CN103401047A - 与铁氧体薄膜材料共基底的微带线滤波器及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种与铁氧体薄膜材料共基底的微带线滤波器及其调节方法，包括两块压电层(1)、一块铁氧体层(2)、GGG基底材料(3)、金属微带线(4)；滤波器以铁氧体层(2)生长所需要的GGG基底材料(3)为基底；在生长着铁氧体层(2)的GGG基底材料(3)的上表面，沿着长度方向的中心轴线印刷出一层单导带的金属微带线(4)；两块压电层(1)分别置于微带线的两侧。与传统的微带线滤波器相比，由于铁氧体材料和压电材料存在高介电常数(ε＞10)和高磁导率(μ＞10)的优点，可以实现滤波器的小型化。本发明选择与铁氧体薄膜(YIG)同等长宽尺寸的基底材料(GGG)，降低了铁氧体材料在尺寸上选择的难度。

Description

与铁氧体薄膜材料共基底的微带线滤波器及其调节方法

技术领域

本发明涉及一种与铁氧体薄膜材料共基底的微带线滤波器及其调节方法。

背景技术

近年来，因传统滤波器的工作频率比较单一，无法对其工作频段进行调节，亦无法对其工作频点进行精确调节，已有学者尝试使用铁氧体材料进行滤波器的设计，原理主要是利用铁氧体介质相对高的介电常数来有效地减小微波滤波器的尺寸；同时由于铁氧体介质在外加偏置磁场的条件下，会发生铁磁共振效应，以及压电材料会因为施加电场而产生电容效应从而形变并能牵制所接触的铁氧体层发生形变，因而对传输线中能量的变化产生了影响，从而影响了滤波器原有的性能，因此可以通过改变外加偏置磁场和电场来调节微波滤波器的工作频率。

然而在运用铁氧体薄膜设计这种磁电双可调滤波器的过程中，如图5所示，首先需要满足所选取铁氧体薄膜及供其生长的基底材料具有相同尺寸，其次要满足滤波器的基板材料具有合适的介电常数并能够和铁氧体材料的基底进行粘合，再次要尽量减小粘合剂对滤波器性能的影响。这样就增加了在滤波器设计和制作中的难度和复杂度，而且，运用了铁氧体材料基底又需要滤波器基底，也会相对增大了滤波器的尺寸，不利于其小型化发展。

发明内容

本发明的目的针对现有技术的不足，提供一种微带线与铁氧体薄膜材料共基底的磁电可调滤波器。

一种与铁氧体薄膜材料共基底的微带线滤波器，包括两块压电层(1)、一块铁氧体层(2)、GGG基底材料(3)、金属微带线(4)；滤波器以铁氧体层(2)生长所需要的GGG基底材料(3)为基底；在生长着铁氧体层(2)的GGG基底材料(3)的上表面，沿着长度方向的中心轴线印刷出一层单导带的金属微带线(4)；两块压电层(1)分别置于微带线的两侧，与未被微带线覆盖的铁氧体层(2)的两边部分通过环氧树脂粘合，在两块压电层(1)的上下两个表面上分别镀有一层金属薄膜(5)；对此滤波器施加平行于器件方向的磁场，在其左、右两侧分别放置电磁铁(6)的N、S极。

所述的滤波器，所述的铁氧体层(2)为生长在GGG基底材料(3)上的钇铁石榴石YIG薄膜，并在GGG基底材料(3)和YIG薄膜的宽度方向中心轴线上印刷出金属微带线(4)作为信号传输线。

