CN100392910C - 一种铁电薄膜可调带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁电薄膜可调带通滤波器，所述构成可调滤波器的谐振器及输入输出抽头线均采用共面线结构，该共面线包括一条传输线和两个位于传输线两侧的接地面，接地面和传输线共同附着在基片的同一平面上，接地面与传输线之间是等宽度的缝。本发明采用共面线结构的办法来省去采用微带电路时需要的偏置电路，保证了整个器件具有较小的尺寸，采用谐振器的缝隙宽度远小于谐振器之间的缝隙宽度，保证了可调滤波器在通带频率移动时，使得其频率响应曲线的形状保持不变。

Description

一种铁电薄膜可调带通滤波器

技术领域

本发明属于微波工程领域，涉及一种铁电薄膜可调带通滤波器。

背景技术

电调滤波器在微波及射频系统中有着广泛的应用。和利用机械调制或磁场调制方式制作的可调滤波器相比，电调滤波器可应用在宽频带中，且具有很大的调制能力。基于此优点，电调滤波器可广泛地应用在下述领域：如本地多点分布式服务系统、蜂窝通信系统、个人通信系统、卫星通信及雷达系统中。利用外加电压改变铁电薄膜介电常数的原理制作而成的电调滤波器具有低的损耗、高的功率承载能力及高的三阶交调点(IP3)。

到目前为止，在利用铁电薄膜制作的可调滤波器中，应用得最广泛的薄膜材料是钛酸锶钡薄膜(Ba_xSr_1-xTiO₃)。分子式中x/(1-x)是钡与锶组份的比例，其x值可从0变到1，相应地钛酸锶钡薄膜的居里转变温度点可以从纯钛酸锶薄膜的居里温度点(小于0K)到钛酸钡薄膜的居里温度点(约400K)。这样通过调整钡锶组份的方法可以选择钛酸锶钡薄膜的工作温度区间。当x取0.5时，钛酸锶钡薄膜通常用来制作在室温下工作的电调器件。

在利用钛酸锶钡薄膜制作的电调带通滤波器中，通常采用微带线的结构形式，其中又以通过改变位于谐振器之间和谐振器下面的钛酸锶钡薄膜介电常数的结构最为常见。在这种结构中，通常钛酸锶钡薄膜沉积在整个基片上，通过直流偏置电路在相邻的两个谐振器之间和谐振器与接地面之间施加直流电场，用于改变位于相邻谐振器之间和谐振器下面的钛酸锶钡薄膜的介电常数，从而改变带通滤波器的通带带宽及通带频率。这种带有偏置电路的滤波器结构的尺寸通常比较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、尺寸较小的铁电薄膜可调带通滤波器。

为实现上述目的，本发明一种铁电薄膜可调带通滤波器，包括底层的基片、依次沉积在基片上的铁电薄膜和导电薄膜，所述带通滤波器包括两个相互耦合的共面谐振器，两个谐振器对称分布，所述滤波器的输入输出采用抽头线的方式。

进一步，所述导电薄膜包括一条传输线和位于传输线两侧的两个接地面，接地面和传输线共同附着在所述铁电薄膜的同一平面上，接地面与传输线之间是等宽度的缝。

进一步，所述谐振器部分的中心导体与所述接地面之间的缝隙宽度比两个谐振器之间的耦合缝隙的宽度至少小10倍。

进一步，所述传输线和所述接地面为超导薄膜或者常规金属薄膜构成。

进一步，所用基片材料为氧化镁MgO或氧化铝Al₂O₃或铝酸镧LaAlO₃。

进一步，在所述基片表面上均沉积有一定厚度的铁电薄膜。

进一步，所述铁电薄膜的材料为钛酸锶钡。

与现有采用微带线结构构成的铁电薄膜可调带通滤波器相比，本发明铁电薄膜可调带通滤波器采用共面线结构，主要依靠改变谐振器频率的方式进行通带频率的移动，对谐振器之间的耦合基本没有影响。当可调滤波器在外加电压下通带频率移动时，它的工作带宽及频率响应曲线的形状基本保持不变。本发明电调滤波器的结构紧凑、尺寸较小。

附图说明

图1是本发明铁电薄膜可调带通滤波器所采用的共面线结构的截面示意图；

图2是本发明铁电薄膜可调带通滤波器的结构的俯视图；

图3是本发明实施例1中钛酸锶钡薄膜的介电常数分别取250和200时，带通滤波器的频率响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地描述：

