CN106450599A - 一种集成薄膜型窄带带阻滤波器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁性材料与元器件领域，涉及高频微波电磁器件，高频磁性薄膜，尤其涉及一种集成薄膜型窄带带阻滤波器及其设计方法。本发明将磁性薄膜与共面波导集成，通过在薄膜平面不同方向施加角磁场，形成非单一频点窄带带阻滤波器，克服了多个谐振腔的复杂设计，结构简单，缩小了器件体积。能够在超高频(SHF,3‑30GHz)，极高频(EHF,30‑300GHz)范围内对干扰信号进行衰减，而不影响有信号，满足了非单一频带内对噪声谐波进行抑制的需求。并且可以结合薄膜技术和微电子光刻工艺，实现滤波器的制作，工艺简单，容易实现。
Description
技术领域
本发明属于磁性材料与元器件领域，涉及高频微波电磁器件，高频磁性薄膜，尤其涉及一种集成薄膜型窄带带阻滤波器及其设计方法。
背景技术
随着大功率电子器件的出现，电子器件工作频率的提高以及电子产品集成度的增加，电磁干扰，电磁噪声问题也日益突出，各类高频滤波器也应运而生。
而由于电子设备电磁环境的复杂性，往往在多个频率带内都存在高频干扰谐波，为了抑制其对有用信号的干扰，需要一种能够在多个频带内，抑制通信带内某些频率范围内的干扰信号的滤波器。申请号为200910243284.6的中国专利公开了一种N个谐振腔组通过重叠排列来获得多频带带阻滤波器响应的拓扑结构，但其器件设计复杂。
另外，由于电子技术的高频化，小型化发展，滤波器也随之趋于小型化，片式化，集成化发展，出现了将传输线与磁性薄膜集成的噪声抑制器，例如基于微带线和共面波导传输线(Coplanar Waveguide,CPW)的噪声抑制器。这类滤波器的衰减机制主要是由于磁性薄膜的铁磁共振损耗，涡流损耗和多层器件结构的L-C谐振损耗。在高频电磁场中，当电磁信号沿着传输线传播，经过噪声抑制器时，有用信号可以顺利传输，高频噪声信号谐波会以某一频率为中心，在一定的频带内大大衰减，从而起到滤波的作用。但其抑制频段单一，并不能满足复杂的高频电磁环境。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决普通噪声抑制器抑制频段单一和谐振腔重叠排列式多频带带阻滤波器器件设计复杂的技术问题，本发明设计了一种集成薄膜型窄带带阻滤波器。
该集成薄膜型窄带带阻滤波器，对高频噪声谐波的衰减作用示意图如图1所示。
其模型结构截面示意图如图2所示，从下至上依次包括介质基片、共面波导传输线、绝缘层和磁性薄膜。还包括一个施加在磁性薄平面内的偏置磁场。
所述介质基片为高阻Si基片(R>2000Ω·cm)。
所述偏置磁场大于1250Oe，与薄膜长度方向即X方向夹角为α。
所述磁性薄膜层尺寸小于绝缘层尺寸，以保证磁性薄膜与共面波导传输线完全绝缘。
进一步的，所述集成薄膜型窄带带阻滤波器，α＝0°时，为双频点；α≠0°时，为多频点。
进一步的，所述共面波导传输线为高电导率金属材料Cu，绝缘层为聚苯酰胺或者SiO2；磁性薄膜为软磁性能优异的铁磁材料，如FeCo合金薄膜或CoNbZr合金薄膜。
其设计方法具体包括以下步骤：
步骤1：在HFSS三维电磁仿真软件新建设计工程。
步骤2：选择求解类型。
步骤3：建立三维模型结构，并给各层材料分配材料参数。
步骤:4：指定模型外部边界条件，设置波端口和激励源，沿薄膜平面施加的偏置磁场，所述磁场与X方向夹角为α。
步骤5：设置求解频率。
步骤6：运行仿真和计算，包括创建初始网络和最终仿真得到双端口S参数。
步骤7：优化确定滤波器最终各项参数。
