基于YIG薄膜的宽带可调谐高负载Q值谐振器设计与高阶杂模抑制研究

针对宽带可调谐微波器件中负载品质因数(QL)与杂散模抑制的平衡难题，研究人员通过液相外延(LPE)技术制备低线宽(1.8 Oe)钇铁石榴石(YIG)薄膜，创新性采用共面波导(CPW)与开环谐振环(SRR)复合结构，实现了5-25 GHz范围内QL>700、FOM达17.21的优异性能，为超宽带可调谐器件提供了新解决方案。

　　

在微波通信与雷达系统飞速发展的今天，高性能可调谐滤波器与振荡器的需求日益迫切。传统介质谐振器虽具有万级无载品质因数(Q₀)，却无法实现频率调谐；而基于变容二极管的传输线谐振器虽可调频，但其有限的调谐范围(10-1000)与急剧下降的Q₀值难以满足超宽带应用需求。这一矛盾在5G毫米波、电子战等前沿领域尤为突出。更棘手的是，现有钇铁石榴石(YIG)薄膜谐振器普遍存在高阶磁静波模式激发的杂散响应，导致滤波器出现寄生通带、振荡器产生多频振荡等问题。

针对这些技术瓶颈，由国际科技合作项目和国家自然科学基金资助的研究团队，在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表了一项突破性研究。该团队创新性地将液相外延(LPE)生长的低缺陷YIG薄膜与共面波导(CPW)-开环谐振环(SRR)复合结构相结合，成功开发出兼具宽带调谐、高Q_L值和优异杂模抑制能力的新型谐振器。

关键技术方法包括：(1)采用LPE技术在(111)取向GGG衬底上外延生长YIG薄膜，通过化学机械抛光减薄至100 μm；(2)设计CPW-SRR复合结构，CPW激发磁共振的同时增强微波场均匀性；(3)利用SRR优化磁场分布抑制高阶模式；(4)通过霍尔传感器实时校准电磁场系统，确保测试精度。

YIG晶圆制备
研究团队通过LPE技术在高纯GGG衬底上生长YIG薄膜，采用Y₂O₃-Fe₂O₃-PbO-B₂O₃熔体体系，在980°C下实现晶格稳定的外延生长。XRD测试显示(444)晶面半高宽仅17.9 arcsec，铁磁共振线宽低至1.8 Oe，证实材料具有优异的晶体质量。

原理与器件构型
谐振器采用三明治结构：氧化铝陶瓷基板正面制作50Ω CPW，背面集成SRR，YIG薄膜精确对位SRR中心。当垂直磁场作用时，CPW激发的微波磁场与YIG薄膜耦合，SRR则通过产生涡流磁场补偿边缘场不均匀性。电磁仿真显示该结构使磁场不均匀度降低62%。

制备与测试
实验采用环氧树脂精准键合YIG薄膜与SRR，在5-25 GHz范围内测试显示：S₁₁参数优于-5.2 dB，Q_L值稳定在700以上，14 GHz时品质因数(FOM)达峰值17.21。频谱分析证实高阶杂模抑制效果显著，杂散响应幅度降低15 dB以上。

这项研究通过材料制备与结构设计的协同创新，解决了宽带可调谐谐振器中Q_L值与杂模抑制的矛盾。Xinan Fan等研究者发展的CPW-SRR复合结构不仅实现了超宽带(5-25 GHz)调谐，更通过SRR的磁场匀化作用有效抑制了高阶磁静波模式，为新一代微波系统提供了关键器件基础。特别值得注意的是，该器件在保持3×4 mm紧凑尺寸的同时，其综合性能指标已超越同类报道，在电子对抗、卫星通信等领域具有重要应用前景。研究团队在文中特别指出，该技术路线可进一步拓展至太赫兹频段，为6G通信器件开发提供新思路。