趙賀鋒

摘要：本文設計了一款基于YIG（鐵氧體）為基底的SIW（基片集成波導）磁電雙可調諧振腔，通過鐵氧體基底和可變電容分別實現(xiàn)磁調諧和電調諧，仿真結果表明，加入磁調諧后，較單一的電調，諧振腔的調諧范圍擴展了75%，加入電調后，較單一的磁調，諧振腔的調諧范圍擴展了130%。通過磁電兩種調諧方式擴展了單一一種調諧方式的調諧范圍，與現(xiàn)有文獻[7]相比，調諧方式簡單，不需要兩種方式相互輔助同時調諧，且生產工藝更為簡單。

關鍵詞：一種新型磁電雙;可調諧振腔

1、前言

當今無線通信技術飛速發(fā)展以及頻譜資源的緊張，推進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關和功率分配帶來的插入損耗，是未來微波濾波器發(fā)展的主流[1]?，F(xiàn)有的可調濾波器，大多數(shù)以電可調為主，這類濾波器調諧速度快、體積小便于集成但品質因數(shù)不高，調諧范圍小。而磁可調濾波器調諧范圍大，品質因數(shù)高，但體積較大，調諧速度慢[2]。磁電雙可調濾波器綜合二者的優(yōu)點，具備巨大的發(fā)展前景。

早期學者們利用磁電復合材料來實現(xiàn)磁電雙調諧，比如YIG/PZT[3]、YIG/PMN-PT[4]、Zn2Y/PMN-PT[5]等，這種方式設計的濾波器均為微帶結構，體積小便于集成，但僅能實現(xiàn)頻率的調節(jié)，且調諧范圍過于依賴材料自身的特性，限制了其應用。利用SIW混合結構的磁電雙可調濾波器則具有更好的靈活性。但研究者較少，結構較為復雜。張巧利[6]將鐵氧體加載在SIW的兩諧振腔之間利用磁場來控制帶寬的調諧，通過變容二極管來實現(xiàn)頻率的調諧。這種設計頻率調諧范圍仍限制在單一的電調節(jié)。Wu[7]將鐵氧體加載在SIW的兩側，將變容二極管加載在諧振腔的中心位置，通過磁場和可變電容的同時調試實現(xiàn)頻率和帶寬的調節(jié)，但調諧方式較為復雜，進行磁調諧或者電調諧時，必須用另外一種調諧方式進行輔助調諧，否則插入損耗會惡化。除此之外，混合結構的磁電雙可調濾波器中的鐵氧體均是嵌入到SIW的縫隙中，生產工藝較為復雜，成本較高。

綜合復合材料和混合結構兩類形式的磁電雙可調濾波器，從而避免混合結構生產工藝復雜，成本較高的問題，同時又具備該類型濾波器的靈活性。本文直接以鐵氧體材料作為SIW的介質基底，設計了一款新型的磁電雙可調諧振腔。通過外加偏置磁場實現(xiàn)磁調諧，在SIW電場較強的位置嵌入變容二極管，通過改變變容二極管電容的大小，對諧振腔的電場產生擾動，實現(xiàn)電調諧。磁調和電調相互補充擴大了調諧范圍，同時調諧方式更為簡單。

2、設計原理

2.1電調諧原理

電調諧通過變容二極管實現(xiàn)，如圖1所示，在SIW諧振腔的中心位置即電場最強的位置，開一個金屬柱，在金屬柱的位置開一個回型空隙，通過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容二極管。SIW的諧振腔相當與一個LC振蕩電路，變容二極管的接入相當與在LC電路中串聯(lián)一個等效電容Cp，改變電容的大小，SIW的諧振頻率就會發(fā)生相應的偏移。

2.2磁可調原理

鐵氧體的有效磁導率隨著外加偏置磁場的改變而改變，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，此強度的磁場下，鐵氧體會發(fā)生鐵磁共振效應，此時的損耗達到最大，在峰值的左側為低場區(qū)，在低場區(qū)，隨著磁場的加大，有效磁導率呈減小趨勢，越接近0.27T損耗越大;在峰值的右側為高場區(qū)，高場區(qū)的有效磁導率仍隨著磁場的增大逐漸減小，越接近0.27T損耗越大，越遠離0.27T，鐵磁共振效應會逐漸減弱，損耗也逐漸減小，但產生較強的磁場會增加系統(tǒng)的功耗。發(fā)生鐵磁共振效應時，損耗最大，所以濾波器的工作頻率要遠離該頻率，在設計濾波器時，要根據(jù)需要保持在低場區(qū)或者高場區(qū)工作。

3、濾波器仿真結果分析

文采用HFSS 15.0進行建模和仿真，如圖4，SIW基底采用鐵氧體材料，飽和磁化強度為1780Gauss，相對介電常數(shù)為10.2，線寬為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的水平磁場進行調諧時，仿真結果如圖5所示：

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

當外加磁場保持0T，改變電容大小進行電調諧，電容從0pF增加到0.4pF，S21仿真曲線如圖所示，與理論相符，頻率從10GHz減少到9.2GHz，實現(xiàn)了800MHz的調諧，在調諧過程中，帶寬略有減小，主要原因可能隨著電容的增大，對SIW諧振腔的擾動變大，諧振點接近低次諧振波。

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

4、結論

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

參考文獻

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