CN114583425A - 基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器 - Google Patents

基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器 Download PDF

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Abstract

一种基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器，属于微波磁性器件技术领域。所述带阻滤波器包括周期性波纹衬底、磁性薄膜层、导电金属层、微带线和接地板；其中，所述磁性薄膜层是通过薄膜沉积工艺形成于周期性波纹衬底之上。本发明提供的一种基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器，采用周期波纹薄膜作为磁性薄膜层，相较于单一共振的带阻滤波器，具有更大的带宽，从而可实现宽频段带阻滤波。

Description

基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器
技术领域
本发明属于微波磁性器件技术领域，具体涉及一种基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器。
背景技术
随着现代通信技术的不断发展，对高端通信和信号处理的需求正在不断增长。现代通信系统在运行时，总会存在一些杂散的频率。若不滤除，则会对通信系统中的微波信号的传输造成障碍。此外，手机和局域网开始使用更高的频率，为了将一个信道和另一个信道分开，也需要使用具有滤波功能的信号处理元件。因此，微波滤波器，在这些通信系统里被广泛应用。
基于铁磁共振原理，在传输微波信号的方向上施加外磁场，使铁磁或亚铁磁材料发生铁磁共振，可得到带阻滤波器。在铁磁共振频率处，微波能量将被吸收，从而实现带阻特性。带阻滤波器的中心频率fc由薄膜的铁磁共振频率fr决定，其依赖于饱和磁化强度Ms、磁各向异性场Ha和回旋磁比γ这几个材料参数以及外加磁场H的大小。铁磁共振频率随所加的磁场大小而变化，即为“可调”。利用电磁波在铁氧体，比如YIG中的传输特性，有助于实现低损耗的微波滤波器。但是，铁氧体由于饱和磁化强度相较于铁磁金属要低得多，所以其通常应用于外磁场较低的情形。金属铁磁材料，如NiFe和Fe，由于具有较高的饱和磁化强度，使得其在高频下磁导率的数值要高于铁氧体材料，所以可应用于较大的外磁场。但是，金属铁磁材料的涡流损耗较大，为了降低其涡流损耗，可将其制作为薄膜。薄膜不仅能降低涡流损耗，相较于块体也便于集成，这有利于器件的小型化。
带宽BW是带阻滤波器的一个重要的性能参数，其定义为滤波器达到规定的带外抑制所在的频带的宽度。带阻滤波器的带宽由磁性薄膜在外加磁场下的铁磁共振吸收的总线宽决定。对于只有单一共振吸收峰的磁性薄膜，其带宽由单一共振峰的铁磁共振线宽决定，其正比于有效阻尼因子α。α有很多来源，例如来源于本征Gilbert阻尼，双磁子散射导致的阻尼以及非均匀线展宽的阻尼贡献。而若磁性薄膜的铁磁共振谱具有多个共振吸收峰，则滤波器的带宽还需要考虑由于铁磁共振吸收峰的叠加效应产生的展宽。随着现代通信系统的电磁环境变得越来越复杂，系统实际应用的频段也各不相同，如何使滤波器能在宽的频段内实现带阻滤波功能是迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器。本发明可调宽频段带阻滤波器，磁性薄膜生长于周期性波纹衬底上，通过磁性薄膜的局部铁磁共振来实现宽频段带阻滤波。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器，如图1所示，包括周期性波纹衬底1、磁性薄膜层2、导电金属层3、微带线4和接地板5；其中，所述磁性薄膜层是通过薄膜沉积工艺形成于周期性波纹衬底1之上。
进一步的，所述导电金属层位于磁性薄膜层之上；所述微带线位于导电金属层之上，包括微波输入端口和微波输出端口；所述接地板位于周期性波纹衬底的背面，如图1(a)所示。
进一步的，所述导电金属层的上表面设置微带线，下表面设置接地板，带磁性薄膜层的周期性波纹衬底倒扣至导电金属层上，磁性薄膜层面对微带线一侧，如图1(b)所示。
进一步的，所述周期性波纹衬底的单个波纹的宽度8为10nm～1μm，单个波纹的高度9为100nm以下。
