磁电双可调滤波器研究进展

彭国豪，朱永忠，刘晓宇

(中国人民武装警察部队工程大学信息工程学院，西安 710086)

0 引言

随着现代通信技术的快速发展，频谱资源变的日益紧张给无线通信带来了巨大的挑战，同时也促进了可调微波器件的飞速发展。磁可调，电可调微波器件在通信领域广泛应用。然而传统的电可调微波器件虽然调节速度快，体积小，容易实现小型化，但是其调节范围窄，品质因子不高；磁可调微波器件通过改变偏置磁场可以实现宽频带可调，但是难以实现小型化，调节速度慢。综合考虑这两种可调方式的优劣特性和现今微波器件对可调微波器件品质因数，调节速度和范围，以微波损耗等要求较高的原因磁电双可调滤波器越来越受到国内外研究学者的青睐。

磁电双可调即是利用磁电复合材料的铁磁共振效应(FMR)综合磁可调和电可调两种方式，利用磁场实现粗调，外加电场实现小范围精确可调。这种磁电双可调综合磁可调，电可调优点，具有功耗小，方便小型化，调节速度快，高Q值等特点，磁电双可调微波器件逐渐成为研究人员的热点。

1 磁可调滤波器种类及实现方法

磁可调主要采用YIG以及其他磁性材料改变滤波器性能实现磁可调。YIG即钇铁石榴石，因为其具有良好的电磁性能被广泛的应用于各种微波器件中。

1.1 YIG薄膜

采用磁性薄膜材料和滤波器设计结合。

Hoton How第一次提出用金属磁性薄膜代替铁氧体来改善带通特性的设计[1]。相比传统铁氧体材料利用铁磁谐振原理，磁性金属薄膜使用铁磁抗谐振原理。利用复合微带线，在其衬底层插入一层薄的磁性金属薄膜，通过控制外加偏置电场，使得其中心频率可调。

日本Makoto Tsutsumi采用YBCO和YIG即铁氧体和超导体复合材料实现了磁可调微带滤波器[2]。为了使射频场与超导体产生更大的相互作用，YIG薄膜尽可能靠近条带，如图1两种不同的利用超导体和 YIG 薄膜的微带线结构。

然后采用外延生长在钆镓石榴石(GGG)衬底上的薄膜，利用外加直流场改变磁导率的物理机制，得到磁可调滤波器。在横轴方向上施加直流磁场，通过一对各为300匝的亥姆霍兹线圈(如图2)进行波的传播。这种磁场方向的优点是退磁效果小，超导体与表面波相互作用强。实现400Mhz的可调频率。

图1 两种不同的微带线结构

图2 亥姆霍兹线圈测试结构

C.S.Tsai采用YIG薄膜与GaAs工艺相结合，利用YIG自身FMR特性进行带通和带阻设计[3]。如图3所示沿微带入射的微波发射门被耦合到YIG/GGG层和最大耦合中，因此，当微波发射门的载流子频率与FMR频率重合时，微波发射门的峰值吸收。这种带阻滤波器已经证明了频率调谐范围高达1.0到30.0 GHz，并且在FMR频率处信号吸收水平为37 dB。利用一对级联带阻滤波器，分别施加不同的磁场，可以实现中心频率和带宽可调的带通滤波器。

图3 使用YIG/GGG-GaAs倒装芯片的微波带阻滤波器

文献[4]利用YIG小球设计出2GHz-8GHz的阻带滤波器如图4所示，在YIG小球未谐振时，耦合结构类似于一个低通滤波器，当其谐振时等效为一个带阻滤波器如图5所示。利用低通欢耦合线16级YIG小球谐振器，解决了长期以来阻带高度和宽度不高的问题，成功避免了带外静磁模叠加，使假响应大幅降低。