本发明通过绝缘层的隔离，在介质基片上集成共面波导和软磁薄膜。最后沿薄膜平面内添加一角磁场，能够在12GHz频率以上范围，形成非单一频点的窄带带阻滤波器。本发明克服了多个谐振腔的复杂设计，结构简单，缩小了器件体积。能够在超高频(SHF,3-30GHz)，甚至极高频(EHF,30-300GHz)范围内对干扰信号进行衰减，而不影响有用信号，满足了非单一频带内对噪声谐波进行抑制的需求。并且可以结合薄膜技术和微电子光刻工艺，实现滤波器的制作，工艺简单，容易实现。
目前有三种理论可以解释薄膜对噪声信号的衰减机制，分别如下：
其一，铁磁共振损耗。当微波磁场的频率与铁磁性物质的磁化强度进动频率相同时，微波磁场中的能量被铁磁性物质最大程度吸收，并通过阻尼作用将能量损耗。铁磁共振效应的微观机理是量子的跃迁。在外加磁场的作用下，薄膜内部磁矩重新排列，趋向于外加磁场的方向。特别地，对于非晶磁性薄膜，在外磁场的作用下，各向异性更加明显，薄膜内局部磁化强度进动频率也不相同。所以当具有一定频带范围的微波信号通过时，铁磁共振现象会在某个频点或者多个频点发生，在铁磁共振频率一定频率范围进行能量的吸收与损耗，实现对该频段的高频电磁噪声的衰减。
其二，涡流损耗。铁磁性薄膜在高频交变磁场条件下产生感生电流。磁场频率大，涡流也越强。也就是说，在高频电磁场中，涡流损耗是不可避免的。并且这种信号的衰减发生在整个频率范围内，因此工作信号和噪声信号都会受到影响，应当适当增大薄膜的电阻率，避免涡流损耗的产生。
其三，L-C谐振损耗。从图2本发明设计的集成薄膜型窄带带阻滤波器的截面结构示意图可以看到，从上往下依次是，磁性薄膜/绝缘层/共面波导/介质基片的多层结构。磁性薄膜是分布电感的主要来源，多层结构是分布电容的主要来源，另一部分分布电容由信号传输线与地线以及磁性薄膜与地线产生。可以通过改变绝缘层的厚度，和磁性薄膜的厚度改变共振频率。
综上所述，本发明设计简单，频段不单一，工艺简单。
附图说明
图1为本发明设计的滤波器对噪声信号的衰减作用示意图；
图2为本发明设计的滤波器的截面结构示意图；
图3为本发明设计的特征阻抗为50Ω的共面波导传输线；
图4为在图3的共面波导上集成软磁薄膜形成的滤波器仿真模型；
图5为在图4模型中H＝4400Oe，α＝0°时的S参数仿真结果；
图6为在图4模型中H＝4400Oe，α＝30°时的S参数仿真结果；
图7为在图4模型中H＝4400Oe，α＝45°时的S参数仿真结果；
图8为在图4模型中H＝4400Oe，α＝60°时的S参数仿真结果；
图9为在图4模型中H＝4400Oe，α＝90°时的S参数仿真结果；
附图标记：1-高阻单晶Si基片，2-共面波导传输线，3-绝缘层，4-磁性薄膜。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
新建HFSS工程，建立共面波导模型，如图3所示。通过仿真优化，确定了共面波导参数，使其特征阻抗为50Ω，满足阻抗匹配条件。其中，基片为单晶Si基片(相对介电常数εr＝11.9)，厚度500um；共面波导层的金属材料为长4000um，厚2um的Cu，中间信号线宽度W＝100um，两边接地线宽度G＝500um，信号线与接地线之间的间隙为55um。
在设计好的共面波导传输线上通过SiO2层绝缘，集成CoNbZr合金薄膜。其模型结构如图4所示，截面示意图如图2所示。所述SiO2层长3610um，宽642um，厚0.2um；为了保证在工艺实现时能够充分绝缘，磁性薄膜的尺寸不超出绝缘层，因此CoNbZr合金薄膜层的尺寸确定为长3600um，宽632um，厚2um。设置磁性薄膜材料参数，ΔH＝150Oe，相对磁导率μ＝200，电导率σ＝169500S/m，4πMs＝10000Gauss。
然后分配波端口激励源，沿薄膜平面施加偏置磁场。在本实施例中，H＝4400Oe，与X方向夹角为α。设置求解频率18GHZ，在2～40GHz范围内进行扫频，运行仿真。