进一步的，所述周期性波纹衬底可以采用蓝宝石、硅衬底、砷化镓衬底等，采用光刻工艺、电子束光刻或者离子束溅射刻蚀等方法形成。
进一步的，当周期性波纹衬底为蓝宝石时，还可以采用1100～1400℃退火的方式得到。
进一步的，所述磁性薄膜层为YIG、NiFe或Fe薄膜等，采用蒸镀、溅射、分子束外延、液相外延等薄膜沉积工艺得到，厚度为1～300nm。
进一步的，所述导电金属层为铜、金等导电金属，厚度为1～2μm。
进一步的，所述接地板为铜、金等导电金属。
进一步的，在带阻滤波器上施加垂直于波纹方向的磁场，使得磁性薄膜层发生铁磁共振，以实现滤波器的宽带特性。
本发明基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器，利用周期性波纹磁性薄膜在垂直于波纹方向的外磁场作用下有效内场的不均匀产生的局部铁磁共振峰来获得大的铁磁共振频率线宽，从而实现宽频段带阻滤波，其原理如下：
周期性波纹磁性薄膜具有易轴方向沿着波纹方向的单轴磁各向异性。
磁各向异性的来源是由于波纹表面周期分布的磁荷间的偶极相互作用产生各向异性杂散场或退磁场，周期波纹表面的退磁场Hu可以表示为：
Figure BDA0003555815620000031
其中，Ms是饱和磁化强度，ωrms是表面均方根粗糙度，λ是单个波纹的宽度，t是磁性薄膜层厚度。对于沉积或生长在周期性波纹衬底上的磁性薄膜，其具有上下两个表面，所以Hu的理论值应在上式的基础上再乘以2。由Hu的表达式可知，单轴磁各向异性的量级依赖于波纹薄膜的形貌，即单个波纹的宽度、高度以及磁性薄膜的厚度。
当外加磁场沿着垂直于波纹的方向施加时，周期性波纹磁性薄膜具有一个不同于平面薄膜的铁磁共振响应特性，即铁磁共振谱的劈裂。劈裂现象受周期性波纹的形貌的影响，其是由波纹薄膜在施加外磁场时有效内场的空间变化导致的。图3为微磁仿真得到的一个周期性波纹磁性薄膜层在外加磁场H＝1300Oe时的有效场的空间分布；其中磁性薄膜厚度为50nm，对应的衬底的单个波纹的宽度为100nm，单个波纹的高度为25nm。可以看出波纹薄膜在不同区域的有效场是非均匀分布的，根据颜色深浅大致可以观察到两个薄膜区域，区域一标记为11，区域二标记为12。
波纹薄膜不同区域的有效内场不均匀使得薄膜产生了局部铁磁共振，而总的铁磁共振谱是波纹薄膜不同部分局部铁磁共振模式的叠加，如图4所示。其中，(a)为附图3中区域一的铁磁共振谱，(b)为附图3中区域二的铁磁共振谱，(c)为周期性波纹薄膜铁磁共振谱。由图4可知，周期性波纹薄膜铁磁共振谱为区域一和区域二铁磁共振谱的叠加。
由于波纹薄膜有效内场的不均匀，根据垂直于波纹方向的基特尔公式，其铁磁共振频率也不相同。这导致总的铁磁共振谱具有一个高频模式和一个低频模式。因此，可根据周期性波纹薄膜在外加磁场作用下的多个局部铁磁共振谱的叠加特性，实现宽带带阻滤波器。带阻滤波器的中心频率可以表示为
Figure BDA0003555815620000041
其中，fm+和fm-分别为局部铁磁共振模式最大的共振频率位置和最小的共振频率位置。每当两个局部铁磁共振模式叠加时，近似满足以下关系
Figure BDA0003555815620000042
因此，基于周期性波纹薄膜的非均匀内部有效场导致的局部铁磁共振模式叠加效应，可以设计可调宽带带阻滤波器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器，采用周期波纹薄膜作为磁性薄膜层，相较于单一共振的带阻滤波器，具有更大的带宽，从而可实现宽频段带阻滤波。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器的结构示意图；其中，(a)为一种实施方式的带阻滤波器的示意图，(b)为另一种实施方式的带阻滤波器的示意图；
图2为周期性波纹衬底和磁性薄膜层的结构示意图；
图3为微磁仿真得到的一个周期性波纹磁性薄膜层在外加磁场H＝1300Oe时的有效场的空间分布；其中磁性薄膜厚度为50nm，对应的衬底的单个波纹的宽度为100nm，单个波纹的高度为25nm；
图4为施加垂直于波纹方向的外磁场时，得到的周期性波纹磁性薄膜层的铁磁共振谱的局部铁磁共振模式叠加示意图；其中，(a)为附图3中区域一的铁磁共振谱，(b)为附图3中区域二的铁磁共振谱，(c)为周期性波纹薄膜铁磁共振谱；
图5为实施例1得到的周期性波纹磁性薄膜Ni80Fe20的归一化磁滞回线；
图6为不同大小的外加磁场下，实施例1得到的周期性波纹磁性薄膜Ni80Fe20的铁磁共振谱；
