1前言
数字机普遍使用USB和IEEE  1394作有线接口，利用2.0GHz的下一代移动电话（IMT-2000），利用2.45GHz的Bluetooth天线LAN，利用5.8GHz的高速公路自动收费电子系统（ETC）和智能运输管理系统（ITS）等，这些利用数百MHz~数GHz的无线频率（RF）信息通信机，随着高度信息化社会的发展正寻求增长的途径。这引起机器中的高频电路不仅要使用半导体器件，还要用很多的无源器件。仅就使用磁性体的器件而言，有隔离器和环行器，一部分静磁波器件，使用YIG单晶的器件，与SAW器件和介质等压电、介质器件比，目前磁性器件的用量绝不能算多。就是高频电路中必不可少的电感器，多数也采用空心电感器。
在利用微波以上频率的高频电路中，往往将运用分布参数电路多种功能的传输线器件作各种滤波器、阻抗变换器等，以代替电感器和电容器集中参数器件。在这些场合，除了例外地用一部分Ni-Zn铁氧体和YIG等磁性氧化物基片之外，几乎都用非磁性介质构成，GSM移动电话的RF组件中用集成铝微带线，ETC终端机用的微波单片集成电路（MMIC）中采用了集成聚酰亚胺微带线。
然而，最近对使用金属磁膜的GHz频段磁性器件的开发日益活跃。例如，MMIC用电感器，正尝试给空心螺旋线电感器加上金属磁膜，以缩小电感器尺寸。在原有的MMIC中，集成有多个空心螺旋线电感器，它所占面积超过了IC芯片面积的一半，成了降低芯片成本的瓶颈。采用磁膜，既可以抑制电感器的漏磁通，又可望抑制相邻布线和器件之间的串忧。
在以数百MHz~数GHz频段为目标的无源器件中采用金属磁膜，有前述的集中参数型金属磁膜电感器，还有高频传输线器件，将金属磁膜应用到从未涉及的超高频段，这着实扩大了应用的视野。
本文就使用金属磁膜的RF集成传输线器件问题谈谈各个研究机构的开发情况，介绍几个开发实例，同时谈谈今后的发展方向。
2电介质传输线器件
2.1传输线器件的基本结构
以微带线和共面线为代表，在很多场合都用电介质和金属导体构成传输线器件，结构简单，并作为谐振器、各种滤波器、阻抗变换器等多功能器件用到高频电路上。图1是微带线路的基本结构。它是利用导线和接地导体间的电场和导线电流产生的磁场H形成的电磁场传输。多用作终端短路/开路短线谐振器（取图中的ZL=0或ZL=∝）和阻抗变换器的λ/4线路，以线长1调到1/4电磁场波长λ使用。
2.2集成电介质传输线器件的问题
能否把传输线器件同其他器件集成为一体，取决于传输线的尺寸。
图1中示出了传输线路电介质厚度与线宽的关系，现以这个微带线路为例进行研究。在传输线路中，特性阻抗ZC是一个重要参数。假设微带线路无损耗，并设W>>d，将带线端部的电磁场边缘效应忽略不计，把线路中的电磁场看作TEM模，则ZC大致可用(1)式求得。
 (1)
式中，Z0——电介质的电磁场本征阻抗，在使用介电常数为εS的非磁性电介质时，
 (2)
Z0是由传输线用材料决定的一个常数，故这里把它看作一个定数。在d/w一定的条件下，若减小介质厚度d和线宽w，就可使特性阻抗恒定。以这个条件为基础，若引进d小的电介质薄膜，就可以缩小线路导体的宽度w；采用薄膜工艺，对使传输线器件集成化大有好处。即电介质的薄膜，必须与线宽的缩小有关，故可以说，传输线在本质上适宜集成。
不过，被用作谐振器、滤波器和阻抗变换器的λ/4线路，必须要把线路长度调到信号波长λ的1/4才能使用，故在线宽w之上信号波长λ就成了决定器件尺寸大小的重要参数。对于微带线线路，线路在频率f中的信号波长λ大致可写作(3)式。
 (3)
频率为f的电磁场向自由空间传输的波长λ0为
 (4)
取两者之比，就变成(5)式
 (5)
于是把(5)式叫做波长缩短率。
