CN103700913A - 非对称功能可选错位平行耦合磁电可调微波滤波器及方法 - Google Patents

非对称功能可选错位平行耦合磁电可调微波滤波器及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了非对称功能可选错位平行耦合磁电可调微波滤波器及方法。它包括一个压电相，二个铁磁相薄膜，二个GGG基底，二条金属微带线；GGG基底分别通过压电相与另外一个GGG基底相连，GGG基底的部分生长有铁磁相薄膜，部分印刷有金属微带线，金属微带线与铁磁相薄膜相接触，两个GGG基底平行交错相对布置，2条金属微带线分别位于压电相的两侧；压电相2的上下两个表面分别镀有金属薄膜；2条金属微带线具有4个端口，其中一侧的一个端口为输入端口，另外一侧的2个端口为输出端口。本发明不仅具有了工作频段的可控性及小型化，在非对称的结构中加入了多端口的设计，引入了带通和带阻的可选择性，提高了滤波器的多功能性和实用性。

Description

非对称功能可选错位平行耦合磁电可调微波滤波器及方法
技术领域
本发明涉及一种兼具带阻和带通两种性能的小型化磁电可调微波滤波器，特别涉及了一种非对称功能可选错位平行耦合磁电可调微波滤波器及方法。
背景技术
利用低辐射损耗铁氧体的旋磁性可以实现外加磁场大范围调节铁氧体的铁磁共振频率，制备磁场可调的微波器件。但产生磁场需要线圈或者永久磁铁，将导致器件体积大、速度慢、调节精度低。由压电材料和低辐射损耗铁氧体复合而成的磁电层合材料制备可调微波器件，既保留了铁氧体器件在外磁场下具有调节范围大的特点，还能够通过在压电材料表面施加电场，由逆压电效应导致压电材料发生形变，形变通过层合结构捆绑效应传递到铁氧体层导致铁氧体的铁磁共振频率点漂移。因此，将磁电层合材料应用于微波器件，可以实现微波器件的磁场、电场双重调节，并且具有低功耗，低噪音，高品质因子等特点。这类器件既既可与传统磁可调微波器件一样通过外加磁场实现高品质因子和GHz范围的频带调节，也可以通过外加电场，实现MHz范围内高精度和快速的频带调节。由于磁电微波器件的磁场、电场可调谐特性，使其相关研究日益成为移动通信系统和国防平台下的有源相控阵雷达以及电子战系统等领域所关注的热点。但传统的磁电可调微波滤波器往往仅仅是双端口，并具有单一的带阻或者带通可调特性，当滤波器设计定型，滤波性能也固定了，利用率较小，功能性不灵活。
发明内容
本发明的目的是继承磁电可调微波器件工作频段可调谐的优点，同时克服现有磁电可调微波器件滤波性能单一等缺陷，提供一种非对称功能可选错位平行耦合磁电可调微波滤波器及方法。 
非对称功能可选错位平行耦合磁电可调微波滤波器，它包括一个压电相，二个铁磁相薄膜，二个GGG基底，二条金属微带线；
 GGG基底分别通过压电相与另外一个GGG基底相连， 
 所述的GGG基底的部分生长有铁磁相薄膜，部分印刷有金属微带线，所述的金属微带线与铁磁相薄膜相接触，
 所述的两个GGG基底平行交错相对布置，所述的二条金属微带线分别位于压电相的两侧；
 所述的压电相的上下两个表面分别镀有金属薄膜；
 所述的二条金属微带线具有四个端口，其中一侧的一个端口为输入端口，另外一侧的二个端口为输出端口。
 所述的压电相通过环氧树脂胶与生长在GGG基底上的铁磁相薄膜粘合；
    所述的铁磁相薄膜为生长在GGG基底上的钇铁石榴石YIG薄膜，压电相为锆钛酸铅PZT。
 所述的金属薄膜为银薄膜，通过所述的金属薄膜施加外部电压。
所述的微波滤波器的功能选择和磁电调节方法，向所述的非对称型磁电可调微波滤波器中的二个铁磁相薄膜会在外加偏置磁场的作用下产生铁磁共振现象，若用同一条微带线上的两个端口分别作为输入端和输出端，频段的能量会通过端口所在的金属微带线被铁磁相薄膜吸收，因而滤波器呈现带阻特性；若用不同微带线上的两个端口分别作为输入端和输出端，频段的能量则会通过输入端所在的金属微带线被所连接的一个铁磁相薄膜吸收，并通过压电相传递到另一个铁磁相薄膜，与输出端所在的金属微带线产生耦合输出此频段信号，因此滤波器呈现带通性能；当选定输入端口和输出端口后，滤波器性能固定，通过调节外加偏置磁场的强度，即可实现对此滤波性能所在的工作频段或者工作频点的粗略调节；通过压电相上下表面的金属薄膜施加外部电压，两个金属薄膜之间会因电容效应产生均匀的电场，会导致压电相产生形变，从而牵动铁磁相薄膜形变，故将对滤波器施加电场所产生的影响等效为对铁磁相薄膜施加了一个磁场，那么控制外加电场的强度即可实现对滤波器工作频段的精确调节，而且改变外加电压的正负方向，还可以实现滤波器工作频段的左右偏移。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
 在结构设计中，集带阻和带通两种滤波性能于一体，并引入了多端口，选取不同的端口可使滤波器产生不同滤波性能；且设计中铁磁相薄膜YIG所生长的GGG基底作为滤波器的基底，简化了结构。在材料的选择中，本发明使用的压电相PZT材料和铁磁相薄膜YIG因具有高介电常数和高磁导率的优点更有利于滤波器的小型化。通过控制外加偏置磁场的强度，对微波滤波器工作频段进行粗略调节；通过控制在压电相上下两个表面金属薄膜上的外部电压对滤波器工作频段进行精确调节。选择不同端口时产生的不同的滤波性能之间的工作独立，且各性能下在磁场调节和电场调节时的工作也独立，不会相互干扰。本发明不仅克服了传统微波器件不可调的缺点，具有了磁电可调微波滤波器在磁场和电场调谐下工作频段的可控性及小型化的优点，并克服了传统上滤波性能单一的缺点，提高了滤波器的多功能性、实用性和灵活性，具有较大的实际应用意义。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
