CN101017922A - 静磁表面波带通滤波器 - Google Patents

Abstract

静磁表面波带通滤波器，主要属于微波及射频器件领域，它特别涉及静磁波理论及器件设计技术。本发明由磁性薄膜(25)、换能器和磁场发生器构成，磁性薄膜(25)覆盖于换能器上，并处于磁场发生器产生的磁场作用范围内。本发明的有益效果是大幅度降低器件的插入损耗，其调谐范围可达到1.5GHz，即器件的工作范围展宽了，且带内损耗小于6dB，达到了实用化的要求。设计的滤波器具有中心工作频率和器件带宽同时可调的优点，大大增加了器件的灵活性。

Description

静磁表面波带通滤波器

技术领域

本发明属于微波及射频器件领域，它特别涉及静磁波理论及器件设计技术。

背景技术

静磁波器件技术是唯一能在微波频率下直接进行模拟信号处理并成为相控阵雷达相阵元的关键技术，静磁波器件可实现压缩接收、同步脉冲分离等功能，而且其具有的宽带、大动态、体积小重量轻并具有与微波单片集成电路(MMIC)和前端模块相兼容的能力等特点，使其有望成为新型宽带接收技术的主要关键技术之一。静磁波技术与声表面技术类似，是未来微波单片集成电路的希望，但声表面器件覆盖的频段到2GHz截止，而静磁波技术正是从2GHz频率向高频延伸，对未来拓宽微波单片集成电路的频段起着至关重要的作用。

而静磁表面波滤波器是静磁波器件中最基本，最关键的器件，它是组成信道器的基本单元。静磁表面波滤波器相对于其他滤波器的优点是其工作的中心频率及工作带宽均可在一定范围内调节。通过对静磁表面波辐射电阻的分析计算，发现静磁表面波带通滤波器的工作频率主要是由外加磁场决定的，因此调节外加磁场就可以控制器件的工作频率，而外加磁场如果选择电磁铁，就可以通过调节外加电压或电流来调节器件的中心工作频率，这对于应用在系统中的器件来说是很大的一个优势。同时由于静磁表面波在钇铁石榴石(YIG)薄膜中的传播是各向异性的，所以改变磁场方向可在一定范围内改变滤波器的带宽，这不仅保证了带宽的精确度，同时增加了器件的灵活性。

国内外对静磁表面波器件的研制已有四十多年的历史，但由于电路的匹配、磁系统的设计、YIG薄膜的选取及静磁表面波本身色散强烈等诸多因素的影响，其器件性能远达不到实用化的程度，大大制约了此类器件的发展。国内研制的静磁表面波带通滤波器其中心频率是不能调谐的，即其工作范围是固定的，且由于匹配及YIG薄膜的品质等诸多因素的影响，其通带内损耗都很大，一般大于10dB。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有较大的工作带宽范围和较低的插入损耗特点的静磁表面波滤波器。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，静磁表面波带通滤波器，由磁性薄膜、换能器和磁场发生器构成，YIG薄膜覆盖于微带电路上，并处于磁场发生器产生的磁场作用范围内。

进一步的说，所述换能器由输入换能线和输出换能线构成；输入换能线和输出换能线设置于基片上，并且相平行。所述磁场发生器由永磁体和软磁磁分路器构成。

本发明还包括一个磁场大小调节机构，通过调节永磁体和软磁磁分路器之间的距离实现对磁场大小的调节。还包括一个磁场方向调节机构，通过调节磁场发生器与换能线的角度实现对磁场角度的调节。

本发明还包括第一腔体和第二腔体，磁性薄膜和换能器设置于第一腔体内，磁场发生器设置于第二腔体内，第一腔体和第二腔体之间为活动连接，可以实现相对同轴旋转。

本发明设计的滤波器从电路的匹配及静磁表面波的激励特性两方面着手，对电路进行了改良，得到了很好的匹配特性，从而使器件的插入损耗大幅度降低，其调谐范围可达到1.5GHz，即器件的工作范围展宽了，且带内损耗小于6dB，达到了实用化的要求。本发明设计的滤波器具有中心工作频率和器件带宽同时可调的优点，大大增加了器件的灵活性。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为静磁表面波带通滤波器原理图。其中，1为输入换能线，2为输入端口，3为输出端口，4为GGG介质基片，5为YIG薄膜，6为金属接地层，7为氧化铝陶瓷介质基板。

图2为磁场发生器结构图。其中，12是磁场发生器产生的磁场方向，13是SmCo永磁体，14是填充硅胶，15是软磁磁分路器，16是铜套外腔体，箭头17表示可旋转方向。

图3为光刻的电路结构。其中，18是输入匹配微带线，19是输入换能线，20是输出换能线，21是输入微带的终端匹配电阻，22是输出换能线的终端匹配电容，23是承载微带电路的氧化铝陶瓷基片，24是输出微带线的输出匹配微带线。

图4为滤波器仿真结果示意图。

图5为滤波器测试结果示意图。

图6中，a为滤波器所用YIG薄膜与换能器之间的位置关系示意图，b为薄膜尺寸示意图。

具体实施方式

本发明的静磁表面波带通滤波器，由YIG薄膜、换能器和磁场发生器构成，在GGG衬底上液相外延的YIG薄膜覆盖于微带电路上，并处于磁场发生器产生的磁场作用范围内。所述磁场作用范围是指磁场能够有效的作用于磁性薄膜和微带电路。特别是，磁场方向不可垂直于磁性薄膜和微带电路。