图7为不同大小的外加磁场下，对比例得到的平面Ni80Fe20薄膜的铁磁共振谱。
附图标记：
1为周期性波纹衬底，2为磁性薄膜层，3为导电金属层，4为微带线，5为接地板，6为垂直于波纹方向，7为平行于波纹方向，8为单个波纹的宽度，9为单个波纹的高度，10为磁性薄膜层的厚度，11为区域一，12为区域二。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
实施例1
一种基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器，包括周期性波纹蓝宝石、Ni80Fe20薄膜、Cu金属层、微带线和接地Cu板；所述Ni80Fe20薄膜形成于周期性波纹蓝宝石衬底之上，所述Cu金属层的上表面为微带线(包括微波输入端口和微波输出端口)、下表面为接地Cu板，带Ni80Fe20薄膜的周期性波纹蓝宝石衬底倒扣至Cu金属层上，Ni80Fe20薄膜面对微带线一侧。其中，所述周期性波纹蓝宝石衬底的单个波纹的宽度为140nm，单个波纹的高度为11nm；所述Ni80Fe20薄膜的厚度为50nm；所述Cu金属层的厚度为1μm。
一种基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、将m面蓝宝石衬底在1400℃的高温下退火4h，形成单个波纹的宽度为140nm、单个波纹的高度为11nm的周期性波纹蓝宝石衬底；
步骤2、采用直流磁控溅射法在周期性波纹蓝宝石衬底上制备得到厚度为50nm的Ni80Fe20薄膜；
步骤3、采用RF溅射在平面石英的上表面沉积厚度为1μm的Cu金属层，并在Cu金属层上制作50Ω的微带线，平面石英的下表面通过磁控溅射沉积铜作为接地板；
步骤4、将带Ni80Fe20薄膜的周期性波纹蓝宝石衬底倒扣至Cu金属层上，Ni80Fe20薄膜面对微带线一侧；在带阻滤波器上施加垂直于波纹方向的磁场，使得磁性薄膜层发生铁磁共振以实现滤波器的宽带特性。
图5为实施例1得到的周期性波纹磁性薄膜Ni80Fe20的归一化磁滞回线；由图5可知，沉积在周期性波纹蓝宝石衬底上Ni80Fe20薄膜具有明显的单轴磁各向异性，单轴磁各向异性场Hu的大小为203.32Oe。
对实施例1得到的沉积于周期性波纹蓝宝石衬底上的Ni80Fe20薄膜在垂直于波纹的方向上施加不同外磁场，使得Ni80Fe20薄膜发生铁磁共振，吸收微波能量。图6为不同大小的外加磁场下，实施例1得到的周期性波纹磁性薄膜Ni80Fe20的铁磁共振谱；由图6可知，沉积于周期性波纹蓝宝石衬底上的Ni80Fe20薄膜在外加磁场很大时，铁磁共振谱劈裂明显，多个共振峰的叠加效应使得其频率线宽要大于沉积在平面薄膜上的Ni80Fe20薄膜的频率线宽。即使是在低场，如H＝600Oe时，其频率线宽也比沉积在平面衬底上的Ni80Fe20薄膜的频率线宽大了约310％。因此，实施例1得到的沉积于周期性波纹蓝宝石衬底上的Ni80Fe20薄膜可实现宽频段带阻滤波。
实施例2
实施例2与实施例1相比，区别在于：将周期性波纹蓝宝石衬底的单个波纹的宽度调整为100nm，单个波纹的高度调整为16nm；制备过程步骤1中将m面蓝宝石衬底在1400℃的高温下退火8h，得到单个波纹的宽度为100nm、单个波纹的高度为16nm的周期性波纹蓝宝石衬底。其余与实施例1完全相同。
更短的单个波纹的宽度使得磁性薄膜具有更强的面内单轴磁各向异性，因此当外加磁场垂直于波纹的方向施加时，磁性薄膜的铁磁共振频率较实施例1中波纹薄膜的铁磁共振频率下降。在施加和实施例1相同大小的外加磁场下，发现当外加磁场沿着垂直于波纹的方向施加时，磁性薄膜的频率线宽进一步增大。如H＝600Oe时，实施例2磁性薄膜的频率线宽比实施例1中沉积在波纹衬底上的薄膜的频率线宽增大了167.5％。
对比例
对比例与实施例1相比，区别在于：采用的衬底为平面结构的蓝宝石衬底，磁性薄膜为形成于衬底之上的平面Ni80Fe20薄膜；其余与实施例1完全相同。
对比例沉积于平面蓝宝石衬底上的平面Ni80Fe20薄膜，Hu≈0Oe。
对沉积于平面蓝宝石衬底上的平面Ni80Fe20薄膜施加不同外磁场，使得Ni80Fe20薄膜发生铁磁共振，吸收微波能量。图7为不同大小的外加磁场下，对比例得到的平面Ni80Fe20薄膜的铁磁共振谱；由图7可知，对比例得到的沉积于平面蓝宝石衬底上的平面Ni80Fe20薄膜只有单一的共振峰，其铁磁共振频率线宽较窄，约从0.27GHz变化到0.35GHz，对应于窄的频带宽度。

