一種新型磁電雙可調(diào)諧振腔

趙賀鋒

摘要：本文設(shè)計(jì)了一款基于YIG（鐵氧體）為基底的SIW（基片集成波導(dǎo)）磁電雙可調(diào)諧振腔，通過(guò)鐵氧體基底和可變電容分別實(shí)現(xiàn)磁調(diào)諧和電調(diào)諧，仿真結(jié)果表明，加入磁調(diào)諧后，較單一的電調(diào)，諧振腔的調(diào)諧范圍擴(kuò)展了75%，加入電調(diào)后，較單一的磁調(diào)，諧振腔的調(diào)諧范圍擴(kuò)展了130%。通過(guò)磁電兩種調(diào)諧方式擴(kuò)展了單一一種調(diào)諧方式的調(diào)諧范圍，與現(xiàn)有文獻(xiàn)[7]相比，調(diào)諧方式簡(jiǎn)單，不需要兩種方式相互輔助同時(shí)調(diào)諧，且生產(chǎn)工藝更為簡(jiǎn)單。

關(guān)鍵詞：一種新型磁電雙;可調(diào)諧振腔

1、前言

當(dāng)今無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)飛速發(fā)展以及頻譜資源的緊張，推進(jìn)了作為射頻前端承載著頻率選擇和抑制的重要功能的微波濾波器的飛速發(fā)展。與傳統(tǒng)的濾波器組相比，可調(diào)濾波器不僅可以減少射頻前端的體積和成本，還可以減少因大量的開(kāi)關(guān)和功率分配帶來(lái)的插入損耗，是未來(lái)微波濾波器發(fā)展的主流[1]?，F(xiàn)有的可調(diào)濾波器，大多數(shù)以電可調(diào)為主，這類(lèi)濾波器調(diào)諧速度快、體積小便于集成但品質(zhì)因數(shù)不高，調(diào)諧范圍小。而磁可調(diào)濾波器調(diào)諧范圍大，品質(zhì)因數(shù)高，但體積較大，調(diào)諧速度慢[2]。磁電雙可調(diào)濾波器綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，具備巨大的發(fā)展前景。

早期學(xué)者們利用磁電復(fù)合材料來(lái)實(shí)現(xiàn)磁電雙調(diào)諧，比如YIG/PZT[3]、YIG/PMN-PT[4]、Zn2Y/PMN-PT[5]等，這種方式設(shè)計(jì)的濾波器均為微帶結(jié)構(gòu)，體積小便于集成，但僅能實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)，且調(diào)諧范圍過(guò)于依賴(lài)材料自身的特性，限制了其應(yīng)用。利用SIW混合結(jié)構(gòu)的磁電雙可調(diào)濾波器則具有更好的靈活性。但研究者較少，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。張巧利[6]將鐵氧體加載在SIW的兩諧振腔之間利用磁場(chǎng)來(lái)控制帶寬的調(diào)諧，通過(guò)變?nèi)荻O管來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)諧。這種設(shè)計(jì)頻率調(diào)諧范圍仍限制在單一的電調(diào)節(jié)。Wu[7]將鐵氧體加載在SIW的兩側(cè)，將變?nèi)荻O管加載在諧振腔的中心位置，通過(guò)磁場(chǎng)和可變電容的同時(shí)調(diào)試實(shí)現(xiàn)頻率和帶寬的調(diào)節(jié)，但調(diào)諧方式較為復(fù)雜，進(jìn)行磁調(diào)諧或者電調(diào)諧時(shí)，必須用另外一種調(diào)諧方式進(jìn)行輔助調(diào)諧，否則插入損耗會(huì)惡化。除此之外，混合結(jié)構(gòu)的磁電雙可調(diào)濾波器中的鐵氧體均是嵌入到SIW的縫隙中，生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，成本較高。

綜合復(fù)合材料和混合結(jié)構(gòu)兩類(lèi)形式的磁電雙可調(diào)濾波器，從而避免混合結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本較高的問(wèn)題，同時(shí)又具備該類(lèi)型濾波器的靈活性。本文直接以鐵氧體材料作為SIW的介質(zhì)基底，設(shè)計(jì)了一款新型的磁電雙可調(diào)諧振腔。通過(guò)外加偏置磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)磁調(diào)諧，在SIW電場(chǎng)較強(qiáng)的位置嵌入變?nèi)荻O管，通過(guò)改變變?nèi)荻O管電容的大小，對(duì)諧振腔的電場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電調(diào)諧。磁調(diào)和電調(diào)相互補(bǔ)充擴(kuò)大了調(diào)諧范圍，同時(shí)調(diào)諧方式更為簡(jiǎn)單。

