彭國豪，朱永忠，劉曉宇

(中國人民武裝警察部隊工程大學信息工程學院，西安 710086)

0 引言

隨著現(xiàn)代通信技術的快速發(fā)展，頻譜資源變的日益緊張給無線通信帶來了巨大的挑戰(zhàn)，同時也促進了可調(diào)微波器件的飛速發(fā)展。磁可調(diào)，電可調(diào)微波器件在通信領域廣泛應用。然而傳統(tǒng)的電可調(diào)微波器件雖然調(diào)節(jié)速度快，體積小，容易實現(xiàn)小型化，但是其調(diào)節(jié)范圍窄，品質(zhì)因子不高；磁可調(diào)微波器件通過改變偏置磁場可以實現(xiàn)寬頻帶可調(diào)，但是難以實現(xiàn)小型化，調(diào)節(jié)速度慢。綜合考慮這兩種可調(diào)方式的優(yōu)劣特性和現(xiàn)今微波器件對可調(diào)微波器件品質(zhì)因數(shù)，調(diào)節(jié)速度和范圍，以微波損耗等要求較高的原因磁電雙可調(diào)濾波器越來越受到國內(nèi)外研究學者的青睞。

磁電雙可調(diào)即是利用磁電復合材料的鐵磁共振效應(FMR)綜合磁可調(diào)和電可調(diào)兩種方式，利用磁場實現(xiàn)粗調(diào)，外加電場實現(xiàn)小范圍精確可調(diào)。這種磁電雙可調(diào)綜合磁可調(diào)，電可調(diào)優(yōu)點，具有功耗小，方便小型化，調(diào)節(jié)速度快，高Q值等特點，磁電雙可調(diào)微波器件逐漸成為研究人員的熱點。

1 磁可調(diào)濾波器種類及實現(xiàn)方法

磁可調(diào)主要采用YIG以及其他磁性材料改變?yōu)V波器性能實現(xiàn)磁可調(diào)。YIG即釔鐵石榴石，因為其具有良好的電磁性能被廣泛的應用于各種微波器件中。

1.1 YIG薄膜

采用磁性薄膜材料和濾波器設計結合。

Hoton How第一次提出用金屬磁性薄膜代替鐵氧體來改善帶通特性的設計[1]。相比傳統(tǒng)鐵氧體材料利用鐵磁諧振原理，磁性金屬薄膜使用鐵磁抗諧振原理。利用復合微帶線，在其襯底層插入一層薄的磁性金屬薄膜，通過控制外加偏置電場，使得其中心頻率可調(diào)。

日本Makoto Tsutsumi采用YBCO和YIG即鐵氧體和超導體復合材料實現(xiàn)了磁可調(diào)微帶濾波器[2]。為了使射頻場與超導體產(chǎn)生更大的相互作用，YIG薄膜盡可能靠近條帶，如圖1兩種不同的利用超導體和 YIG 薄膜的微帶線結構。

然后采用外延生長在釓鎵石榴石(GGG)襯底上的薄膜，利用外加直流場改變磁導率的物理機制，得到磁可調(diào)濾波器。在橫軸方向上施加直流磁場，通過一對各為300匝的亥姆霍茲線圈(如圖2)進行波的傳播。這種磁場方向的優(yōu)點是退磁效果小，超導體與表面波相互作用強。實現(xiàn)400Mhz的可調(diào)頻率。

圖1 兩種不同的微帶線結構

圖2 亥姆霍茲線圈測試結構

C.S.Tsai采用YIG薄膜與GaAs工藝相結合，利用YIG自身FMR特性進行帶通和帶阻設計[3]。如圖3所示沿微帶入射的微波發(fā)射門被耦合到YIG/GGG層和最大耦合中，因此，當微波發(fā)射門的載流子頻率與FMR頻率重合時，微波發(fā)射門的峰值吸收。這種帶阻濾波器已經(jīng)證明了頻率調(diào)諧范圍高達1.0到30.0 GHz，并且在FMR頻率處信號吸收水平為37 dB。利用一對級聯(lián)帶阻濾波器，分別施加不同的磁場，可以實現(xiàn)中心頻率和帶寬可調(diào)的帶通濾波器。

