6G通信中的“自旋波”滤波器

现代无线通信系统无处不在，支撑着从智能手机、物联网设备、Wi-Fi到卫星通信和雷达等各类应用。为追求更高的数据速率、功率效率和频谱效率，下一代通信系统（包括5G的FR3频段7.125–24.25 GHz以及6G）正朝着更高的信道频率和更大的带宽发展。射频（RF）前端模块是每个收发系统的关键子系统，至少包含天线、带通滤波器、低噪声放大器或功率放大器、混频器和本地振荡器（LO）。提升RF前端中带通滤波器的性能，对于实现下一代通信系统所需的高频信道RF前端模块至关重要。滤波器需具备优异性能：低插入损耗以保持接收机信噪比和发射机功率效率；足够大的带宽（数百MHz）以支持高数据速率，同时有效抑制邻道干扰；还要有高功率处理能力、线性度、紧凑尺寸以及可量产的高 yield 制造工艺。

6 GHz以下，基于表面声波（SAW）和体声波（BAW）的微声滤波器主导市场，主要因其低损耗、微尺度尺寸和成熟制造工艺（年产数十亿颗，良率高）。将声波滤波器推向高频和大带宽是研究热点，近期已实现7–24 GHz滤波器。先进材料如薄膜铌酸锂、钪掺杂氮化铝结合新工艺和设计技术，实现了高频下的低损耗、宽带声波滤波器。

商用RF前端系统（如手机）需超百个声波滤波器覆盖所有收发频段。FR3及未来6G频段所需频率数量（及滤波器数量）预计会增加，导致系统成本和尺寸显著上升。因此需开发频率可重构滤波方案，使单个滤波器覆盖多个频段。可重构声波滤波器可基于铁电材料（如钛酸锶钡）、相变材料和变容二极管构建，但磁性材料谐振器提供了天然的频率可调替代方案。

自旋波（SW）存在于铁磁或亚铁磁薄膜（如YIG）中，是薄膜进动磁化强度的传播扰动。其色散高度非线性，可通过调节外部磁偏置来调谐。滤波器尺寸主要由波长决定：微声器件因群速度慢、波长比电磁波短，实现了显著小型化；而自旋波波长介于声波和电磁波之间，除固有可调性外，其另一大优势是器件小型化不受工作频率影响。与微声谐振器在高频下品质因数（Q值）和有效耦合系数（keff²）下降不同，自旋波谐振器的关键性能参数在高频下反而提升。这些特性加上可调RF器件的需求增长，推动了自旋波研究复兴。薄膜磁性材料微加工和封装技术的进步，减小了器件尺寸，实现了芯片和晶圆级制造，相比大型YIG球体或体YIG倒装芯片是重大进步。

5G FR3和未来6G频段的信道带宽预计为100–400 MHz，甚至可能超过1 GHz，因此带通滤波器需具备相应大带宽。但此前报道的自旋波和静磁波滤波器带宽不足、体积过大或杂散模式强，导致邻道无意干扰。本文提出一种紧凑的自旋波梯形滤波器，基于高优值自旋波谐振器，采用梯形滤波器架构（年量产数十亿个声波滤波器的成熟架构），但需两个谐振频率差异显著的谐振器。自旋波通常需两个独立均匀外磁场实现频率偏移，导致封装体积增大、路由损耗增加及成本复杂度上升。本研究基于深氩离子刻蚀微加工技术，实现了仅需单外部磁偏置的谐振频率偏移方法。所展示的三阶和五阶梯形滤波器，通过光刻定义带宽高达663 MHz，具有低损耗、强杂散抑制（18 GHz以下）、高线性度，中心频率可在7.08–21.6 GHz跨多倍频程调谐。滤波器采用优化制造工艺，在15×15 mm²芯片上实现高良率，易于扩展至晶圆级制造。仅需单外磁场，大幅减小了封装体积，同时提升性能；还可结合近期报道的微磁组件，实现小型化封装。作为应用演示，展示了具有良好抗邻道干扰能力的频率捷变正交幅度调制无线电接收机。

自旋波梯形滤波器的设计和工作原理可类比压电微机电系统（MEMS）声波滤波器。自旋波换能依赖横向RF磁场（而非压电MEMS的电场），其电响应可用串联电阻R0和具有阻抗Z0、物理长度P0的电感传输线建模，谐振则用并联谐振网络（Rm, Cm, Lm）串联换能器表示。远离谐振时，滤波器表现为电感分压器网络，带外抑制取决于谐振器级数和串并联传输线阻抗对比度。分布式自旋波谐振器模型在fp处呈现高阻抗谐振，fs处呈现低阻抗反谐振。为实现带通滤波，需将并联谐振器的fp与串联谐振器的fs大致对齐。本研究中的谐振器基于面外磁偏置的正向体自旋波，其色散是膜内有效磁场（HDCeff）、膜厚tYIG和依赖于膜几何的自旋波矢量kmn的函数。通过设计串并联谐振器尺寸差异，结合kmn和退磁因子Nz的差异，实现了单外磁偏置下超过600 MHz的带宽。

