一种新型磁电双可调谐振腔

赵贺锋

摘要：本文设计了一款基于YIG（铁氧体）为基底的SIW（基片集成波导）磁电双可调谐振腔，通过铁氧体基底和可变电容分别实现磁调谐和电调谐，仿真结果表明，加入磁调谐后，较单一的电调，谐振腔的调谐范围扩展了75%，加入电调后，较单一的磁调，谐振腔的调谐范围扩展了130%。通过磁电两种调谐方式扩展了单一一种调谐方式的调谐范围，与现有文献[7]相比，调谐方式简单，不需要两种方式相互辅助同时调谐，且生产工艺更为简单。

关键词：一种新型磁电双;可调谐振腔

1、前言

当今无线通信技术飞速發展以及频谱资源的紧张，推进了作为射频前端承载着频率选择和抑制的重要功能的微波滤波器的飞速发展。与传统的滤波器组相比，可调滤波器不仅可以减少射频前端的体积和成本，还可以减少因大量的开关和功率分配带来的插入损耗，是未来微波滤波器发展的主流[1]。现有的可调滤波器，大多数以电可调为主，这类滤波器调谐速度快、体积小便于集成但品质因数不高，调谐范围小。而磁可调滤波器调谐范围大，品质因数高，但体积较大，调谐速度慢[2]。磁电双可调滤波器综合二者的优点，具备巨大的发展前景。

早期学者们利用磁电复合材料来实现磁电双调谐，比如YIG/PZT[3]、YIG/PMN-PT[4]、Zn2Y/PMN-PT[5]等，这种方式设计的滤波器均为微带结构，体积小便于集成，但仅能实现频率的调节，且调谐范围过于依赖材料自身的特性，限制了其应用。利用SIW混合结构的磁电双可调滤波器则具有更好的灵活性。但研究者较少，结构较为复杂。张巧利[6]将铁氧体加载在SIW的两谐振腔之间利用磁场来控制带宽的调谐，通过变容二极管来实现频率的调谐。这种设计频率调谐范围仍限制在单一的电调节。Wu[7]将铁氧体加载在SIW的两侧，将变容二极管加载在谐振腔的中心位置，通过磁场和可变电容的同时调试实现频率和带宽的调节，但调谐方式较为复杂，进行磁调谐或者电调谐时，必须用另外一种调谐方式进行辅助调谐，否则插入损耗会恶化。除此之外，混合结构的磁电双可调滤波器中的铁氧体均是嵌入到SIW的缝隙中，生产工艺较为复杂，成本较高。

综合复合材料和混合结构两类形式的磁电双可调滤波器，从而避免混合结构生产工艺复杂，成本较高的问题，同时又具备该类型滤波器的灵活性。本文直接以铁氧体材料作为SIW的介质基底，设计了一款新型的磁电双可调谐振腔。通过外加偏置磁场实现磁调谐，在SIW电场较强的位置嵌入变容二极管，通过改变变容二极管电容的大小，对谐振腔的电场产生扰动，实现电调谐。磁调和电调相互补充扩大了调谐范围，同时调谐方式更为简单。

2、设计原理

2.1电调谐原理

电调谐通过变容二极管实现，如图1所示，在SIW谐振腔的中心位置即电场最强的位置，开一个金属柱，在金属柱的位置开一个回型空隙，通过二极管连接金属柱和SIW的表面，图2，是HFSS仿真中采用电容贴片代替变容二极管。SIW的谐振腔相当与一个LC振荡电路，变容二极管的接入相当与在LC电路中串联一个等效电容Cp，改变电容的大小，SIW的谐振频率就会发生相应的偏移。

2.2磁可调原理

铁氧体的有效磁导率随着外加偏置磁场的改变而改变，谐振腔的谐振频率随之改变。

从图3中看出，在0.27T出现尖锐的峰值，此强度的磁场下，铁氧体会发生铁磁共振效应，此时的损耗达到最大，在峰值的左侧为低场区，在低场区，随着磁场的加大，有效磁导率呈减小趋势，越接近0.27T损耗越大;在峰值的右侧为高场区，高场区的有效磁导率仍随着磁场的增大逐渐减小，越接近0.27T损耗越大，越远离0.27T，铁磁共振效应会逐渐减弱，损耗也逐渐减小，但产生较强的磁场会增加系统的功耗。发生铁磁共振效应时，损耗最大，所以滤波器的工作频率要远离该频率，在设计滤波器时，要根据需要保持在低场区或者高场区工作。

3、滤波器仿真结果分析

文采用HFSS 15.0进行建模和仿真，如图4，SIW基底采用铁氧体材料，饱和磁化强度为1780Gauss，相对介电常数为10.2，线宽为10Oe，滤波器的具体参数如表1所示：

电容保持0pF施加0-0.07T的水平磁场进行调谐时，仿真结果如图5所示：

随着磁场的增加频率从10GHz偏移到10.6GHz，带宽基本保持不变，插入损耗在0.5dB左右，调谐了600MHz。

当外加磁场保持0T，改变电容大小进行电调谐，电容从0pF增加到0.4pF，S21仿真曲线如图所示，与理论相符，频率从10GHz减少到9.2GHz，实现了800MHz的调谐，在调谐过程中，带宽略有减小，主要原因可能随着电容的增大，对SIW谐振腔的扰动变大，谐振点接近低次谐振波。

由仿真结果可以看出，磁电双调谐可实现谐振腔1400MHz范围的调谐，相较于单一的磁调谐和单一的电调谐，调谐频率分别扩展了130%和75%。

4、结论

本文设计了一款磁电双可调谐振腔，既具备传统磁电双可调谐振腔调谐范围大的优点，文中相较于单一的磁或者电调谐，中心频率调谐范围扩展了130%和75%，同时该谐振腔以铁氧体为SIW的基底，又避免了传统SIW磁调谐铁氧体嵌入工艺复杂的问题。

参考文献

[1]黄晓栋. 电可调谐滤波器的研究与设计[D].南京：南京航空航天大学，2017.

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[6]張巧利， 王秉中. 一种频率带宽可调的电磁二维可重构滤波器：中国，201810681149.9[p].2018.11.13.

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