在现实中，这并不是那么简单。不过，在谈论占有尺寸能够集成的问题时，这还不是本质问题。现举一个实际例子来说明。例如，用介电常数为9左右的铝电介质（Al2O3）的微带线构成2GHz  λ/4线路。在这种场合2GHz中的信号波长约50mm，因是用作λ/4线路，故需要大约12.5mm这样极长的线路长度。实际上，并不是把这12.5mm长的微带线作为一条直线来使用，一般都是把导线做成折线等形态，以求缩小总的尺寸。
如上所述，在把传输线器件集成到射频电路上时，缩短信号波长λ就成了一个需要探讨的重要课题。为了解决这个问题，曾研究过引入碳酸锶（STO）和钛酸锶与钛酸钡混合晶体（BST）等高介电常数材料，但并不合适作RF集成传输线器件。
2.3集成电介质传输线器件的实例
ETC收发机母片（master slice）型三维MMIC用无源元件，曾探索过聚酰亚胺薄膜微带线路（TFMS）。图2是三维MMIC构造的剖面图，它是在GaAs-IC上布有多条线、电容器和TEMS，组成无源电路。此外，作为GSM式移动电话的RF功率放大器模块，在占绝大多数的混合集成电路（HIC）型SF模块中，都是用多层氧化铝基片，在上面形成微带线路，用作部分信号处理器件。
3使用磁性体的传输线器件概况
3.1用磁性氧化物的传输线路
用磁性体作传输线路的尝试很早，开发过用Ni-Zn铁氧体和YIG等磁性氧化物基片的微带线路和谐振器等。但是，这些氧化物存在以下几个重要缺陷，因而未能得到广泛的应用。
(1)普遍的温度特性很差
(2)饱和磁化强度和磁晶各向异性均很低，铁磁共振频率（FMR）也低，可用于GHz频段的YIG器件，需要施加1kOe以上的直流偏磁场。
最近，X.Zuo等人开始试用磁晶各向异性大的Zn2Y六角晶系铁氧体单晶基片，拟制成数十GHz的器件。不过本文的主题是以传输线器件的集成化为目标，不否认用单晶磁性氧化物有不利的一面。如果生长这些优质磁性氧化物薄膜的技术实用化，其影响尚无法估计。即使是如此，也存在着温度特性问题，最后还有一个提高居里温度的问题必须解决。
3.2金属磁膜/电介质膜混合传输线路
与试用磁性氧化物作传输线路的情况相反，将金属磁膜应用到传输线路上的研发工作却十分活跃。和磁性氧化物相比，磁性金属膜在温度特性和饱和磁化强度方面有明显的优势，薄膜制造技术也取得了明显的进展，适合器件的集成。除了电感器之外，目前的高频无源器件中电介质器件占了绝大多数。然而，引入金属磁膜，不仅会增大波长缩短效果，器件易小型化，还可指望提高器件的功能。
下面，集中介绍有关用金属磁膜传输线路的国内外开发动向。
4用单晶Fe膜的微波器件
用金属磁膜作微波器件的尝试从1980年代后半期开始，主要来自美国的报导。他们大部分都用极薄的单晶Fe膜构成器件。由于是想应用Fe的FMR现象来完成谐振器、带阻滤波器、移相器等，在原理上和后面将叙述应用波长缩短效应的器件不同。这里，介绍几个将单晶Fe膜用于微波器件的例子。
4.1 Schloemann等人的研究
1988年，美国Raytheon公司Schloemann等人报告，在GaAs基片上外延生长单晶Fe膜，构成了半导体/磁性体混合集成微波器件。他们采用了比分子束外延（MBE）设备成本低、成膜速度快的离子束溅射（IBS）工艺，证明在（100）GaAs基片上容易外延生长出结晶方向相同的Fe膜，研究了Fe/GaAs基片混合集成微波器件的可能性。
图3是Schloemann等人报告的Fe/GaAs基片混合集成微带线路的模型。Fe膜外延生长在(100)GaAs基片上，并在Fe膜上形成Al或Au带线导体。在GaAs基片里面，作有Cr-Au接地导体。Fe外延膜和上部导体一起，采用蚀刻工艺一并加工成带状线。在带线的长度方向与(100)GaAs基片的[010]轴一致。图中的H代表外部施加的直流偏磁场，如后所述，改变H的强弱，可调谐Fe膜的FMR频率，做成可调器件。
