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为微波滤波器应用重塑钇铁石榴石(YIG)技术

Bill Linstrom, Jackson Barnard and Jane Rogan, VIDA Products

在S波段和C波段实现认知无线电的关键是一种可调谐的滤波器技术，同时提供出色的隔离度、低功耗和小尺寸。有四种常见的射频滤波器技术：电感/电容电路、谐振腔、声学器件和YIG调谐滤波器。在比较性能、成本、尺寸和功率时，每种技术都有优势和劣势。由于谐振腔和声学滤波器是在一个固定的频段上工作，不能调谐，所以本文只考虑变容器(可调谐电容)和YIG调谐滤波器。在一些应用中，滤波器组合被用来调整无线电的频段和带宽。然而，它们并不像可调谐滤波器那样灵活，而且通常会增加电路板的面积、整体开发时间和成本。¹ 可调谐滤波器为认知无线电系统提供了灵活性，当它们满足系统对性能和尺寸的要求时，是比较可取的。

滤波器的性能主要由谐振电路的Q因子决定，它将决定通带和带外信号的抑制。这些参数反过来会影响系统的底噪声、灵敏度和对干扰的敏感性。一个更高Q值的电路将使底噪声更低，产生更高的灵敏度和更窄的通带，提高隔离度。

变容二极管调谐滤波器利用了变容二极管的偏压和电容之间的关系。不幸的是，随着频率的增加，变容二极管的Q值会下降，从而降低滤波器的性能。为了理解，请看LC电路的谐振频率：

谐振频率f_r与电容C成反比。要达到更高的谐振，C必须减少。然而，LC电路的Q因子由以下公式给出：

这表明，随着C的减少，Q也会减少。这证实了随着频率的增加，变容二极管调谐滤波器的性能必然会下降。变容二极管调谐滤波器一般在2GHz以下表现良好。在2GHz以上，滤波器的带宽会随着频率的增加而明显增加(图1)。

YIG技术

随着变容器调谐滤波器的性能在2GHz以上逐渐下降，使用新一代YIG谐振器的可调谐滤波器变得很有意义。YIG是一种铁氧体材料，在磁场中能在微波频率下产生共振。历史上，YIG一直被用来提供性能最好的振荡器和滤波器，但要付出代价：传统的YIG调谐器和滤波器体积大、功耗大、价格高。基于YIG的器件的理论和构造是其原因。

当一个稳定的磁场，即直流H场，施加在一个方向上，如垂直的Z方向，并从一个正交的方向，如X或Y，施加一个随射频变化的磁场时，YIG谐振器就会工作。在滤波器中，谐振频率是滤波器的中心频率，它由直流H场的强度决定。

YIG谐振器使用抛光的YIG球体来利用球形对称性，因为YIG对整个表面的磁势变化很敏感。为了尽量减少对磁场变化的敏感性的影响，每个YIG球体通常被放置在一个隔离室中(图2)。这使得每个球体可以在不影响其他球体的情况下进行调节；然而，这种隔离使产生H场的电磁铁的结构更加复杂。

磁力是通过磁介质，即铁氧体材料来耦合的。从概念上讲，这就像通过电线在电介质中传导的功率。推广一下这个比喻，当磁场遇到“磁阻”时，磁力就会耗散，就像电流遇到电阻时，电功率就会耗散一样。YIG滤波器的几何结构要求将一个YIG球体插入环形电磁铁的间隙中(图3)。环形电磁铁中气隙的宽度与电磁电路的磁阻直接相关。气隙越宽，磁阻就越大，电路中的磁损耗就越大，产生H场所需的功率就越大。

如前所述，传统的YIG器件体积大、耗电量大，这是结构几何形状导致的。工作频率、各自占据自己腔室的YIG球体的数量、气隙的大小以及将YIG调至所需频率所需的电磁铁的大小导致了传统YIG结构的大尺寸和功耗。对于1GHz范围内的频率，电磁铁可以相对较小。将YIG调到2GHz需要两倍的磁场强度和两倍的电磁铁匝数，磁场强度和随之而来的电磁铁尺寸随着工作频率的增加而增加。另外，器件的复杂组装不适合大规模生产，增加了成本。

解决短处

为了解决传统YIG器件的缺点，VIDA公司开发了新一代YIG调谐滤波器。其目标是保持YIG的高Q值，同时将尺寸和功耗降低10倍，并大大降低制造成本。降低功耗将使YIG技术可以采用电池供电。