Claims (10)

1.一种基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器，其特征在于，包括周期性波纹衬底(1)、磁性薄膜层(2)、导电金属层(3)、微带线(4)和接地板(5)；其中，所述磁性薄膜层是通过薄膜沉积工艺形成于周期性波纹衬底(1)之上。
2.根据权利要求1所述的基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器，其特征在于，所述导电金属层位于磁性薄膜层之上；所述微带线位于导电金属层之上，包括微波输入端口和微波输出端口；所述接地板位于周期性波纹衬底的背面。
3.根据权利要求1所述的基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器，其特征在于，所述导电金属层的上表面设置微带线，下表面设置接地板，带磁性薄膜层的周期性波纹衬底倒扣至导电金属层上，磁性薄膜层面对微带线一侧。
4.根据权利要求1所述的基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器，其特征在于，所述周期性波纹衬底的单个波纹的宽度为10nm～1μm，单个波纹的高度为100nm以下。
5.根据权利要求1所述的基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器，其特征在于，所述周期性波纹衬底为蓝宝石、硅衬底或砷化镓衬底，采用光刻工艺、电子束光刻或者离子束溅射刻蚀形成。
6.根据权利要求5所述的基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器，其特征在于，当周期性波纹衬底为蓝宝石时，采用1100～1400℃退火的方式得到。
7.根据权利要求1所述的基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器，其特征在于，所述磁性薄膜层为YIG、NiFe或Fe薄膜，采用蒸镀、溅射、分子束外延、液相外延得到，厚度为1～300nm。
8.根据权利要求1所述的基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器，其特征在于，所述导电金属层为铜、金，厚度为1～2μm。
9.根据权利要求1所述的基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器，其特征在于，所述接地板为铜、金。
10.根据权利要求1所述的基于周期波纹衬底上磁性薄膜的可调宽频段带阻滤波器，其特征在于，在所述带阻滤波器上施加垂直于波纹方向的磁场，使得磁性薄膜层发生铁磁共振，以实现滤波器的宽带特性。
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