(100)Fe膜在(100)面内有[001]轴和[010]轴两根易磁化轴，具有双轴磁晶各向异性。图中，假设所有Fe膜的磁矩都取向于带线的长度方向[010]轴，则带线电流产生的高频磁场与磁矩相互垂直，这时的FMR频率fr可表达为(6)式。
 (6)
式中，γ——旋磁比，g——兰德因子；Ha——各向异性场（A/m）；Is——饱和磁化强度（T）；H——直流偏磁场。
若Fe膜所有的磁矩都取向于与带线垂直方向的[001]轴，由导体电流产生的高频磁场就与磁矩同向，故不会引起铁磁共振。
由单晶Fe膜的磁晶各向异性常数K1~48kJ/m3和饱和磁化强度IS~2.15T，求得各向异性场Ha。
 (7)
因过渡族金属Fe膜的g~2，故外加直流偏场H为零时，单晶铁（Fe）膜的FMR频率fr=9.85GHz。
Schloemann等人提出，单晶Fe膜的磁矩取向于带线长度方向时，利用与其垂直时有无铁磁共振吸收制作非易失固体磁存储器。用直流偏磁场进行数据的写入/擦除，用微波输入读出。他们在报告中虽然只不过论及了用Fe/GaAs基片混合集成微带线路作固态磁存储器的可行性，但以LLG和麦克斯韦方程为基础计算微带线路传输特性的结果证明，用这种传输线路制作可调带阻滤波器是可行的。其后，他们仍在继续进行研究。图4给出了他们计算的结果，系求得每单位线长的信号衰减量与频率的关系，得到用铁磁共振吸收的带阻滤波器特性。从中看出，只用数百Oe外加偏磁场H，就能大幅改变阻带中心频率。
在YIG器件中，为了以数GHz工作，需施加1kOe直流偏磁场，反之，用Fe/GaAs基片微带线器件时只用数百Oe偏磁场，就能够实现10GHz可调器件。以此为契机，其后加快了单晶Fe膜在微波器件中的应用研究。
4.2 Tsai等人的研究
加利福尼亚大学C.S.Tsai等人试制了和Schloemann等人器件相同的Fe/GaAs基片微带线路，检验了微波带阻滤波器的性能。图5是研究在0~2.9kOe内改变直流偏磁场时信号衰减量与频率关系的结果。从图中看出，外加2.9kOe直流偏磁场时，阻带中心频率达到25GHz。
在Tsai等人的报告中，有关器件的详细参数未全部给出，故难以和Schloemnn等人的论文进行比较，不过，他们之间有一个共同点——阻带中的信号衰减量都比较小。根据Tsai等人给出的数据，在阻带中心频率中得到5dB衰减量，Schloemann等人得到的约9dB/cm。为了把Fe/GaAs基片混合集成微带线器件用到实际带阻滤波器中，还必须大幅提高阻带中的信号衰减量。
4.3 Camley等人的研究
最近，科罗拉多大学的Camley小组全力投入了Fe/GaAs传输线器件的研究，并取得了切实的进展。
4.3.1 Fe/GaAs/Fe夹层结构传输线路
和原来的Fe/GaAs基片结构不同，Camley等人设计出具有Fe/GaAs/Fe夹层结构的传输线路，并计算出了FMR频率附近的信号衰减量。图6绘出他们计算的结果。图中的D是用作电介质的GaAs厚度，这里为100μm。d系Fe膜的厚度，取0.0125μm、0.05μm和0.1μm三种不同厚度进行计算。若Fe膜厚，阻带中心频率的信号衰减量变大，可阻带扩宽。认为这是受了涡流的影响。这些设计结果与Schloemann和Tsai所绘数据的最大差别，是阻带中心频率的信号衰减量。比较Fe/GaAs/Fe与Fe/GaAs，前者得到的信号衰减量比后者的大，所以产生的共振吸收比Fe/GaAs大。
图7示出取Fe/GaAs/Fe夹层膜中的Fe膜厚恒定为0.05μm，在改变用作电介质的GaAs厚度时计算出的最大信号衰减量（相当于阻带中心频率的信号衰减量）。从中看到，在GaAs厚度减小时，信号衰减量急剧增大，厚数十μm的衰减量达到100dB/cm以上。这种现象形成的原因可归结为，随着电介质厚度减少，在电磁场能量中，由FMR吸收的磁场能量分量相对会大一些。根据这些研究结果，Camley等设想Fe/GaAs叠层人工格，若采用薄的GaAs和Fe膜周期叠层结构，阻带就会极窄，有可能做成信号衰减量极大的带阻滤波器。此外，它和YIG器件一样，也可以利用FMR制作谐振器，用Fe/GaAs叠层人工格结构，还可望得到高Q谐振器。