减少并最终消除气隙是减少YIG谐振器的尺寸和功率要求的关键。该方法涉及球体到球体的耦合技术和采用单一的谐振腔。完成这两点的专利技术促使VIDA开发了"下一代"YIG滤波器。该结构将三个YIG谐振器置于一个谐振腔中(图4)。射频输入和输出是微线环形耦合，而内部耦合是球对球。

将这种新的YIG技术与变容器调谐滤波器的性能相比较，后者在S和C波段提供15到40分贝的隔离，而前者则达到70分贝以上。³ 对于4GHz的中心频率，变容器调谐滤波器的带宽在120到400MHz之间，从3%到10%，随频率增加而增加(图1)。由于带宽不随频率变化而保持恒定，系统在更高的频率下更容易受到噪声和干扰的影响。⁴

表征

评估滤波器性能的一个方法是测量通带、失谐隔离和Q因子与频率的关系。图5显示了使用是德科技E5071C网络分析仪进行的三项测量。保持通带带宽恒定在大约40MHz，Q因子随着频率的增加而增加，从2.23GHz的59到3.3GHz的75和4.4GHz的111。在6GHz时，Q值达到160，证实了基于YIG的结构的性能优于其他可调谐滤波器技术。这种Q值随频率增加的特性在图6中可以清楚地看到，该图绘制了测量的Q因子与频率的关系，并加上了温度的影响，从-40℃到+85℃。数据显示，Q因子对于温度是稳定的。

图7显示了40MHz滤波器带宽与频率的敏感性的其他温度特性。通带带宽在不同温度和频率下是稳定的。图8显示了中心频率与预定频率的偏移量以及中心频率和温度的关系。目标是0MHz的偏移，这在图中的大部分时间都能实现，尽管偏移量随着温度的升高而增加。

下一代YIG调谐滤波器的表面贴装演示器已被开发出来，以便于客户评估(图9)。表1概述了其性能。

表1 可调谐YIG滤波器演示器的性能

小结

对增加带宽的持续需求没有减缓的迹象，对更小、更低功率和更高性能的滤波器的需求也没有减缓，特别是在S和C波段。下一代YIG技术有可能满足这一需求，并且已经准备好投入生产。VIDA正在与早期采用者合作，为他们的项目开发定制结构。

这种新的YIG调谐滤波器技术实现了YIG谐振器长期以来被认可的性能，而没有其大尺寸、高功耗和高成本的缺点。通过将YIG球体集成到一个谐振腔中，并减少磁体的复杂性、尺寸和功率，这种新的结构与传统的YIG结构相比，可以实现尺寸和功耗减少10倍。VIDA的技术路线图设想从今天的YIG球体发展到纳米薄膜技术，可以使尺寸和功率再减少10倍。

参考文献

1. Analog Devices, Inc. “Three Digitally-Controlled Tunable Filters for VHF to 18 GHz Applications,” Microwave Journal, Vol. 64, No. 1, January 2021, pp. 92-96, Web: www.microwavejournal.com/articles/35248-three-digitally-controlled-tunable-filters-for-vhf-to-18-ghz-applications.
2. “Q Factor,” Wikipedia, Wikimedia Foundation, October 2021, Web: https://en.wikipedia.org/wiki/Q_factor.
3. “3.45 GHz to 6.25 GHz, Tunable Band-Pass Filter,” Analog Devices, September 2018, Web: www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/HMC892ALP5E.pdf.
4. Al-Yasir, I.A. Yasir, et al. “A Varactor-Based Very Compact Tunable Filter with Wide Tuning Range for 4G and Sub-6 GHz 5G Communications,” Sensors, Vol. 20, No. 16: 4538, August 2020, pp. 12, Web: doi.org/10.3390/s20164538.
5. “Superhet Radio RF Amplifier & Tuning,” Electronics Notes, Web: www.electronics-notes.com/articles/radio/superheterodyne-receiver/superhet-rf-amplifier-tuning.php.

图1 使用变容器的可调谐滤波器的响应，显示出随着中心频率的增加，通带变宽。

图2 传统的YIG滤波器配置，三个YIG谐振器配置成的三极带通滤波器俯视图。

图3 环形电磁铁，围绕YIG球体，产生直流H场。

图4 三个YIG谐振器被安置在一个谐振腔中。

图5 在2.2(a)、3.3(b)和4.4(c)GHz的可调谐YIG滤波器响应，保持通带在大约40MHz。

图6 测量的Q因子与中心频率和温度的关系。

图7 可调谐滤波器带宽与中心频率和温度的关系。

图8 中心频率调谐偏移与中心频率和温度的关系。

图9 表面贴装可调谐YIG滤波器演示器。