 图1是非对称功能可选错位平行耦合磁电可调微波滤波器结构图；
 图2是非对称型功能可选性空间错位平行耦合磁电可调微波滤波器剖视图；
 图3是非对称功能可选错位平行耦合磁电可调微波滤波器带阻性能下的磁场可调性能图；
 图4是非对称功能可选错位平行耦合磁电可调微波滤波器带阻性能下的电场可调性能图；
 图5是非对称功能可选错位平行耦合磁电可调微波滤波器带通性能下的磁场可调性能图；
 图6是非对称功能可选错位平行耦合磁电可调微波滤波器带通性能下的电场可调性能图；
 图中，金属薄膜1，压电相2，铁磁相薄膜3，GGG基底4，金属微带线5。
具体实施方式
如图1、2所示，一种非对称功能可选错位平行耦合磁电可调微波滤波器剖视图，它包括1个压电相2，2个铁磁相薄膜3，2个GGG基底4，2条金属微带线5；GGG基底4分别通过压电相2与另外一个GGG基底4相连， 所述的GGG基底4的部分生长有铁磁相薄膜3，部分印刷有金属微带线5，所述的金属微带线5与铁磁相薄膜3相接触，所述的两个GGG基底4平行交错相对布置，所述的2条金属微带线5分别位于压电相2的两侧；所述的压电相2的上下两个表面分别镀有金属薄膜1；所述的2条金属微带线5具有4个端口，其中一侧的一个端口为输入端口，另外一侧的2个端口为输出端口。
 所述的压电相2通过环氧树脂胶与生长在GGG基底4上的铁磁相薄膜3粘合；
   所述的铁磁相薄膜3为生长在GGG基底4上的钇铁石榴石YIG薄膜，压电相2为锆钛酸铅PZT。
所述的金属薄膜1为银薄膜，通过所述的金属薄膜1施加外部电压。
 一种非对称型功能可选性空间交错耦合磁电可调微波滤波器的功能选择和磁电调节方法，向所述的非对称型磁电可调微波滤波器中的2个铁磁相薄膜3会在外加偏置磁场的作用下产生铁磁共振现象，若用同一条微带线上的两个端口分别作为输入端和输出端，某一频段的能量会通过端口所在的金属微带线5被铁磁相薄膜3吸收，因而滤波器呈现带阻特性；若用不同微带线上的两个端口分别作为输入端和输出端，某一频段的能量则会通过输入端所在的金属微带线5被所连接的1个铁磁相薄膜3吸收，并通过压电相2传递到另1个铁磁相薄膜3，与输出端所在的金属微带线5产生耦合输出此频段信号，因此滤波器呈现带通性能。当选定输入端口和输出端口后，滤波器性能固定，通过调节外加偏置磁场的强度，即可实现对此滤波性能所在的工作频段或者工作频点的粗略调节；通过压电相2上下表面的金属薄膜1施加外部电压，两个金属薄膜1之间会因电容效应产生均匀的电场，会导致压电相2产生形变，从而牵动铁磁相薄膜3形变，故将对滤波器施加电场所产生的影响等效为对铁磁相薄膜3施加了一个磁场，那么控制外加电场的强度即可实现对滤波器工作频段的精确调节，而且改变外加电压的正负方向，还可以实现滤波器工作频段的左右偏移。
实施例
  非对称型功能可选交错耦合磁电可调微波滤波器如图1、2所示，其中尺寸为1.0mm×7.0mm×0.1mm的YIG薄膜生长在尺寸为3.5mm×9.5mm×0.5mm的GGG基底上，PZT的尺寸为1.0mm×7.0mm×0.1mm，PZT的上下表面分别镀有0.005mm厚银薄膜并与YIG薄膜之间通过环氧树脂粘合。GGG基底同时也用作微波滤波器的基底，在基底上面紧挨着YIG薄膜的一侧印刷微带线用作信号传输线。
  非对称型功能可选交错耦合磁电可调微波滤波器工作时，微波信号从图1中的端口1输入。
  若用与端口1在同一条微带线上的端口2为输出端口时，改变所施加的外加磁场的大小，滤波器的工作性能及变化如图3所示：选取端口2输出信号，滤波器呈现-5dB带宽约为100MHz~120MHz的带阻性能，且其插入损耗最大可达-20dB ~-25dB；随着外加磁场强度的增加，带阻性能曲线向右漂移，每100Oe外加磁场的改变会导致工作频段漂移近220MHz，实现了对滤波器带阻工作频段的粗调。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，因此改变外加电场的大小，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，如图4所示：保持1555Oe磁场大小不变的情况下，改变外加电场的强度和方向，滤波器呈现-5dB带宽约为112MHz的带阻性能，且其插入损耗最大可达到-22dB左右；外加电场的强度和方向改变，滤波器的带阻工作频段在施加1555Oe磁场时对应的频段附近产生了漂移，每5kV/cm电场的改变使工作频段偏移了20MHz，实现了对滤波器带阻工作频段的精调。
  若用与端口1在不同微带线上的端口3为输出端口时，随着外加磁场的变化，滤波器的工作性能及变化如图5所示：信号从端口3输出，滤波器呈现-5dB带宽约为425MHz~485MHz的超宽带带通性能；外加磁场强度增加，带通性能曲线向右漂移，每100Oe磁场的改变引起工作频段移动约220MHz,实现对具有带通性能滤波器工作频段的粗调；改变外加电场的强度和方向，滤波器的带通性能曲线同样产生了漂移，如图6所示：保持外加磁场1555Oe大小不变的情况下，改变外加电场的强度和方向，滤波器呈现-5dB带宽约为500MHz左右的带通性能；外加电场的强度和方向改变，滤波器的带阻工作频段在施加1555Oe磁场时对应的频段附近产生了漂移，每5kV/cm电场的改变调节工作频段偏移30MHz，实现了对滤波器带通工作频段的精调。