圖3 使用YIG/GGG-GaAs倒裝芯片的微波帶阻濾波器

文獻[4]利用YIG小球設計出2GHz-8GHz的阻帶濾波器如圖4所示，在YIG小球未諧振時，耦合結構類似于一個低通濾波器，當其諧振時等效為一個帶阻濾波器如圖5所示。利用低通歡耦合線16級YIG小球諧振器，解決了長期以來阻帶高度和寬度不高的問題，成功避免了帶外靜磁模疊加，使假響應大幅降低。

圖4 (a)低通濾波器等效原理圖(b)帶阻濾波器等效原理圖

文獻[5]用YIG單晶鐵氧體小球諧振子，通過改進耦合結構，利用其鐵磁諧振的原理設計出7GHz-40GHz調(diào)諧帶通濾波器如圖5所示。

圖5 YIG帶阻濾波器示意圖

1.2 磁性材料填充

通過外加磁場改變塊狀磁性材料磁導率，從而調(diào)整濾波器腔體性能。

Keum C.Hwang等人研制了一種WR-90矩形波導(22.86 10.16 mm)頻率可調(diào)陷波濾波器[6]。如圖6所示矩形波導窄邊的四個矩形槽(10.16 mm)中填充鐵氧體。通過減小兩塊磁體之間的距離，利用兩塊磁棒產(chǎn)生的直流磁場可達1300oe。發(fā)現(xiàn)，通過改變直流磁場從0oe到5830oe,中心頻率調(diào)諧范圍在8.6GHZ到11.3GHZ。

A.S.Horton等人提出一種可通過鐵磁體負載的可調(diào)微帶濾波器[7]。如圖7所示在微帶存根下方的通道中，填充部分鐵磁流體，鐵磁流體響應置于地面下方的自流偏置場而移動，從而導致存根截面阻抗和傳播常數(shù)的變化以及濾波元件的調(diào)諧。

圖6 WR-90波導中填充鐵氧體的中心頻率可調(diào)陷波濾波器

圖7 BSF示意圖

文獻[8]報道了一種在硅片上制備的C波段BSF。利用單傳輸線下的FeGaB/AL2O3多層膜，制成細長帶狀。BSF利用其形狀各向異性，在5GHZ處表現(xiàn)出自共振，衰減率高達20dB以上。此外，通過施加相當小的磁場 ，達到400oe，頻率從5移到8.5GHZ以上，可調(diào)諧70%。

圖8 雙極性帶通濾波器

0noel Acar等人在2015年提出利用橫向偏置鐵氧體負載的同軸諧振腔設計雙極性帶通濾波器[9]。通過改變電感，使得諧振器的中心頻率發(fā)生改變。如圖8所示在同軸腔一端短路，另一端有電容，形成諧振器。在電容器端子處，短路的同軸傳輸線表現(xiàn)出電感特性，在導納相互抵消的頻率處產(chǎn)生共振。同軸傳輸線中填充鐵氧體，在外加直流磁場的作用下，在軸向飽和，可以維持一種類似于空心同軸橫向電磁模(TEM)的傳輸模式。因此上述腔的同軸段可以插入鐵氧體，從而產(chǎn)生相同工作原理的諧振器。諧振器可以通過改變外加電場強度來調(diào)諧。該濾波器能產(chǎn)生更高的品質(zhì)因素。等效電路如圖9所示。

