms=1 750G，共振線寬ΔH=1Oe，相對介電常數(shù)ε=12。PZT尺寸為4mm×1mm×0.5mm，在其上下表面各鍍上一層厚5μm的金屬電極，用于施加可變電場E。導(dǎo)帶L滿足50Ω匹配，尺寸為18mm×1mm×0.21mm，將其放置于尺寸為23mm×10mm×1mm，介電常數(shù)為10的氧化鋁基底上。

分別對兩塊層合材料施加不同大小的偏置磁場H0﹑H1(H1＞H0)，方向均沿著x軸正向，則YIG層內(nèi)部有效磁場為:Heff=H0，1+Han。其中H0，1為外加偏置磁場，磁晶各項異性場Han=－53Oe。仿真時通過分別在兩塊層合材料上施加大小為1 700Oe、1 813Oe的有效偏置磁場，得到插入損耗S21與頻率f的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖3中可以看出該濾波器通帶部分的插入損耗約為－3dB，阻帶部分的插入損耗為－18dB，滿足雙通帶濾波器的條件。同時若用戶需要使用單通帶濾波器，則在第一塊層合材料上施加所需外加偏置磁場H0，在另一塊層合材料上施加的磁場H1=0Oe，雙通帶濾波器便可以轉(zhuǎn)換成單通帶濾波器，即可以保留文獻5中濾波器的功能:即在2～10GHz任意頻段實現(xiàn)磁電可調(diào)單通帶。

圖2 雙帶通濾波器仿真模型圖

圖3 插入損耗與頻率的關(guān)系曲線

2 磁電雙可調(diào)特性分析

由于磁電可調(diào)微波器件最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)為鐵氧體FMR的磁電可調(diào)特性，故結(jié)合上述模型分別驗證偏置磁場和電場對FMR頻率漂移影響的有效性。首先考慮外加電場為0，即δHE=0的情況，分析濾波器的磁可調(diào)特性。分別在兩塊磁電層合材料上施加不同的偏置磁場，即可得到該濾波器的磁調(diào)FMR頻率漂移曲線如圖4所示，其中曲線1和曲線2分別表示外加偏置磁場為1 700Oe、1 813Oe和1 770Oe、1 883Oe兩種情況時的插入損耗曲線。從圖4中分析可以得出，隨著偏置磁場大小的改變，濾波器中每塊層合結(jié)構(gòu)FMR頻率將發(fā)生漂移，但是偏移后的FMR峰形狀與偏移前基本保持近似一致，帶寬ΔH也保持不變，由此可以證明該模型在磁可調(diào)性能的有效性。

選取其中一塊磁電層合材料，在外加磁場保持在1 700Oe不變的情況下，考慮其電調(diào)特性。由于電場E對鐵磁共振頻率偏移的影響可以等效為相應(yīng)的磁場δHE［7］，則此時式 1 可以轉(zhuǎn)換為 Heff=H0，1+Han+δHE，其中δHE=AE。將濾波器的尺寸參數(shù)代入文獻7可得磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)A=13Oe·cm/kV。故當(dāng)電場E分別為1kV/cm，2kV/cm，3kV/cm時，可以計算得到δHE分別為13Oe，26Oe，39Oe，通過HFSS仿真平臺得到FMR頻率的偏移變化如圖5所示。當(dāng)外加電場在0－3kV/cm變化時，記錄不同外加電場下，鐵磁共振頻率的偏移量δf，如圖6所示，當(dāng)外加電場E=3kV/cm時δf達到120MHz，由此可以得出電場對于通帶峰偏移的影響是近乎線性可調(diào)的。

圖4 雙通帶磁可調(diào)性能的實現(xiàn)

圖5 單通帶的電可調(diào)特性

圖6 外加電場E與δf的關(guān)系圖

3 結(jié)束語

該文基于YIG/PZT層合材料，設(shè)計了一款具有雙通帶的磁電雙可調(diào)濾波器，并驗證了其磁電可調(diào)特性。該濾波器可根據(jù)用戶需求產(chǎn)生雙通帶或單通帶，通過合理地調(diào)節(jié)外加磁/電場來調(diào)節(jié)磁電雙通帶濾波器的傳輸特性。綜上所述，該設(shè)計將極大提高器件的可調(diào)性與靈活性，在無線通信技術(shù)快速發(fā)展的今天將發(fā)揮重要的作用。由于YIG/PZT材料特性的限制該濾波器存在著通帶窄較窄的問題，通過施加一個非均勻的外加偏置磁場可以實現(xiàn)其通帶帶寬的調(diào)節(jié)［8］。同時，該濾波器和現(xiàn)階段基于YIG/PZT磁電層合材料的帶通濾波器一樣，存在著通帶內(nèi)特性不佳的問題，這也是有待解決的重要問題之一。

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