图4 (a)低通滤波器等效原理图(b)带阻滤波器等效原理图

文献[5]用YIG单晶铁氧体小球谐振子，通过改进耦合结构，利用其铁磁谐振的原理设计出7GHz-40GHz调谐带通滤波器如图5所示。

图5 YIG带阻滤波器示意图

1.2 磁性材料填充

通过外加磁场改变块状磁性材料磁导率，从而调整滤波器腔体性能。

Keum C.Hwang等人研制了一种WR-90矩形波导(22.86 10.16 mm)频率可调陷波滤波器[6]。如图6所示矩形波导窄边的四个矩形槽(10.16 mm)中填充铁氧体。通过减小两块磁体之间的距离，利用两块磁棒产生的直流磁场可达1300oe。发现，通过改变直流磁场从0oe到5830oe,中心频率调谐范围在8.6GHZ到11.3GHZ。

A.S.Horton等人提出一种可通过铁磁体负载的可调微带滤波器[7]。如图7所示在微带存根下方的通道中，填充部分铁磁流体，铁磁流体响应置于地面下方的自流偏置场而移动，从而导致存根截面阻抗和传播常数的变化以及滤波元件的调谐。

图6 WR-90波导中填充铁氧体的中心频率可调陷波滤波器

图7 BSF示意图

文献[8]报道了一种在硅片上制备的C波段BSF。利用单传输线下的FeGaB/AL2O3多层膜，制成细长带状。BSF利用其形状各向异性，在5GHZ处表现出自共振，衰减率高达20dB以上。此外，通过施加相当小的磁场 ，达到400oe，频率从5移到8.5GHZ以上，可调谐70%。

图8 双极性带通滤波器

0noel Acar等人在2015年提出利用横向偏置铁氧体负载的同轴谐振腔设计双极性带通滤波器[9]。通过改变电感，使得谐振器的中心频率发生改变。如图8所示在同轴腔一端短路，另一端有电容，形成谐振器。在电容器端子处，短路的同轴传输线表现出电感特性，在导纳相互抵消的频率处产生共振。同轴传输线中填充铁氧体，在外加直流磁场的作用下，在轴向饱和，可以维持一种类似于空心同轴横向电磁模(TEM)的传输模式。因此上述腔的同轴段可以插入铁氧体，从而产生相同工作原理的谐振器。谐振器可以通过改变外加电场强度来调谐。该滤波器能产生更高的品质因素。等效电路如图9所示。

图9 横向偏置铁氧体负载的短同轴谐振腔与等效电路

1.3 磁性材料基板

利用磁性材料基板进行滤波器设计

X.Yang教授组利用YIG材料为基板，通过改变外置磁场使其从0-100oe，插入损耗为1.1-1.25DB，其可调谐范围为380MHz[10]。2015年Eyad Arabi通过LTCC技术与铁氧体材料结合[11]。于磁可调滤波器大多基于FMR材料，通过改变FMR频率实现可调性，需要有很大的偏置场(koe级)，这对很多小型化设备来说非常困难。如果采用铁氧体部分磁化，可以获得良好的可调性，偏置场也小得多，于是采用嵌入式线圈代替外部线圈(如图10)，铁氧体材料大大减少滤波器尺寸和偏置场而且还有很好的可调性。

2016年张知之等人通过设计不同的Ms铁氧体衬底，研究铁氧体基片在不同磁化状态下对平行耦合微带磁可调带通滤波器性能影响设计出适用于不同质谱的YIG铁氧体基片的C波段可调滤波器[12]。在外场作用下，YIG中心频率在0-200Oe下有5.60GHz向下移动至4.86GHz，在200Oe-720Oe下由4.86GHz向上移动到5.05GHz。其带宽在0-200Oe下有0.24GHz扩展到0.45GHz，并且随着外场进一步增加，带宽几乎保持不变。