所述的滤波器，所述的两块压电层(1)为锆钛酸铅PZT材料，其上下表面所镀的金属薄膜(5)为Ag膜。

所述的与滤波器，通过所述的金属薄膜(5)施加外部电压。

本发明继续提供一种所述的滤波器的调节方法，施加电流给电磁铁里的线圈从而控制电磁铁(6)向所述的滤波器施加平行于磁场方向的外部偏置磁场时，铁氧体层(2)会发生铁磁共振效应，从传输信号的金属微带线(4)中吸收能量，导致所述的滤波器的工作性能发生改变；通过调节电磁铁上电流的大小以及N、S极之间的距离可以改变施加在滤波器上偏置磁场的强度，从而实现对不同的工作频率范围或者频点G赫兹数量级的粗调；在压电层(1)两个表面的金属薄膜上施加外部电压，通过两个金属薄膜之间的电容效应，压电层(1)上产生均匀的电场，通过所述电场，导致压电层(1)产生形变从而牵动铁氧体层(2)形变，即将其所产生的影响等效为对铁氧体层(2)施加一个磁场，那么改变外加电场的强度即可实现滤波器工作频率在兆赫兹数量级的精确调节；通过改变电压的正负方向，实现所述滤波器工作频率的左右偏移。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

首先，与传统的微带线滤波器相比，由于铁氧体材料和压电材料存在高介电常数(ε＞10)和高磁导率(μ＞10)的优点，可以实现滤波器的小型化。再者，通过调节电磁铁上的电流的大小以及N、S极之间的距离可以改变施加在磁电层合材料上偏置磁场的强度，实现对微波滤波器工作频率的粗调。通过改变施加在压电层上下两个表面金属薄膜上的外部电压可以实现工作频率在几十兆赫兹内的精确调节。通过改变电压的正负方向，即可实现阻带峰的左右偏移，并且，对于不同的压电材料，由于其本身的特性，滤波器性能偏移的方向和偏移量也会存在差异。磁场调节和电场调节之间工作独立，不会相互干扰。本发明克服了传统微波器件工作频段不可调或可调工作频带单一，无法在小频段范围内精确调节等缺点，适合无线通信中的可调应用。同时，由于其磁电双可调特性，该设计克服了传统磁可调微波器件工作时损耗大，响应时间长等缺点，将在我国的移动通信，卫星通信，医疗仪器，武装遥控，安全系统及蓝牙技术等领域有很大的应用前景。

其次，与以往的磁电可调微带线滤波器相比，本发明去掉了传统磁电滤波器的制作工艺上，选择与铁氧体薄膜(YIG)同等长宽尺寸的基底材料(GGG)，降低了铁氧体材料在尺寸上选择的难度；再者，摒弃了以往结构中的滤波器基板材料的选择和尺寸设计，以铁氧体材料本身所在的基底为滤波器基底，优化了滤波器的结构，使其更趋向于小型化，同时避免了铁氧体材料层合块与基板在通过环氧树脂粘合时对滤波器的性能造成影响；而且GGG材料的介电常数比一般使用的滤波器基板大很多，那么同等厚度下，在保证阻抗匹配时的微带线宽度更小，这就为进一步缩小滤波器的体积提供了条件。同时，在生长着YIG薄膜的GGG材料基底上直接印刷微带线，可以更好地让YIG与微带线发生耦合作用，优化了滤波器的性能。

附图说明

图1是微带线与铁氧体薄膜材料共基底的磁电可调滤波器的俯视图。

图2是微带线与铁氧体薄膜材料共基底的磁电可调滤波器的侧视图。

图3印刷有微带线的铁氧体材料及其基底的结构示意图

图4磁电层合材料结构分解示意图

图5传统单导带磁电可调微带线滤波器结构示意图

图6传统单导带磁电可调微带线滤波器磁可调性能示意图

图7传统单导带磁电可调微带线滤波器电可调性能示意图

图8是本发明的工作频点在6.55GHz-6.85GHz频段内的磁可调性示意图。

图9是本发明的工作频点在6.59GHz-6.67GHz频段内的电可调性示意图。

1压电层，2铁氧体层，3GGG基底材料，4金属微带线，5金属薄膜，6电磁铁，7普通滤波器介质基板。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

如图1、2所示，一种与铁氧体薄膜材料共基底的磁电可调微带线滤波器，包括压电层1、铁氧体层2、基底材料3、金属微带线4；其中铁氧体层2为生长在GGG基底材料3上的薄膜材料，沿GGG基底材料3长度方向的中心轴线方向印刷金属微带线4；两块压电层1放置于金属微带线4两侧未被覆盖的铁氧体材料之上，并与铁氧体层2通过环氧树脂粘合，在压电层1的上下两个表面上分别镀有一层金属薄膜5。对此滤波器施加平行于器件方向的磁场，在其左、右两侧分别放置电磁铁6的N、S极。

