一种磁电可调双通带滤波器

朱锋杰，周 浩淼，肖 英，夏哲雷

(中国计量学院信息工程学院，浙江杭州310018)

0 引言

随着无线通信技术的快速发展，用户在2～40GHz频段内的需求变得更加多样化和复杂化。比如无线通信技术中的无线局域网就必须同时服务于2.45GHz和5GHz这两个频段。如何根据用户的要求提高器件的可调性和灵活性，成为了一个有待解决的重要问题。而新型信息功能材料－磁电复合材料为可调微波器件提供了一种新的思路。与传统的可调微波器件相比，基于磁电层合材料的微波器件如滤波器，移相器，环形器等具有调节速度快，范围大，噪音小，体积小等优点［1、2］。目前的研究主要致力于单频点的磁电可调滤波器的设计和性能研究。比如，使用YIG/GGG和微带线可以构成一个磁可调带通滤波器［3］。在此基础上增加PMN-PT层，在磁可调的基础上增加了电可调的性能，相比于磁调，电场调节更加高效、精确、耗能也更少［4］。实验测量表明，基于YIG/PZT的层合结构的磁电双可调滤波器具有较好的带通效果［5］。但是上述的磁电可调单通带滤波器仍然不能满足无线局域网的传输要求，具有双频点的磁电可调双通带滤波器作为磁电可调的微波器件，可以同时传输两个不同频段的微波信号，可以有效解决了这一难题。本文在磁电可调单通带滤波器的基础上，在两条微带线之间增加一块PZT/YIG磁电层合材料设计了一款磁电可调的双通带滤波器。由HFSS平台进行模拟仿真，通过调节施加在两块磁电层合材料的偏置磁场强度可以实现通带在2～10GHz范围内的粗调，调节电场强度可以实现阻带在几十兆赫兹内的精确调节。

1 设计原理及模型建立

磁电微波双带通滤波器的磁电可调特性是基于压电体的逆压电效应以及铁氧体的铁磁共振机理实现的。将滤波器放置于用于施加外加偏置磁场的两极线圈之间，铁氧体将产生铁磁共振效应;若在PZT层施加外加电场，将导致压电层变形，继而带动铁氧体层的变形导致铁磁共振的频率发生偏移;两者从本质上来说，都是通过改变铁磁介质的磁导率，从而导致铁磁共振频率发生偏移。本文结合上述理论设计了磁电微波双通带滤波器，其设计思路如图1所示，在磁电可调单通带滤波器的基础上于两条微带线之间增加一块磁电层合材料，从而得到磁电可调双通带滤波器。当YIG层处于铁磁共振状态时，输入和输出端的微带线与层合材料发生耦合，从而使FMR频段的能量从输入端传输到输出端，达到双通带的效果［6］。

图1 双带通滤波器的实现原理

滤波器的结构模型如图2所示，YIG尺寸为5.5mm×1.9mm×0.11mm，饱和磁化强度4 Ms=1 750G，共振线宽ΔH=1Oe，相对介电常数ε=12。PZT尺寸为4mm×1mm×0.5mm，在其上下表面各镀上一层厚5μm的金属电极，用于施加可变电场E。导带L满足50Ω匹配，尺寸为18mm×1mm×0.21mm，将其放置于尺寸为23mm×10mm×1mm，介电常数为10的氧化铝基底上。

分别对两块层合材料施加不同大小的偏置磁场H0﹑H1(H1＞H0)，方向均沿着x轴正向，则YIG层内部有效磁场为:Heff=H0，1+Han。其中H0，1为外加偏置磁场，磁晶各项异性场Han=－53Oe。仿真时通过分别在两块层合材料上施加大小为1 700Oe、1 813Oe的有效偏置磁场，得到插入损耗S21与频率f的关系曲线如图3所示。从图3中可以看出该滤波器通带部分的插入损耗约为－3dB，阻带部分的插入损耗为－18dB，满足双通带滤波器的条件。同时若用户需要使用单通带滤波器，则在第一块层合材料上施加所需外加偏置磁场H0，在另一块层合材料上施加的磁场H1=0Oe，双通带滤波器便可以转换成单通带滤波器，即可以保留文献5中滤波器的功能:即在2～10GHz任意频段实现磁电可调单通带。

图2 双带通滤波器仿真模型图

图3 插入损耗与频率的关系曲线

2 磁电双可调特性分析

由于磁电可调微波器件最关键的环节为铁氧体FMR的磁电可调特性，故结合上述模型分别验证偏置磁场和电场对FMR频率漂移影响的有效性。首先考虑外加电场为0，即δHE=0的情况，分析滤波器的磁可调特性。分别在两块磁电层合材料上施加不同的偏置磁场，即可得到该滤波器的磁调FMR频率漂移曲线如图4所示，其中曲线1和曲线2分别表示外加偏置磁场为1 700Oe、1 813Oe和1 770Oe、1 883Oe两种情况时的插入损耗曲线。从图4中分析可以得出，随着偏置磁场大小的改变，滤波器中每块层合结构FMR频率将发生漂移，但是偏移后的FMR峰形状与偏移前基本保持近似一致，带宽ΔH也保持不变，由此可以证明该模型在磁可调性能的有效性。

选取其中一块磁电层合材料，在外加磁场保持在1 700Oe不变的情况下，考虑其电调特性。由于电场E对铁磁共振频率偏移的影响可以等效为相应的磁场δHE［7］，则此时式 1 可以转换为 Heff=H0，1+Han+δHE，其中δHE=AE。将滤波器的尺寸参数代入文献7可得磁电转换系数A=13Oe·cm/kV。故当电场E分别为1kV/cm，2kV/cm，3kV/cm时，可以计算得到δHE分别为13Oe，26Oe，39Oe，通过HFSS仿真平台得到FMR频率的偏移变化如图5所示。当外加电场在0－3kV/cm变化时，记录不同外加电场下，铁磁共振频率的偏移量δf，如图6所示，当外加电场E=3kV/cm时δf达到120MHz，由此可以得出电场对于通带峰偏移的影响是近乎线性可调的。

图4 双通带磁可调性能的实现

图5 单通带的电可调特性

图6 外加电场E与δf的关系图

3 结束语

该文基于YIG/PZT层合材料，设计了一款具有双通带的磁电双可调滤波器，并验证了其磁电可调特性。该滤波器可根据用户需求产生双通带或单通带，通过合理地调节外加磁/电场来调节磁电双通带滤波器的传输特性。综上所述，该设计将极大提高器件的可调性与灵活性，在无线通信技术快速发展的今天将发挥重要的作用。由于YIG/PZT材料特性的限制该滤波器存在着通带窄较窄的问题，通过施加一个非均匀的外加偏置磁场可以实现其通带带宽的调节［8］。同时，该滤波器和现阶段基于YIG/PZT磁电层合材料的带通滤波器一样，存在着通带内特性不佳的问题，这也是有待解决的重要问题之一。

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