图10 LTCC带通滤波器结构图

2 电可调滤波器种类及实现方法

电可调滤波器主要采用变容管、PIN二极管等电子元件实现滤波器参数可调。由于其调谐速度快，精度较高，易于集成，适合同时调节多个参数，在可调滤波器领域广泛应用。

2.1 PIN二极管

PIN结合滤波器主要利用PIN的单向导通性能起到一个开关作用，实现滤波器中心频率不变的情况下带宽可切换。Kai Chang 第一次提出利用PIN二极管进行滤波器设计[13]。2003年Christen Rauscher采用多种PIN二极管，将PIN管当做开关，实现滤波器中心频率不变，带宽在500MHz-1500MHz可调[14]。文献[15]提出一种利用PIN二极管与滤波器结合，实现中心频率不变，带宽可调。

2.2 半导体变容管

由于半导体变容管成本较低，反应速度快，在电可调滤波器中应用广泛。2008年Sang-June Park等人首先采用变容管和谐振器结合通过调节谐振器耦合系数实现中心频率可调滤波器[16]。此外，G.Chaudhary等人也通过变容管结合滤波器实现双模带宽中心频率可调滤波器[17]。文献[18]提出一种变容管结合SIW消逝模腔体，实现中心频率在2.8GHz-4.2GHz范围内可调。

2.3 MEMS技术

由于MEMS技术具有Q值高，功耗低，线性度高等优点，如今已经成为电可调滤波的主要方式。文献[19]提出一种将MEMS技术与滤波器集总元件结合，通过MEMS设计开关结构，实现滤波器中心频率和带宽可调如图11所示。Raafat R.Mansour团队也设计出基于MEMS开关的可调滤波器[20]。

图11 MEMS开关滤波器

3 磁电双可调滤波器种类及分析

磁电双可调滤波器，主要采用磁电复合材料和磁可调器件与电可调器件混合结构实现双调谐。

3.1 磁电复合材料

文献[21]提出一种可以通过磁电相互作用实现电可调的铁氧体-铁电微波带通滤波器的设计。将耦合微带线与YIG/PMN-PT组成的磁电复合材料结合，使得复合材料在电场的作用下发生形变，表现为铁氧体铁磁谐振中的磁场位移。由于电调谐比传统磁调谐速度快得多，而且几乎没有什么功耗。文献[22]设计并制作了基于YIG/PMN-PT双分子层铁磁共振的磁、电双可调滤波器。文献[23]利用铁氧体在微波和偏磁场作用下会产生铁磁共振吸收电磁场能量的原理，通过阶跃阻抗微带线和磁电层合材料的结合，设计了一款 TD-SCDMA 频段的双频通带特性滤波器(如图12)，但插损较大。文献[24]制备了可调的六角晶铁氧体/压电磁电双可调微带谐振器，该磁电微波谐振器能较理想的实现大范围的磁场粗调节及小范围的电场精调节。

文献[25]设计了一种基于铁磁谐振的可调谐微带带通滤波器如图13所示。通过磁电耦合实现滤波器可调。由于磁电材料具有很强的磁场与电场能量转换的能力。利用其特点PZT板上施加电场，通过层和层的机械形变实现电调谐，电场引起的FMR频移效应YIG薄膜中磁场的频移效应基本相同。利用面内磁场和面外磁场通过FMR实现磁调谐。中国计量大学周浩淼[26-27]同样类似原理采用YIG/PZT材料，设计出中心频率可调的带通滤波器。

(a)加载集总电容和铁氧体板的谐振腔

(b)等效模型

图13 磁电带通滤波器原理图

2015年Lin H利用镍锌铁氧体复合材料设计出倒S型磁电双可调滤波器[28]。

3.2 电可调和磁可调器件混合结构

电可调和磁可调二维结合实现磁电双可调研究较少[29-31]。文献[29]出一种基于SIW的电磁二维调谐设备。该设备采用铁氧体，变容器和SIW滤波器结合分别实现磁可调、电可调，最终将二者结合在一起实现二维电磁可调滤波器设计。首先磁调谐是一个加载在电空腔的壁端的平面铁氧体板，而电调谐是一个集总电容上下导体之间连接在中央区域的空腔。通过对特征方程求解，得出了谐振腔频率随电、磁调谐元件值的变化关系。实现了电磁二维可调。