4.3.2  Fe/SiO2系微带线路的制作
采用Fe/GaAs叠层人工格结构，要制成运用传输线路的器件并非易事。之后，Camley等人着手试制传输线器件。不过，实际制作的器件与人工格器件大小相同，而是象图8那样的Fe/SiO2系微带线路，Fe和SiO2都只有一层。它是用(100)GaAs作基片，在上面外延生长(100)Fe膜。器件的构成方式如下：在(100)GaAs基片上生成接地导体——0.6μm厚(100)Ag膜，在Ag膜上外延生长0.2μm厚(100)Fe膜。为防止在SiO2相接的界面上Fe膜氧化，再形成一层5nm厚Ag膜，用作势垒金属。用金属掩模，在上面连续生成4μm厚SiO2膜和带线导体2μm厚Ag膜，形成有规定宽度和长度的微带线路。
图9是测量Fe/GaAs系微带线路的传输系数S21与频率的关系，对通带观测到10dB左右衰减阻带。通带的插损大，是因特性阻抗不匹配之故，按单位长度换算，阻带中心频率的信号衰减量为50dB/cm。与用厚GaAs基片时的衰减量在10dB/cm以下相比，用薄的SiO2衰减量明显提高，和图7给出的结果定性地吻合。
图10示出试制Fe/SiO2系微带线路阻带中心频率（图中写作隐波频率，●表示实测值。）与偏置磁场的关系。图中的点虚线是用(6)式计算的结果。为作比较，图中还绘出了用多晶Fe膜（短虚线）和YIG的计算值（实线）。在多晶Fe膜的场合，磁晶各向异性在空间被均化，磁各向异性消失，以(6)式中的Ha为零计算。因此，外加偏置磁场H时，无磁晶各向异性场Ha，其FMR频率比单晶Fe膜的低。用YIG时的阻带频率更低。加1kOe偏场才不过5GHz左右。
4.3.3其他
关于Fe/SiO2系微带线路的其他特征，他们研究了直流偏磁场与线路信号相位的关系，探讨了用作可调移相器的可行性。
5利用金属磁膜波长缩短效应的传输线器件
5.1利用波长缩短效应型器件概述
运用GaAs半导体化合物和外延Fe膜的FMR型微波器件，往往是以代替难于高频化的YIG器件为动力。这些提示，有可能将RF传输线路集成到GaAs-IC上；用金属磁膜的RF集成传输线路可说是刚开了个头。然而，金属磁膜/电介混合集成传输线路，除了利用FMR吸收之外，还积极利用磁膜的磁导率和电介质膜的介电常数。显著增强波长缩短效应，可使λ/4线路等传输线器件大幅度小型化。目前，电介质器件占了通信用器件的大半部分，进而引进金属磁膜，不仅可使器件小型化，还可望提高器件的功能。
用金属磁膜缩短信号波长，就是积极利用磁导率，器件的工作频率限于比FMR频率低的地方。因此，开发FMR频率高的磁膜材料就成了一项重要任务。再者，引进金属磁膜会附加涡流损耗，共振损耗等损耗，要实现低损耗器件，就必须降低这些损耗。
仅笔者所知，在金属磁膜/电介质膜叠层型传输线路中，对利用FMR以外现象的尝试有大阪大学研究小组，信州大学佐滕敏郎小组，Delft工业大学一个研究组。日本国内对金属磁膜/电介质膜叠层传输线路的研究，以薄膜电感器、变压器为开端的微磁器件为主要目标。这些研究已开展了数年，十分活跃。现举几例。
5.2山中智和等人的研究
如图11所示，山中智和等人在电介质中插入一块金属磁膜，构成微带线路，采用分布参数电路法进行了多种分析，证明用磁膜会显著缩短波长。图12显示在介电常数为4，总厚2μm的电介质中插入1μm厚金属磁膜时，计算出在1GHz λ/4的长度。金属磁膜的相对磁导率μr=1000时，在1GHz λ/4=2.5mm。他们还报告，将线路损耗减至最小的最佳磁膜厚度。
5.3佐藤敏郎等人的研究