由图5至图9中仿真双端口S参数结果可以看到，本发明的器件结构有非常好的软磁薄膜共面波导模拟结果。上面的实线是S21，下面虚线是S11。S21是端口2匹配时，从端口1传到端口2的微波损耗情况曲线。
可以看到当α＝0°时，S21曲线只有中心频率分别为12.7GHz，35.1GHz的两个尖峰，即可以形成双阻带带阻滤波器。
在0°<α≦90°时，S21曲线在24.1GHz处出现了一个低尖峰，且衰减峰比较窄，表明在2-40GHz内本发明设计的集成共面波导器件可以形成一个三频点窄带带阻滤波器。在S21曲线尖峰左右小区间展开峰，可以得到滤波器的-3dB带宽。在不同角的偏置磁场下，窄带带阻滤波器的插入损耗均小于0.7dB。
对于三频点窄带带阻滤波器，随着α从30°到90°变化，低端阻带中心频率从15.9GHz逐渐向高频方向移动到22GHz。虽然其带宽很宽，但阻带内抑制比较小，在中心频率处，衰减为2.7dB左右，滤波效果不明显。中端阻带和高端阻带中心频率并不随α的变化而变化，分别稳定在24.1GHz和35.1GHZ，带宽分别为200MHz和300MHz。
图6可知，外加30°角磁场的中端阻带最大抑制为11.6dB，高端阻带最大抑制为15.4dB；图7可知，外加45°角磁场的中端阻带最大抑制为6.65dB，高端阻带最大抑制为15.9dB；图8可知，外加60°角磁场的中端阻带最大抑制为11.0dB，高端阻带最大抑制为15.6dB；图9可知，外加90°角磁场的中端阻带最大抑制6.4dB，高端阻带最大抑制为11.35dB。
综上，可以在薄膜平面内施加大小为4400Oe，与长度方向成30°角的磁场，获得的三频点窄带带阻滤波器滤波效果最好。低端阻带范围13.9GHz-17.5GHz，中心频率15.9GHz，阻带抑制2.58dB；中端阻带范围23.8GHz-24.4GHz，中心频率24.1GHz，阻带抑制11.6dB；高端阻带范34.5GHz-36.0GHz，中心频率35.2GHz，阻带抑制15.4dB。
综上所述，可得，通过集成共面波导和软磁薄膜，并在薄膜平面内施加一角磁场，可以形成非单一频点窄带带阻滤波器，其阻带的抑制特性、阻带之间通带的传输特性都非常好，符合滤波器设计要求。
Claims (6)
1.一种集成薄膜型窄带带阻滤波器，从下至上依次包括介质基片、共面波导传输线、绝缘层和磁性薄膜，其特征在于：
还包括一个施加在磁性薄平面内的偏置磁场，偏置磁场大于1250Oe，与薄膜长度方向即X方向夹角为α；
介质基片为高阻Si基片，R>2000Ω·cm；
所述磁性薄膜为软磁性能优异的铁磁材料，其尺寸不超过绝缘层尺寸，以保证磁性薄膜与共面波导传输线完全绝缘。
2.如权利要求1所述集成薄膜型窄带带阻滤波器，其特征在于：所述α＝0°时，为双频点；α≠0°时，为多频点。
3.如权利要求1所述集成薄膜型窄带带阻滤波器，其特征在于：所述共面波导传输线为高电导率金属材料Cu。
4.如权利要求1所述集成薄膜型窄带带阻滤波器，其特征在于：所述绝缘层为聚苯酰胺或SiO2。
5.如权利要求1所述集成薄膜型窄带带阻滤波器，其特征在于：所述磁性薄膜为FeCo合金薄膜或CoNbZr合金薄膜。
6.如权利要求1所述集成薄膜型窄带带阻滤波器，其设计方法具体包括以下步骤：
步骤1、在HFSS三维电磁仿真软件新建设计工程；
步骤2、选择求解类型；
步骤3、建立三维模型结构，并给各层材料分配材料参数；
步骤4、指定模型外部边界条件，设置波端口和激励源，沿薄膜平面施加偏置磁场，磁场与X方向夹角为α，偏置磁场大于1250Oe；
步骤5、设置求解频率；
步骤6、运行仿真和计算，包括创建初始网络和最终仿真得到双端口S参数；
步骤7、优化确定滤波器最终各项参数。
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