参见图3。本发明的换能器由输入换能线19和输出换能线20构成；输入换能线和输出换能线设置于基片上，并且相平行。输入换能线19一端接输入匹配微带线18，另一端通过外部电路接地。优选的方式是通过终端匹配电阻21接地。输出换能线20一端接输出匹配微带线24另一端通过外部电路接地。优选方式是通过匹配电阻22接地。

所述磁场发生器由永磁体和软磁磁分路器构成。永磁体和软磁磁分路器设计成上下两个不同直径的圆柱形，以便于磁场方向的调节，磁场大小的调节借助于软磁材料构成的磁分路器与永磁体之间的距离来调整，如图2所示。本实施方式将磁性薄膜25、换能器设置于第一腔体内，磁场发生器设置于第二腔体内，第一腔体和第二腔体之间为活动连接，即可以实现相对同轴旋转以调节磁场方向。

作为更详细的实施例，如下：

电路设计：

电路设计是指在Al₂O₃陶瓷基板上微电线结构的设计，包括输入输出微带线的匹配及换能器设计。①依据静磁波的色散特性，建立换能器模型，计算换能器的辐射阻抗。由辐射电阻的大小可以看到静磁表面波激励的强弱，并且在辐射电阻下降到最大值一半时对应激励出的静磁表面波的功率是最大值的一半，正好可以定义为静磁表面波滤波器的3dB带宽，所以辐射电阻半高宽为设计目标125MHz时，换能器对应的宽度即为所求宽度，即220μm；②根据微带电路的匹配原理，计算得输入换能器的输入端匹配尺寸为6.8×0.34mm2，终端匹配电阻为75Ω；输出端匹配换能器的终端匹配电容尺寸为1.2×0.5mm2，输出换能器输出端尺寸为4.9×0.5mm2。

磁系统各部分结构尺寸的确定：

静磁表面波器件的工作频率取决于直流偏置磁场及YIG单晶薄膜的饱和磁化强度Ms的大小，本实施例所采用的YIG薄膜是固定的，其饱和磁化强度为1750Gs，结合滤波器要求工作的频率为4～6.5GHz，计算得出外加磁系统提供的磁场强度在900～15000e范围内。这里将磁系统设计成上下两个不同直径的圆柱形，以便于磁场方向的调节，磁场大小的调节借助于软磁材料构成的磁分路器与永磁体之间的距离来调整，如图2所示。这里永磁体采用电子九所的SmCo材料YX20，尺寸为5×6×9mm³，磁分路器直径D＝10mm，高h＝4mm，磁体和磁分路器之间的距离可在2～7mm范围内改变，使磁系统的磁场可以在900～15000e之调节，从而实现器件中心频率4～6.5GHz的分段调谐。

3)YIG薄膜几何结构参数度确定

YIG薄膜来自于“934”工程与乌克兰的技术合作。YIG薄膜的技术参数是：饱和磁化强度4πMs＝1750Gs，铁磁共振线宽ΔH＝0.50e，薄膜厚度d≈15μm，晶向为(111)。为了降低插损和二次反射信号，YIG薄膜的宽度应该与主要能流的宽度一致，设计为5mm，而且为了能量的汇聚与二次信号的抑制，另一端宽度减小，整体为三角形(如图6)，长度为12mm，大于输入与输出换能器的间距(5mm)，保证在输出端YIG薄膜与换能器还有一定的叠加宽度(约2mm)。

图4是本专利所设计滤波器的HFSS仿真结果，图5是测试结果，仿真结果与测试结果吻合较好，证明本发明的设计理论是正确的。

Claims (9)

1、静磁表面波带通滤波器，其特征在于，由磁性薄膜(25)、换能器和磁场发生器构成，磁性薄膜(25)覆盖于换能器上，并处于磁场发生器产生的磁场作用范围内。

2、如权利要求1所述的静磁表面波带通滤波器，其特征在于，所述换能器由输入换能线(19)和输出换能线(20)构成。

3、如权利要求2所述的静磁表面波带通滤波器，其特征在于，所述输入换能线(19)和输出换能线(20)相平行。

4、如权利要求2所述的静磁表面波带通滤波器，其特征在于，所述输入换能线(19)和输出换能线(20)设置于基片(23)上，磁性薄膜(25)为三角形。

5、如权利要求1所述的静磁表面波带通滤波器，其特征在于，所述磁性薄膜(25)为YIG薄膜。

6、如权利要求1所述的静磁表面波带通滤波器，其特征在于，所述磁场发生器由永磁体(13)和软磁磁分路器(15)构成。

7、如权利要求6所述的静磁表面波带通滤波器，其特征在于，还包括一个磁场大小调节机构，通过调节永磁体(13)和软磁磁分路器(15)之间的距离实现对磁场大小的调节。

8、如权利要求6所述的静磁表面波带通滤波器，其特征在于，还包括一个磁场方向调节机构，通过调节磁场发生器与换能线的角度实现对磁场角度的调节。

9、如权利要求1所述的静磁表面波带通滤波器，其特征在于，还包括第一腔体和第二腔体，磁性薄膜(25)、换能器设置于第一腔体内，磁场发生器设置于第二腔体内，第一腔体和第二腔体之间为活动连接。

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