佐藤小组从数年前开始研究金属磁膜/电介质膜叠层型传输线路，以假设线路内部的电磁场为TEM模为前提，做了多种分析。和山中智和等人的结果一样，报告金属磁膜/电介质混合叠层有明显的波长缩短效果。他们试制出具有和图11相同结构的CoZrNb非晶合金磁膜/聚酰亚胺膜混合集成微带线路（长20mm），在鉴定了该线路的信号传输特性的同时，考虑到LLG方程，用三维高频电磁场分析模拟线路的性能。
图13给出试制CoZrNb/聚酰亚胺混合微带线路的模型与实物照片，这是在聚酰亚胺(1μm)/CoZrNb(1μm)/聚酰亚胺(1μm)夹层结构的上下部位配置Al带线导体和Al接地板构成的。
图14是用试制器件作终端短路短截线路测得的输入阻抗特性曲线（等效串联电感LS和与等效串联电阻RS分开）。从图中看到，等效电感值为零时，取等效电阻为极大值的最初频率是240MHz，相当于线路长(20mm)调为λ/4的频率。因此，对于自由空间，信号波长约1/6，对于只用聚酰亚胺的微带线，波长约缩短为1/8。图中的○标记是用三维有限元（3D-FEM）进行高频电磁场分析的计算值，与实测值十分吻合。
图15绘出了试制器件的传输系数S21——频率特性曲线。线路长20mm的器件，其λ/4调谐频率约240MHz，这时的S21值为-2dB左右。另外，以CoZrNb磁膜的FMR频率1GHz附近为界，呈现出插损急剧增大的低通滤波器特性，这说明不仅存在铁磁共振（FMR）吸收，还有FMR引起增强的磁膜涡流。
图16是设定和试制CoZrNb/聚酰亚胺混合微带线路相同的(1μm)/CoZrNb(1μm)/聚酰亚胺(1μm)夹层结构λ/4微带线路，计算其线路长和插损与频率关系的结果。计算中，采用了与用开始叙述的三维有限元模拟器件相同的手法。如图所示，在CoZrNb磁膜的FMR频率(~1GHz)以下的频段，λ/4线路的长度大致为频率成反比地变化，显示有2dB近似恒定的插损。然而在1GHz以上时，由于铁磁共振吸收和涡流的影响，插损急剧增大。仔细考察其结果可知，在600MHz的插损最小(约1.8dB)，这时的λ/4线路长在9mm左右。在特定频率插损最小的原因，目前虽然还不清楚，但和山中智和等人指出的有损耗最小的最佳磁膜厚度存在相符。
5.4 Zhuang等人的研究
荷兰Delft工业大学的Y.Zhuang等人试制成NiFe/SiO2系混合集成微带线路，检验了用NiFe膜缩短波长的效果和线路插损等参数。所用的金属磁性材料虽然不同，但得到的结果与CoZrNb/聚酰亚胺系混合集成器件大致相同。
6对超高频用金属磁性薄膜材料的期待
如前所述，为了把波长缩短效应型器件用到十分普及的GHz频率段信息通讯设备上，必须开发有远远超过1GHz的高FMR频率的磁性薄膜材料，此外，象微带线路那样，还有将金属磁膜插入电介质中这种结构，由于金属磁膜变成了伴随分布电容的位移电流的通道，故适宜采用电导率高（电阻率低）的磁膜材料。单晶Fe膜本身有接近10GHz的FMR频率和40的相对磁化率，可说是很有吸引力的材料。不过，要采用外延工艺成膜，必须使用与其晶格常数接近的GaAs等单晶基片。为了得到广泛的应用，希望开发不用选择基片材料的单晶Fe膜。
从(6)式看出，为了提高FMR频率，最大的课题是使材料同时兼有高饱和磁化强度和大的磁向各异性。最后，日本崇诚大学的宗像诚等人用转盘式射频溅射装置，制作了富Fe的CoFeB非晶磁膜，发现这种材料有1.7左右的高饱和磁化强度并有29kA/m(360Oe)这样大的磁晶各向异性场。0.56μm厚CoFeB磁膜的复数相对磁导率——频率特性曲线示于图17。这种膜的FMR频率约等于6GHz，足可以用作1~2GHz移动电话、2.45GHz Bluetooth无线LAN等高频器件。

参考文献
[1]佐藤敏朗  日本应用磁气学会志，2003，27(1):5～13.