2、設(shè)計(jì)原理

2.1電調(diào)諧原理

電調(diào)諧通過(guò)變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，在SIW諧振腔的中心位置即電場(chǎng)最強(qiáng)的位置，開(kāi)一個(gè)金屬柱，在金屬柱的位置開(kāi)一個(gè)回型空隙，通過(guò)二極管連接金屬柱和SIW的表面，圖2，是HFSS仿真中采用電容貼片代替變?nèi)荻O管。SIW的諧振腔相當(dāng)與一個(gè)LC振蕩電路，變?nèi)荻O管的接入相當(dāng)與在LC電路中串聯(lián)一個(gè)等效電容Cp，改變電容的大小，SIW的諧振頻率就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的偏移。

2.2磁可調(diào)原理

鐵氧體的有效磁導(dǎo)率隨著外加偏置磁場(chǎng)的改變而改變，諧振腔的諧振頻率隨之改變。

從圖3中看出，在0.27T出現(xiàn)尖銳的峰值，此強(qiáng)度的磁場(chǎng)下，鐵氧體會(huì)發(fā)生鐵磁共振效應(yīng)，此時(shí)的損耗達(dá)到最大，在峰值的左側(cè)為低場(chǎng)區(qū)，在低場(chǎng)區(qū)，隨著磁場(chǎng)的加大，有效磁導(dǎo)率呈減小趨勢(shì)，越接近0.27T損耗越大;在峰值的右側(cè)為高場(chǎng)區(qū)，高場(chǎng)區(qū)的有效磁導(dǎo)率仍隨著磁場(chǎng)的增大逐漸減小，越接近0.27T損耗越大，越遠(yuǎn)離0.27T，鐵磁共振效應(yīng)會(huì)逐漸減弱，損耗也逐漸減小，但產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)會(huì)增加系統(tǒng)的功耗。發(fā)生鐵磁共振效應(yīng)時(shí)，損耗最大，所以濾波器的工作頻率要遠(yuǎn)離該頻率，在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，要根據(jù)需要保持在低場(chǎng)區(qū)或者高場(chǎng)區(qū)工作。

3、濾波器仿真結(jié)果分析

文采用HFSS 15.0進(jìn)行建模和仿真，如圖4，SIW基底采用鐵氧體材料，飽和磁化強(qiáng)度為1780Gauss，相對(duì)介電常數(shù)為10.2，線(xiàn)寬為10Oe，濾波器的具體參數(shù)如表1所示：

電容保持0pF施加0-0.07T的水平磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)諧時(shí)，仿真結(jié)果如圖5所示：

隨著磁場(chǎng)的增加頻率從10GHz偏移到10.6GHz，帶寬基本保持不變，插入損耗在0.5dB左右，調(diào)諧了600MHz。

當(dāng)外加磁場(chǎng)保持0T，改變電容大小進(jìn)行電調(diào)諧，電容從0pF增加到0.4pF，S21仿真曲線(xiàn)如圖所示，與理論相符，頻率從10GHz減少到9.2GHz，實(shí)現(xiàn)了800MHz的調(diào)諧，在調(diào)諧過(guò)程中，帶寬略有減小，主要原因可能隨著電容的增大，對(duì)SIW諧振腔的擾動(dòng)變大，諧振點(diǎn)接近低次諧振波。

由仿真結(jié)果可以看出，磁電雙調(diào)諧可實(shí)現(xiàn)諧振腔1400MHz范圍的調(diào)諧，相較于單一的磁調(diào)諧和單一的電調(diào)諧，調(diào)諧頻率分別擴(kuò)展了130%和75%。

4、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款磁電雙可調(diào)諧振腔，既具備傳統(tǒng)磁電雙可調(diào)諧振腔調(diào)諧范圍大的優(yōu)點(diǎn)，文中相較于單一的磁或者電調(diào)諧，中心頻率調(diào)諧范圍擴(kuò)展了130%和75%，同時(shí)該諧振腔以鐵氧體為SIW的基底，又避免了傳統(tǒng)SIW磁調(diào)諧鐵氧體嵌入工藝復(fù)雜的問(wèn)題。

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