YIG薄膜諧振器的研究進展

馬 博

（電子科技大學，成都 611731）

1 引言

YIG（釔鐵石榴石）調諧振蕩器，簡稱為YTO，是一種能調諧工作頻率的微波固態(tài)信號源。傳統(tǒng)的YTO諧振電路部分大都是采用YIG小球來做為諧振子，但是YIG小球必須經(jīng)過復雜的拋光過程，設計時需嚴格控制耦合回路、YIG小球和外部磁場三者的相對位置。這種諧振電路大部分是單端口的結構，所使用的晶體管電路必須仔細設計以獲得合適的負阻抗，而且球狀結構不易組裝，對震動很敏感，雖然國內已有用于振蕩器的YIG小球制備工藝，但耗時很長，成品率低，還不能夠大規(guī)模量產(chǎn)。同時，使得制造傳統(tǒng)YIG諧振器時耗時過長，組裝難度也較大。由于YIG薄膜諧振器的具有易微波集成、小型化等特點，所以其更加適應現(xiàn)代軍事電子系統(tǒng)裝備，小型化、輕量化、便攜化裝備的發(fā)展趨勢。特別是YIG薄膜諧振器具有的低相噪及連續(xù)線性可調、易平面集成等特點，使其更具有廣泛的應用前景。

2 靜磁波簡介

MSW（靜磁波）是在旋磁介質中傳播的自旋波的長波部分。由于其可在高頻（數(shù)GHz或數(shù)十GHz）范圍內直接進行模擬信號處理，所以在通信、電子對抗和無線電引信等系統(tǒng)中有廣泛的應用前景。靜磁波是受磁力控制的慢色散電磁波，能在加偏置磁場的微波鐵氧體材料（如釔鐵石榴石YIG）中傳播。

靜磁波器件中應用了三種基本傳輸模式[1]，它們在薄膜平面上具有一定的傳輸方向。首先討論靜磁表面波（MSSW）模，其中偏置磁場H位于薄膜平面，并與波的傳輸方向垂直。第二種模稱為靜磁正（前）向體波（MSFVW）模，其中偏置磁場H與薄膜平面垂直。第三種模是靜磁反向體波（MSBVW）模，在薄膜平面上偏置磁場方向和傳播方向相同時，它才會存在。

3 YIG薄膜諧振器研究進展

1976年，Collins[2]等人提出了首個基于MSW的YIG薄膜諧振器，其靜磁波的模式為MSSW。諧振器為單端口，使用了一根微帶線換能器和周期性刻蝕YIG槽陣列，槽在9μm厚的YIG上刻蝕而成，諧振器調諧范圍為2～4GHz，其無載Q值為550。

以上類型的諧振器結構中，使用了槽柵結構的復雜的反射表面，它可以創(chuàng)造所需要的諧振腔，但是從技術的角度上講，這種柵型反射型器件制作時很復雜的，因此尋求其他方法來實現(xiàn)諧振效果尤其重要。

1984年，Huijer[3]等人提出了一種基于MSSW的二端口非柵型結構的YIG薄膜諧振器。在這種諧振器中，YIG膜的邊緣是直接作為反射器的，所以稱這種結構的諧振器為直邊諧振器。它包含了一個鐵磁性的諧振腔和微帶線換能器，諧振腔置于微帶換能器的中央。諧振腔由矩形釓鎵石榴石（GGG）基片和生長在它上面的YIG薄膜組成，外部磁場的方向平行于膜平面。靜磁波在YIG膜的表面?zhèn)鞑?，在邊緣處向另一邊反射。最終得到的諧振器調諧頻率范圍為3～9GHz，Q值900～4000，主諧振之外的假響應抑制大于15dB。

1996年，Alphones[4]等人提出了一種微帶環(huán)形YIG諧振器結構。兩段微帶傳輸線被中間的圓環(huán)分隔開，微帶線與圓環(huán)的距離決定了微帶線與諧振器的耦合程度。當環(huán)形結構的周長時導波波長的整數(shù)倍的時候，系統(tǒng)發(fā)生諧振。

2000年，Marcelli[5]等人設計了一種帶阻直邊諧振器結構，該諧振器在頻率為14GHz的時候，回波損耗接近-20dB，Q值范圍在3000～4000。2006年，Cismaru[6]等人提出了一種CPW（共面波導）型的靜磁波直邊諧振器。在11GHz～16GHz的諧振頻率范圍內變化時，諧振器的插入損耗小于-25dB，插損的峰值小于-40dB，諧波抑制較好。

4 結束語

由于YTO具有高Q值、調諧頻帶寬、線性度好、頻譜純、噪聲低等特點，它成為現(xiàn)代多種軍事電子裝備和微波儀器的核心部件，用途極為廣泛。隨著通信行業(yè)的迅速發(fā)展，平面化、小型化、易微波集成在現(xiàn)代軍事電子系統(tǒng)領域的要求使得YIG薄膜諧振器有更好的前景。

[1] Pavel Kabos，V.S.Stalmachov.Magnetostatic waves and Their Applications[M].London：Chapman & Hall.1994.

[2] J.H.COLLINS，J.D.ADAM，Z.M.BARDAI.One-port magnetostatic wave resonator[J].PROCESS OF THE IEEE.1977，65（7）：1090-1092.

[3] E Huijer，W Ishak.MSSW resonators with straight edge reflectors[J].IEEE Transactions on Magnetics，1984，20（5）：1232-1234.

[4] A Alphones，M Thanigasalem.Magnetically tunable microstrip ring resonator with YIG film[J].Microwave & Optical Technology Letters，1996，12（1）：34-36.

[5] R.Marcelli.A magnetostatic wave oscillator for data relay satellite[J].IEEE Transactions on Magnetics，2000，36（5）：3488-3490.

[6] A Cismaru，R Marcelli.CPW Cascaded Magnetostatic Wave Band Stop Resonators[C].Magnetics Conference，2006.