图1和2中，铁电薄膜可调带通滤波器的上层为导电薄膜30，中间是铁电薄膜20，下层是已知介电特性的常用介质基片10，基片10由氧化镁(MgO)或氧化铝(Al₂O₃)或铝酸镧(LaAlO₃)材料制成。在基片10的表面上均沉积有一定厚度的铁电薄膜20，铁电薄膜可调带通滤波器为共面线结构，共面线结构是指上层导体薄膜30构成的几何结构。该铁电薄膜可调带通滤波器由两个相互耦合的谐振器1、谐振器2及输入抽头线3和输出抽头线4组成。相互耦合的两个谐振器1(2)具有相同的尺寸，在滤波器的版图中呈轴对称分布。导电薄膜30包括一条传输线和位于传输线两侧的两个接地面5，接地面5和传输线共同附着在铁电薄膜20的同一平面上，接地面5与传输线之间是等宽度的缝。此外，谐振器1(2)之间的耦合缝隙L2(L3)要比谐振器自身的缝隙宽度W3至少大10倍。传输线和接地面5由超导薄膜构成，也可以用常规金属薄膜如金或银或铜或铂薄膜构成。

本发明中设计工作是利用电磁场仿真软件如sonnet在计算机上进行的，铁电薄膜可调带通滤波器是按常用平面工艺制作的，即按光刻、干法刻蚀、切割、组装等工艺步骤制作。在设计过程中，首先根据设定的工作频率选定单个谐振器的尺寸，包括谐振器的长度、缝隙宽度，之后调整两个谐振器之间的耦合缝隙的大小以及输入输出抽头线的位置及抽头线处的缝隙宽度。主要关注可调带通滤波器的带内波纹、带内插入损耗、带外抑制、工作频率及带宽。

图2是在沉积有0.25微米钛酸锶钡薄膜20的氧化镁基片10上设计的一个二阶可调带通滤波器的版图。氧化镁的介电常数取10，厚度为500微米，钛酸锶钡薄膜20的厚度为0.25微米，介电常数取250。导电层30为超导体薄膜。带通滤波器的输入输出部分的中心导体的宽度W1为250微米，与接地面5之间的缝隙宽度W2为100微米，组成滤波器的两个耦合谐振器1(2)的长度L1均为6150微米，谐振器1(2)中心导体与接地面5之间的缝隙宽度W3为50微米，两个谐振器1(2)末端的距离L2和L3分别为550微米和1150微米。抽头线3(4)距谐振器1(2)末端的距离L4和L5分别为2725微米、3175微米。当外加电压从滤波器的输入输出抽头处的中心导体加到谐振器1(2)上时，由于谐振器部分的中心导体与接地面5之间的缝隙宽度W3远远小于两谐振器1(2)之间的距离L2(L3)，所以谐振器缝隙处钛酸锶钡薄膜的介电常数会比位于谐振器之间缝隙处钛酸锶钡薄膜的介电常数变化得大得多。这样在相同的外加直流电压下，位于谐振器之间的钛酸锶钡薄膜的介电常数基本上保持不变，从而对谐振器之间的耦合影响不大。这样可调带通滤波器的带宽基本上保持不变，而其中心频率则会有较大地改变，从而实现滤波器频率响应曲线仅仅改变其通带的中心频率，其频率响应曲线的形状保持不变。

图3是本实施例中，当钛酸锶钡薄膜的介电常数分别取250和200时带通滤波器的频率响应曲线。图中曲线B、C分别为钛酸锶钡薄膜的介电常数取200时，带通滤波器的反射损耗和传输损耗特性曲线；图中曲线D、E分别为钛酸锶钡薄膜的介电常数取取250时，带通滤波器的反射损耗和传输损耗特性曲线。从图3中可以看出，当钛酸锶钡薄膜的介电常数从250减小到200时，其传输特性曲线的形状基本保持不变，通带的中线频率从9.95GHz增加到10.04GHz，其3dB带宽为0.13GHz，保持不变。其反射损耗均保持在-20dB以下。

Claims (5)

1.一种铁电薄膜可调带通滤波器，包括底层的基片、依次沉积在基片上的铁电薄膜和导电薄膜，所述带通滤波器包括两个相互耦合的共面谐振器，两个谐振器对称分布，所述滤波器的输入输出采用抽头线的方式；所述导电薄膜包括一条传输线和位于传输线两侧的两个接地面，接地面和传输线共同附着在所述铁电薄膜的同一平面上，接地面与传输线之间是等宽度的缝；其特征在于，所述谐振器部分的中心导体与所述接地面之间的缝隙宽度比两个谐振器之间的耦合缝隙的宽度至少小10倍。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述传输线和所述接地面由超导薄膜或者常规金属薄膜构成。

3.根据权利要求2所述的滤波器，其特征在于，所用基片材料为氧化镁MgO或氧化铝Al₂O₃或铝酸镧LaAlO₃。

4.根据权利要求3所述的滤波器，其特征在于，在所述基片表面上均沉积有一定厚度的铁电薄膜。

5.根据权利要求4所述的滤波器，其特征在于，所述铁电薄膜的材料为钛酸锶钡。

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