Claims (5)

1.一种非对称功能可选错位平行耦合磁电可调微波滤波器，其特征在于，它包括一个压电相，二个铁磁相薄膜，二个GGG基底，二条金属微带线；
GGG基底分别通过压电相与另外一个GGG基底相连， 
所述的GGG基底的部分生长有铁磁相薄膜，部分印刷有金属微带线，所述的金属微带线与铁磁相薄膜相接触，
所述的两个GGG基底平行交错相对布置，所述的二条金属微带线分别位于压电相的两侧；
所述的压电相的上下两个表面分别镀有金属薄膜；
所述的二条金属微带线具有四个端口，其中一侧的一个端口为输入端口，另外一侧的二个端口为输出端口。
2.根据权利要求1所述的微波滤波器，其特征在于，所述的压电相通过环氧树脂胶与生长在GGG基底上的铁磁相薄膜粘合。
3.根据权利要求1所述的微波滤波器，其特征在于，所述的铁磁相薄膜为生长在GGG基底上的钇铁石榴石YIG薄膜，压电相为锆钛酸铅PZT。
4.根据权利要求1所述的微波滤波器，其特征在于，所述的金属薄膜为银薄膜，通过所述的金属薄膜施加外部电压。
5.一种根据权利要求1所述的微波滤波器的功能选择和磁电调节方法，其特征在于，向所述的非对称型磁电可调微波滤波器中的2个铁磁相薄膜会在外加偏置磁场的作用下产生铁磁共振现象，若用同一条微带线上的两个端口分别作为输入端和输出端，铁磁共振频段的能量会通过端口所在的金属微带线被铁磁相薄膜吸收，因而滤波器呈现带阻特性；若用不同微带线上的两个端口分别作为输入端和输出端，铁磁共振频段的能量则会通过输入端所在的金属微带线被所连接的1个铁磁相薄膜吸收，并通过压电相传递到另1个铁磁相薄膜，与输出端所在的金属微带线产生耦合输出此频段信号，因此滤波器呈现带通性能；当选定输入端口和输出端口后，滤波器性能固定，通过调节外加偏置磁场的强度，即可实现对此滤波性能所在的工作频段或者工作频点的粗略调节；通过压电相上下表面的金属薄膜施加外部电压，两个金属薄膜之间会因电容效应产生均匀的电场，会导致压电相产生形变，从而牵动铁磁相薄膜形变，故将对滤波器施加电场所产生的影响等效为对铁磁相薄膜施加了一个磁场，那么控制外加电场的强度即可实现对滤波器工作频段的精确调节，而且改变外加电压的正负方向，还可以实现滤波器工作频段的左右偏移。
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