圖9 橫向偏置鐵氧體負載的短同軸諧振腔與等效電路

1.3 磁性材料基板

利用磁性材料基板進行濾波器設計

X.Yang教授組利用YIG材料為基板，通過改變外置磁場使其從0-100oe，插入損耗為1.1-1.25DB，其可調(diào)諧范圍為380MHz[10]。2015年Eyad Arabi通過LTCC技術與鐵氧體材料結合[11]。于磁可調(diào)濾波器大多基于FMR材料，通過改變FMR頻率實現(xiàn)可調(diào)性，需要有很大的偏置場(koe級)，這對很多小型化設備來說非常困難。如果采用鐵氧體部分磁化，可以獲得良好的可調(diào)性，偏置場也小得多，于是采用嵌入式線圈代替外部線圈(如圖10)，鐵氧體材料大大減少濾波器尺寸和偏置場而且還有很好的可調(diào)性。

2016年張知之等人通過設計不同的Ms鐵氧體襯底，研究鐵氧體基片在不同磁化狀態(tài)下對平行耦合微帶磁可調(diào)帶通濾波器性能影響設計出適用于不同質(zhì)譜的YIG鐵氧體基片的C波段可調(diào)濾波器[12]。在外場作用下，YIG中心頻率在0-200Oe下有5.60GHz向下移動至4.86GHz，在200Oe-720Oe下由4.86GHz向上移動到5.05GHz。其帶寬在0-200Oe下有0.24GHz擴展到0.45GHz，并且隨著外場進一步增加，帶寬幾乎保持不變。

圖10 LTCC帶通濾波器結構圖

2 電可調(diào)濾波器種類及實現(xiàn)方法

電可調(diào)濾波器主要采用變?nèi)莨堋IN二極管等電子元件實現(xiàn)濾波器參數(shù)可調(diào)。由于其調(diào)諧速度快，精度較高，易于集成，適合同時調(diào)節(jié)多個參數(shù)，在可調(diào)濾波器領域廣泛應用。

2.1 PIN二極管

PIN結合濾波器主要利用PIN的單向導通性能起到一個開關作用，實現(xiàn)濾波器中心頻率不變的情況下帶寬可切換。Kai Chang 第一次提出利用PIN二極管進行濾波器設計[13]。2003年Christen Rauscher采用多種PIN二極管，將PIN管當做開關，實現(xiàn)濾波器中心頻率不變，帶寬在500MHz-1500MHz可調(diào)[14]。文獻[15]提出一種利用PIN二極管與濾波器結合，實現(xiàn)中心頻率不變，帶寬可調(diào)。

2.2 半導體變?nèi)莨?/h3>

由于半導體變?nèi)莨艹杀据^低，反應速度快，在電可調(diào)濾波器中應用廣泛。2008年Sang-June Park等人首先采用變?nèi)莨芎椭C振器結合通過調(diào)節(jié)諧振器耦合系數(shù)實現(xiàn)中心頻率可調(diào)濾波器[16]。此外，G.Chaudhary等人也通過變?nèi)莨芙Y合濾波器實現(xiàn)雙模帶寬中心頻率可調(diào)濾波器[17]。文獻[18]提出一種變?nèi)莨芙Y合SIW消逝模腔體，實現(xiàn)中心頻率在2.8GHz-4.2GHz范圍內(nèi)可調(diào)。

2.3 MEMS技術

由于MEMS技術具有Q值高，功耗低，線性度高等優(yōu)點，如今已經(jīng)成為電可調(diào)濾波的主要方式。文獻[19]提出一種將MEMS技術與濾波器集總元件結合，通過MEMS設計開關結構，實現(xiàn)濾波器中心頻率和帶寬可調(diào)如圖11所示。Raafat R.Mansour團隊也設計出基于MEMS開關的可調(diào)濾波器[20]。