3.3 RE MEMS技术

RE MEMS技术即MEMS 技术与RF技术的结合。为磁电双可调滤波器的实现提供了新的方法。Haider Lin利用(NEMS)技术耦合环形薄膜体谐振器(FBAR)利用压磁FeGaB和压电AIN薄膜之间的强磁电效应声波可以与辐射电磁波强耦合，铁磁相的磁各向异性可以通过施加在压磁层上的电压控制，实现中心频率可调[31](如图14)。文献[32]一种(RF MEMS)可调谐滤波器基于电磁带隙(EBG)结构。此外，中国许多学者也对磁电双可调滤波器开始展开研究。

图14 NEME ME层状结构带通滤波器

3.4 磁电双可调滤波器小型化分析

磁电双可调滤波器采用磁电复合材料时，主要利用磁场实现粗调，利用电场实现细调，虽然调节范围大但是调节过程中需要外置偏置线圈难以做到小型化。

传统铁氧体材料进行滤波器设计中，由于铁氧体材料介电常数和磁导率的影响，严重制约了滤波器小型化设计。因此，有学者考虑采用改进材料降低介电常数和磁导率进行滤波器小型化设计。中国计量学院周浩淼提出一种发卡型磁电双可调滤波器磁电层合材料利用其高介电常数和高磁导率的特性实现滤波器小型化，通过改变电磁铁电流大小和N、S之间距离以及压电相上下金属薄膜电压实现滤波器磁电双可调[33]。

3.5 磁电双可调滤波器全可调分析

全可调滤波器是指能够同时满足中心频率，带宽，传输零点，阶数等滤波性能可重构特性，使得其能够灵活的抑制各种干扰信号，传输损耗大大减少。磁电双可调滤波器两种设计方式对全可调磁电滤波器的研究较少。

磁电复合材料利用磁场实现粗调，利用电场实现细调无法实现带宽、中心频率、传输零点等多功能同时可调，电可调和磁可调器件混合结构虽然可以实现中心频率和带宽可调但是调谐范围有限。

2008年，国立台湾大学的丘刚利用钇铁石榴石/钆镓石榴石砷化镓(YIG/GGG-GaAs)材料设计出中心频率和带宽可调的磁可调滤波器[34]。2011年，美国东北大学电气与计算机工程系杨国民采用YIG薄膜设计出中心频率和带宽可调的磁可调滤波器[35]。2015年， Sulav Adhikari等人基于半模基片集成波导(HMSIW)的方法，设计了一种新颖的中心频率和带宽可调磁电双可调滤波器[36]。

4 总结与展望

磁电双可调滤波器提出后吸引了国内外众多研究人员的兴趣逐渐成为学术界研热点。随着磁电材料和微波技术的发展，磁电双可调滤波器的研究有了一定进展，虽然磁电双可调滤波利用电和磁两种方法，使得可调方式多样化，并且大大提高了调节的精度，范围但也存在许多不足：(1)磁电双可调滤波器调节功能有限，绝大多数只能利用磁电复合材料实现中心频率或者带宽单一性能可调，无法满足完全现在高速发展的毫米波器件的严格要求实现全可调。(2)磁调谐需要到偏置线圈对器件小型化，集成化难以实现。(3)磁电双可调滤波器大多采用传统微带线结构，由于其结构限制性能有待提高。

针对以上问题在未来滤波器设计中可以考虑结合重量轻，低损耗的低温共烧陶瓷(LTCC)技术利用其便于大规模生产的特点和高集成度的基片集成波导(SIW)谐振腔的高品质特点，开发设计出无论是性能还是集成度上满足现代通信需求的多层LTCC基片集成波导多功能可调滤波器，这将大大提高滤波器的可调和可控范围，为毫米波器件带来全新的技术发展，这将会对未来微波通信产生重大的影响。