所述的金属薄膜5为银薄膜。所述的压电层1为锆钛酸铅PZT，铁氧体层2为钇铁石榴石YIG薄膜，生长在GGG基底材料3上。所述的金属薄膜5用于施加外部电压。

一种所述的与铁氧体薄膜材料共基底的磁电可调微带线滤波器的调节方法，当施加电流给电磁铁6里的线圈从而控制电磁铁6向所述的滤波器施加平行于磁场方向的外部偏置磁场时，铁氧体层2会发生铁磁共振效应，从传输信号的金属微带线4中吸收能量，导致所述的滤波器的工作性能发生改变；通过调节电磁铁6上电流的大小以及N、S极之间的距离能够改变施加在滤波器上偏置磁场的强度，从而实现对不同的工作频率范围或者频点G赫兹数量级的粗调；在压电层1两个表面的金属薄膜5上施加外部电压，通过两个金属薄膜5之间的电容效应，压电层1上产生均匀的电场，通过所述电场，导致压电层1产生形变从而牵动铁氧体层2形变，即将其所产生的影响等效为对铁氧体层施加一个磁场，那么改变外加电场的强度即可实现滤波器工作频率在兆赫兹数量级的精确调节；通过改变电压的正负方向，可以实现所述滤波器工作频率的左右偏移。

如图1，3所示，在GGG基底材料3和铁氧体层2的上表面，沿基底长度方向的中心线印刷金属微带线4。如图2所示，两块压电层1(PZT)和铁氧体层2(YIG薄膜)中未被金属微带线4覆盖的部分之间是通过环氧树脂粘合到一起所得到；同时，在压电层1(PZT)的上下两个表面分别镀上一层金属薄膜5为施加外部电压的电极，其材料通常选用银。电磁铁6的N、S两极分别放置于滤波器的左右两侧用于施加平行于器件方向的外部偏置磁场。

实施例

以往所研究的磁电可调微带线滤波器如图5所示，需要满足所选取铁氧体层2(YIG薄膜)及供其生长的GGG基底材料3具有相同尺寸，其次要满足普通滤波器介质基板具有合适的介电常数并能够和铁氧体层2(YIG薄膜)的基底进行粘合，再次要尽量减小粘合剂对滤波器性能的影响。这样就增加了在滤波器设计和制作中的难度和复杂度，而且，运用了铁氧体材料基底又需要滤波器基底，也会相对增大了滤波器的尺寸。

本发明中的与铁氧体薄膜材料共基底的磁电可调微带线滤波器如图1、2、4所示，采用的GGG基底材料3的尺寸为5.0mm×7.0mm×1.0mm。铁氧体层2和压电层1分别选择YIG和PZT两种材料。其中铁氧体层2即YIG的尺寸为3.8mm×2.8mm×0.015mm，两块压电层1即PZT的尺寸均为1.8mm×2.8mm×0.01583mm(满足铁磁相与铁电相总体积比为1∶1)，两层之间通过环氧树脂粘合。同时，在压电层1的上下两个表面分别镀上一层金属薄膜5，例如银薄膜，该银薄膜的尺寸为：1.8mm×2.8mm×0.005mm。在生长着铁氧体层2(YIG薄膜)的GGG基底材料3上表面，沿长度方向的中心线印刷宽度为0.2mm的金属微带线4(微带线宽度与基底满足50欧姆阻抗匹配)，用做信号的传输线如图3所示。