圖11 MEMS開關濾波器

3 磁電雙可調(diào)濾波器種類及分析

磁電雙可調(diào)濾波器，主要采用磁電復合材料和磁可調(diào)器件與電可調(diào)器件混合結構實現(xiàn)雙調(diào)諧。

3.1 磁電復合材料

文獻[21]提出一種可以通過磁電相互作用實現(xiàn)電可調(diào)的鐵氧體-鐵電微波帶通濾波器的設計。將耦合微帶線與YIG/PMN-PT組成的磁電復合材料結合，使得復合材料在電場的作用下發(fā)生形變，表現(xiàn)為鐵氧體鐵磁諧振中的磁場位移。由于電調(diào)諧比傳統(tǒng)磁調(diào)諧速度快得多，而且?guī)缀鯖]有什么功耗。文獻[22]設計并制作了基于YIG/PMN-PT雙分子層鐵磁共振的磁、電雙可調(diào)濾波器。文獻[23]利用鐵氧體在微波和偏磁場作用下會產(chǎn)生鐵磁共振吸收電磁場能量的原理，通過階躍阻抗微帶線和磁電層合材料的結合，設計了一款 TD-SCDMA 頻段的雙頻通帶特性濾波器(如圖12)，但插損較大。文獻[24]制備了可調(diào)的六角晶鐵氧體/壓電磁電雙可調(diào)微帶諧振器，該磁電微波諧振器能較理想的實現(xiàn)大范圍的磁場粗調(diào)節(jié)及小范圍的電場精調(diào)節(jié)。

文獻[25]設計了一種基于鐵磁諧振的可調(diào)諧微帶帶通濾波器如圖13所示。通過磁電耦合實現(xiàn)濾波器可調(diào)。由于磁電材料具有很強的磁場與電場能量轉換的能力。利用其特點PZT板上施加電場，通過層和層的機械形變實現(xiàn)電調(diào)諧，電場引起的FMR頻移效應YIG薄膜中磁場的頻移效應基本相同。利用面內(nèi)磁場和面外磁場通過FMR實現(xiàn)磁調(diào)諧。中國計量大學周浩淼[26-27]同樣類似原理采用YIG/PZT材料，設計出中心頻率可調(diào)的帶通濾波器。

(a)加載集總電容和鐵氧體板的諧振腔

(b)等效模型

圖13 磁電帶通濾波器原理圖

2015年Lin H利用鎳鋅鐵氧體復合材料設計出倒S型磁電雙可調(diào)濾波器[28]。

3.2 電可調(diào)和磁可調(diào)器件混合結構

電可調(diào)和磁可調(diào)二維結合實現(xiàn)磁電雙可調(diào)研究較少[29-31]。文獻[29]出一種基于SIW的電磁二維調(diào)諧設備。該設備采用鐵氧體，變?nèi)萜骱蚐IW濾波器結合分別實現(xiàn)磁可調(diào)、電可調(diào)，最終將二者結合在一起實現(xiàn)二維電磁可調(diào)濾波器設計。首先磁調(diào)諧是一個加載在電空腔的壁端的平面鐵氧體板，而電調(diào)諧是一個集總電容上下導體之間連接在中央?yún)^(qū)域的空腔。通過對特征方程求解，得出了諧振腔頻率隨電、磁調(diào)諧元件值的變化關系。實現(xiàn)了電磁二維可調(diào)。

3.3 RE MEMS技術

RE MEMS技術即MEMS 技術與RF技術的結合。為磁電雙可調(diào)濾波器的實現(xiàn)提供了新的方法。Haider Lin利用(NEMS)技術耦合環(huán)形薄膜體諧振器(FBAR)利用壓磁FeGaB和壓電AIN薄膜之間的強磁電效應聲波可以與輻射電磁波強耦合，鐵磁相的磁各向異性可以通過施加在壓磁層上的電壓控制，實現(xiàn)中心頻率可調(diào)[31](如圖14)。文獻[32]一種(RF MEMS)可調(diào)諧濾波器基于電磁帶隙(EBG)結構。此外，中國許多學者也對磁電雙可調(diào)濾波器開始展開研究。

圖14 NEME ME層狀結構帶通濾波器

3.4 磁電雙可調(diào)濾波器小型化分析

磁電雙可調(diào)濾波器采用磁電復合材料時，主要利用磁場實現(xiàn)粗調(diào)，利用電場實現(xiàn)細調(diào)，雖然調(diào)節(jié)范圍大但是調(diào)節(jié)過程中需要外置偏置線圈難以做到小型化。

