YIG薄膜谐振器的研究进展

马 博

（电子科技大学，成都 611731）

1 引言

YIG（钇铁石榴石）调谐振荡器，简称为YTO，是一种能调谐工作频率的微波固态信号源。传统的YTO谐振电路部分大都是采用YIG小球来做为谐振子，但是YIG小球必须经过复杂的抛光过程，设计时需严格控制耦合回路、YIG小球和外部磁场三者的相对位置。这种谐振电路大部分是单端口的结构，所使用的晶体管电路必须仔细设计以获得合适的负阻抗，而且球状结构不易组装，对震动很敏感，虽然国内已有用于振荡器的YIG小球制备工艺，但耗时很长，成品率低，还不能够大规模量产。同时，使得制造传统YIG谐振器时耗时过长，组装难度也较大。由于YIG薄膜谐振器的具有易微波集成、小型化等特点，所以其更加适应现代军事电子系统装备，小型化、轻量化、便携化装备的发展趋势。特别是YIG薄膜谐振器具有的低相噪及连续线性可调、易平面集成等特点，使其更具有广泛的应用前景。

2 静磁波简介

MSW（静磁波）是在旋磁介质中传播的自旋波的长波部分。由于其可在高频（数GHz或数十GHz）范围内直接进行模拟信号处理，所以在通信、电子对抗和无线电引信等系统中有广泛的应用前景。静磁波是受磁力控制的慢色散电磁波，能在加偏置磁场的微波铁氧体材料（如钇铁石榴石YIG）中传播。

静磁波器件中应用了三种基本传输模式[1]，它们在薄膜平面上具有一定的传输方向。首先讨论静磁表面波（MSSW）模，其中偏置磁场H位于薄膜平面，并与波的传输方向垂直。第二种模称为静磁正（前）向体波（MSFVW）模，其中偏置磁场H与薄膜平面垂直。第三种模是静磁反向体波（MSBVW）模，在薄膜平面上偏置磁场方向和传播方向相同时，它才会存在。

3 YIG薄膜谐振器研究进展

1976年，Collins[2]等人提出了首个基于MSW的YIG薄膜谐振器，其静磁波的模式为MSSW。谐振器为单端口，使用了一根微带线换能器和周期性刻蚀YIG槽阵列，槽在9μm厚的YIG上刻蚀而成，谐振器调谐范围为2～4GHz，其无载Q值为550。

以上类型的谐振器结构中，使用了槽栅结构的复杂的反射表面，它可以创造所需要的谐振腔，但是从技术的角度上讲，这种栅型反射型器件制作时很复杂的，因此寻求其他方法来实现谐振效果尤其重要。

1984年，Huijer[3]等人提出了一种基于MSSW的二端口非栅型结构的YIG薄膜谐振器。在这种谐振器中，YIG膜的边缘是直接作为反射器的，所以称这种结构的谐振器为直边谐振器。它包含了一个铁磁性的谐振腔和微带线换能器，谐振腔置于微带换能器的中央。谐振腔由矩形钆镓石榴石（GGG）基片和生长在它上面的YIG薄膜组成，外部磁场的方向平行于膜平面。静磁波在YIG膜的表面传播，在边缘处向另一边反射。最终得到的谐振器调谐频率范围为3～9GHz，Q值900～4000，主谐振之外的假响应抑制大于15dB。

1996年，Alphones[4]等人提出了一种微带环形YIG谐振器结构。两段微带传输线被中间的圆环分隔开，微带线与圆环的距离决定了微带线与谐振器的耦合程度。当环形结构的周长时导波波长的整数倍的时候，系统发生谐振。

2000年，Marcelli[5]等人设计了一种带阻直边谐振器结构，该谐振器在频率为14GHz的时候，回波损耗接近-20dB，Q值范围在3000～4000。2006年，Cismaru[6]等人提出了一种CPW（共面波导）型的静磁波直边谐振器。在11GHz～16GHz的谐振频率范围内变化时，谐振器的插入损耗小于-25dB，插损的峰值小于-40dB，谐波抑制较好。

4 结束语

由于YTO具有高Q值、调谐频带宽、线性度好、频谱纯、噪声低等特点，它成为现代多种军事电子装备和微波仪器的核心部件，用途极为广泛。随着通信行业的迅速发展，平面化、小型化、易微波集成在现代军事电子系统领域的要求使得YIG薄膜谐振器有更好的前景。

[1] Pavel Kabos，V.S.Stalmachov.Magnetostatic waves and Their Applications[M].London：Chapman & Hall.1994.

[2] J.H.COLLINS，J.D.ADAM，Z.M.BARDAI.One-port magnetostatic wave resonator[J].PROCESS OF THE IEEE.1977，65（7）：1090-1092.

[3] E Huijer，W Ishak.MSSW resonators with straight edge reflectors[J].IEEE Transactions on Magnetics，1984，20（5）：1232-1234.

[4] A Alphones，M Thanigasalem.Magnetically tunable microstrip ring resonator with YIG film[J].Microwave & Optical Technology Letters，1996，12（1）：34-36.

[5] R.Marcelli.A magnetostatic wave oscillator for data relay satellite[J].IEEE Transactions on Magnetics，2000，36（5）：3488-3490.

[6] A Cismaru，R Marcelli.CPW Cascaded Magnetostatic Wave Band Stop Resonators[C].Magnetics Conference，2006.