设计大带宽低损耗梯形滤波器还需谐振器在fp和fs处具有高Q值及足够高的keff²。液相外延生长的单晶YIG膜（晶格匹配于钆镓石榴石GGG衬底）因低非均匀展宽和低吉尔伯特阻尼（约10⁻⁴），在fp处具有高Q值。近期实验Q值包括11.6 GHz时1313、6.79 GHz时2206等。fs处Q值主要取决于传输线设计，采用低电阻率金换能器可最大化。传统制造技术限制YIG-on-GGG谐振器keff²<3%，而通过背面各向异性GGG湿法刻蚀工艺，将接地平面置于YIG膜下方（<20 μm）并通过GGG通孔环绕换能器，可将keff²实验值提升至18%。

本研究基于高耦合谐振器，设计了串并联自旋波谐振器：串联谐振器为1000×50×3 μm离子铣YIG台面，底部接地平面距YIG膜10 μm，3 μm电镀金换能器（宽度为YIG宽度的60%以抑制杂散模式）；并联谐振器为6个600×12×3 μm YIG鳍片阵列，窄鳍片减小退磁场、增大kmn，实现相同偏置下更高谐振频率，6个鳍片平衡低失谐阻抗（强带外抑制）和高Q值（低插入损耗）。滤波器带宽可通过光刻定义并联YIG谐振器宽度来调节，且因频率分离对外部磁偏置不敏感，调谐时绝对带宽近乎恒定。

实验结果表明，通过制造不同宽度（12、14、16、18 μm）的并联谐振器YIG鳍片，实现了光刻带宽适应性。三阶滤波器在373.4–904.2 mT外磁场下，中心频率调谐时插入损耗增加（因Q值频率依赖性），14 GHz以上3 dB带宽近乎恒定，低频频带因耦合不足导致纹波增大和带宽退化。宽YIG谐振器滤波器因换能器阻抗低、阻抗对比度高，带外抑制更优（18 GHz以下杂散通带被抑制）。五阶滤波器（三串两并）可提升抑制但增加插入损耗和带宽损失。线性度测试显示通带内输入参考三阶交调点≥11.0 dBm，输入功率达8 dBm时无功率相关性能变化或压缩。

制造工艺对实现谐振频率分离和高keff²至关重要。滤波器在3 μm厚YIG-on-GGG芯片（15×15×0.537 mm）上制造，采用改进的“发夹”YIG谐振器工艺，无需GGG通孔，简化流程、提高良率和一致性。优化了钛硬掩模厚度、湿法刻蚀时间及蜡键合减薄工艺，确保芯片平整度和厚度均匀性。

在拥挤频谱环境中，频率捷变无线电可通过动态调整工作频率感知并最小化带外干扰。自旋波梯形滤波器的宽频调谐性使其适用于此。将其集成在接收机天线与第一放大级之间，可通过衰减带外干扰提升信噪比（SNIR），且不牺牲调谐范围。演示中，构建了基于自旋波滤波器的频率捷变无线电，20 Mbps正交幅度调制（QAM）伪随机比特流经加性高斯白噪声（AWGN）信道传输，接收机中可调三阶自旋波滤波器滤波后解调为同相（I）和正交（Q）数据流。本地振荡器（LO）频率f0随时间变化，电磁铁同步调谐滤波器，解调眼图和IQ星座图显示良好性能。频率调谐速度主要受电磁铁电感限制，快速调谐磁偏置下可用于快跳频频率捷变无线电，增强SNIR。当存在带外干扰（距QAM信号300 MHz的调幅高斯噪声）时，自旋波滤波器提供足够衰减，保持高SNIR。

自旋波梯形滤波器因在FR3频段的优异性能，在频率捷变无线电及商用5G/6G系统中具巨大潜力。其小型化尺寸、固有可调性和大带宽，有望替代覆盖多离散频段所需的固定频率滤波器阵列。本研究三阶滤波器在1.566 mm²面积内实现7.08–21.6 GHz调谐、2.54–5.78 dB插入损耗、高达663 MHz光刻定义带宽，带外抑制3.64–13.84 dB（可通过高阶滤波器提升）。调谐范围可通过缩短谐振器或减小谐振器退磁对比度（降低带宽）进一步扩展。关键支撑技术是YIG微加工和深各向异性GGG刻蚀制造工艺，实现高良率和晶圆级均匀性控制。通过精确图案化YIG膜，组件自旋波谐振器仅需单外磁偏置，提升性能同时减小封装体积、复杂度和成本。微磁封装技术的最新进展为小型化、全集成可调自旋波滤波器提供了路线图，但仍需在紧凑可调磁偏置封装及插入损耗与抑制权衡方面进一步研究。