傳統(tǒng)鐵氧體材料進行濾波器設計中，由于鐵氧體材料介電常數(shù)和磁導率的影響，嚴重制約了濾波器小型化設計。因此，有學者考慮采用改進材料降低介電常數(shù)和磁導率進行濾波器小型化設計。中國計量學院周浩淼提出一種發(fā)卡型磁電雙可調(diào)濾波器磁電層合材料利用其高介電常數(shù)和高磁導率的特性實現(xiàn)濾波器小型化，通過改變電磁鐵電流大小和N、S之間距離以及壓電相上下金屬薄膜電壓實現(xiàn)濾波器磁電雙可調(diào)[33]。

3.5 磁電雙可調(diào)濾波器全可調(diào)分析

全可調(diào)濾波器是指能夠同時滿足中心頻率，帶寬，傳輸零點，階數(shù)等濾波性能可重構特性，使得其能夠靈活的抑制各種干擾信號，傳輸損耗大大減少。磁電雙可調(diào)濾波器兩種設計方式對全可調(diào)磁電濾波器的研究較少。

磁電復合材料利用磁場實現(xiàn)粗調(diào)，利用電場實現(xiàn)細調(diào)無法實現(xiàn)帶寬、中心頻率、傳輸零點等多功能同時可調(diào)，電可調(diào)和磁可調(diào)器件混合結構雖然可以實現(xiàn)中心頻率和帶寬可調(diào)但是調(diào)諧范圍有限。

2008年，國立臺灣大學的丘剛利用釔鐵石榴石/釓鎵石榴石砷化鎵(YIG/GGG-GaAs)材料設計出中心頻率和帶寬可調(diào)的磁可調(diào)濾波器[34]。2011年，美國東北大學電氣與計算機工程系楊國民采用YIG薄膜設計出中心頻率和帶寬可調(diào)的磁可調(diào)濾波器[35]。2015年， Sulav Adhikari等人基于半?；刹▽?HMSIW)的方法，設計了一種新穎的中心頻率和帶寬可調(diào)磁電雙可調(diào)濾波器[36]。

4 總結與展望

磁電雙可調(diào)濾波器提出后吸引了國內(nèi)外眾多研究人員的興趣逐漸成為學術界研熱點。隨著磁電材料和微波技術的發(fā)展，磁電雙可調(diào)濾波器的研究有了一定進展，雖然磁電雙可調(diào)濾波利用電和磁兩種方法，使得可調(diào)方式多樣化，并且大大提高了調(diào)節(jié)的精度，范圍但也存在許多不足：(1)磁電雙可調(diào)濾波器調(diào)節(jié)功能有限，絕大多數(shù)只能利用磁電復合材料實現(xiàn)中心頻率或者帶寬單一性能可調(diào)，無法滿足完全現(xiàn)在高速發(fā)展的毫米波器件的嚴格要求實現(xiàn)全可調(diào)。(2)磁調(diào)諧需要到偏置線圈對器件小型化，集成化難以實現(xiàn)。(3)磁電雙可調(diào)濾波器大多采用傳統(tǒng)微帶線結構，由于其結構限制性能有待提高。

針對以上問題在未來濾波器設計中可以考慮結合重量輕，低損耗的低溫共燒陶瓷(LTCC)技術利用其便于大規(guī)模生產(chǎn)的特點和高集成度的基片集成波導(SIW)諧振腔的高品質(zhì)特點，開發(fā)設計出無論是性能還是集成度上滿足現(xiàn)代通信需求的多層LTCC基片集成波導多功能可調(diào)濾波器，這將大大提高濾波器的可調(diào)和可控范圍，為毫米波器件帶來全新的技術發(fā)展，這將會對未來微波通信產(chǎn)生重大的影響。