本发明中的与铁氧体薄膜材料共基底的磁电可调微带线滤波器，其铁氧体层和压电层的尺寸均与传统的普通单导带磁电可调滤波器相同，微波信号从图1中的输入端口输入。对于传统的普通单导带磁电可调滤波器，我们改变电流大小从而在平行于器件方向控制电磁铁分别产生1700Oe，1750Oe和1800Oe的磁场，其磁可调性能曲线如图6所示，随着磁场的增加工作频率向右产生了漂移，插入损耗只能达到-9.5dB左右。对于本发明中的此滤波器，同样地，改变电流大小产生1700Oe，1750Oe和1800Oe的平行磁场，根据铁磁共振频率与外加磁场的关系可截取滤波器工作在6.55-6.85GHz频段时的插入损耗曲线进行研究，如滤波器的磁可调性示意图8所示：随着施加的磁场的强度增大，所述滤波器的插入损耗曲线出现了正向漂移，其插入损耗也稍有增加，最大可达到-20dB，阻带带宽约为30MHz，实现了在6.55-6.85GHz范围内对滤波器工作频段的频率粗调，并且与传统的普通单导带磁电可调滤波器相比性能较好。由于施加电场对滤波器进行电调所产生的影响可以等效为对其施加了磁场的效果，因此其性能随电场强度增减时的偏移趋势应与磁可调时大致相同，传统的普通单导带磁电可调滤波器的电可调性能曲线如图7所示，随着外加电压改变，滤波器频率产生了漂移，插入损耗没有达到-10dB。本发明中的滤波器电可调性示意图如图9所示：通过改变外加电场的强度和方向，滤波器的性能曲线也产生了漂移，随着外加电场的增加，插入损耗增加；此外，本发明中的实例对于6.59GHz-6.67GHz频段进行研究，每当外加电压大幅度改变11kv/cm，频率微小地偏移了9.6MH，因此变化外加电压可以实现范围内的频率精调，最大衰减达到了-20dB，是传统的普通单导带磁电可调滤波器的两倍。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种与铁氧体薄膜材料共基底的微带线滤波器，其特征在于，包括两块压电层(1)、一块铁氧体层(2)、GGG基底材料(3)、金属微带线(4)；滤波器以铁氧体层(2)生长所需要的GGG基底材料(3)为基底；在生长着铁氧体层(2)的GGG基底材料(3)的上表面，沿着长度方向的中心轴线印刷出一层单导带的金属微带线(4)；两块压电层(1)分别置于微带线的两侧，与未被微带线覆盖的铁氧体层(2)的两边部分通过环氧树脂粘合，在两块压电层(1)的上下两个表面上分别镀有一层金属薄膜(5)；对此滤波器施加平行于器件方向的磁场，在其左、右两侧分别放置电磁铁(6)的N、S极。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述的铁氧体层(2)为生长在GGG基底材料(3)上的钇铁石榴石YIG薄膜，并在GGG基底材料(3)和YIG薄膜的宽度方向中心轴线上印刷出金属微带线(4)作为信号传输线。

3.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述的两块压电层(1)为锆钛酸铅PZT材料，其上下表面所镀的金属薄膜(5)为Ag膜。

4.根据权利要求1所述的与滤波器，其特征在于，通过所述的金属薄膜(5)施加外部电压。

5.一种权利要求1所述的滤波器的调节方法，其特征在于，施加电流给电磁铁里的线圈从而控制电磁铁(6)向所述的滤波器施加平行于磁场方向的外部偏置磁场时，铁氧体层(2)会发生铁磁共振效应，从传输信号的金属微带线(4)中吸收能量，导致所述的滤波器的工作性能发生改变；通过调节电磁铁上电流的大小以及N、S极之间的距离可以改变施加在滤波器上偏置磁场的强度，从而实现对不同的工作频率范围或者频点G赫兹数量级的粗调；在压电层(1)两个表面的金属薄膜上施加外部电压，通过两个金属薄膜之间的电容效应，压电层(1)上产生均匀的电场，通过所述电场，导致压电层(1)产生形变从而牵动铁氧体层(2)形变，即将其所产生的影响等效为对铁氧体层(2)施加一个磁场，那么改变外加电场的强度即可实现滤波器工作频率在兆赫兹数量级的精确调节；通过改变电压的正负方向，实现所述滤波器工作频率的左右偏移。

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