陳 松，鐘朝位，劉 稷，陶 煜

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陶瓷基交指微帶帶通濾波器的設(shè)計

陳 松，鐘朝位，劉 稷，陶 煜

（電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川 成都 610054）

設(shè)計制作了一款小型化、溫度穩(wěn)定性高的交指微帶帶通濾波器。該濾波器選擇高相對介電常數(shù)的MgZnCaLaTiO3陶瓷材料做基板（r=25，tan=0.000 01，f=0/℃，基板厚度0.381 mm），利用HFSS仿真軟件，對該濾波器在3.92~4.52 GHz通帶內(nèi)進行了仿真。仿真結(jié)果顯示，該濾波器中心頻率為4.2 GHz，相對帶寬14%，帶內(nèi)插損小，帶外抑制良好。按照仿真尺寸進行實物加工并測試，實測結(jié)果與仿真吻合良好。

交指微帶濾波器；陶瓷基板；HFSS仿真；小型化；中心頻率；帶寬

無線通訊的集成化促使射頻無源器件如濾波器等小型化[1]，濾波器在系統(tǒng)模塊之間和通訊接發(fā)端的重要性日益提高，正向高頻化與微型化的方向快速發(fā)展[2]。

由于微帶線本身體積小、質(zhì)量小、加工簡單容易、制版方便快捷[3-5]，另外還可以根據(jù)不同的應(yīng)用場合與應(yīng)用需求來選用不同的介質(zhì)材料，其與濾波器結(jié)合后，通帶損耗和阻帶抑制優(yōu)于其他形式的濾波器，且采用印制板工藝制作電路，容易與其他電路集成。交指型微帶帶通濾波器因其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、易于加工和一致性好等優(yōu)點被應(yīng)用。所謂“交指”是指由多組平行耦合線諧振器陣相互交叉組成的結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)一般有電容加載式、終端短路式和終端開路式[6]。

作者采用終端短路、抽頭饋電方式，利用濾波器低通原型參數(shù)，計算外部值和耦合系數(shù)，再利用HFSS仿真軟件得到濾波器的初始尺寸，并進行優(yōu)化，得到了一款性能優(yōu)良的濾波器。采用高r、高溫度穩(wěn)定性的介電材料作基板制作樣品并進行了測試。

1 理論模型

終端短路式交指濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示，短路點交替排列，每個諧振器的長度為g/4[7]，采用抽頭線的方式進行饋電。

圖1 終端短路式交指濾波器

（1）確定低通模型：根據(jù)濾波器的帶寬、帶內(nèi)波紋、衰減等指標(biāo)，選擇適當(dāng)?shù)牡屯ㄔ停缜斜妊┓?、巴特沃思等模型，再確定濾波器階數(shù)以及各階電導(dǎo)參數(shù)1,2,3,···,g。對于切比雪夫型終端短路式的交指型濾波器來說，其濾波器階數(shù)可由式（1）近似求得[8]：

式中：s為阻帶衰減頻率；Ar為通帶衰減量最大值；As為阻帶衰減量最大值。確定濾波器階數(shù)后，可以通過查閱切比雪夫表格得到各電導(dǎo)值1,2,3,···,g。

（2）求得耦合系數(shù)和外部系數(shù)，通頻帶FBW，由電導(dǎo)值1,2,3,···,g，按照式（2）求得耦合系數(shù)和外部系數(shù)：

（3）求得枝節(jié)間距和枝節(jié)長度的初始值，一般來說枝節(jié)長度為g/4；

（4）計算抽頭饋電點的位置，值一般由式（3）求得：

式中：o=50W為微帶抽頭線的特性阻抗；r為微帶諧振器無耦合情況下的特征阻抗；e為濾波器終端外界品質(zhì)因數(shù)。

（5）利用HFSS仿真軟件進行參數(shù)優(yōu)化。

2 設(shè)計實例

2.1 陶瓷基板的制備

（1）陶瓷粉料的制備：采用非化學(xué)計量配比，將堿式碳酸鎂(MgCO3·Mg(OH)2·H2O，::=4:1:(4~7)、氫氧化鈣Ca(OH)2、氧化鑭La2O3、氧化鋅ZnO按照0.8:0.09:0.02:0.05的摩爾比在電子天平上進行稱量，混合；

（2）球磨：將粉料和氧化鋯球ZrO2在尼龍罐中，粉料、去離子水、氧化鋯球混合質(zhì)量比1:1:5，混合球磨4~8 h；

（3）預(yù)燒：將球磨過后的原料在85~120℃下干燥8~15 min，用250mm(60目)篩子過篩，過篩完后，在1 000~1 200 ℃下進行預(yù)燒，預(yù)燒3~5 h，保溫4~6 h，自然降溫；

（4）造粒：將預(yù)燒過后的粉料經(jīng)250mm(60目)篩子過篩，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10% PVA做粘合劑進行造粒；

（5）燒結(jié)：造粒完后進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度1 200~ 1 350 ℃，燒結(jié)時間4~6 h，保溫3~6 h，自然降溫；

（6）制作基板：將樣品經(jīng)干壓成型，燒結(jié)，軋磨成尺寸為50.8 mm×50.8 mm×(0.8±0.05) mm的片子，再經(jīng)切割，高溫處理，后續(xù)拋光過程，制作成基板，制作而成的基板尺寸50 mm×50 mm×(0.381±0.05) mm。

基板參數(shù)：r=25，tan=0.000 01，f=0/℃，基板厚度0.381 mm，表面粗糙度小于20 μm，滿足微波通訊所需要求。

2.2 濾波器的設(shè)計

濾波器設(shè)計指標(biāo)：帶寬3.92~4.52 GHz，在3.2 GHz處抑制大于30 dB，在4.8 GHz處抑制大于40 dB，輸入輸出阻抗50 Ω，介質(zhì)為MgZnCaLaTiO3，厚度0.381 mm。

首先，將上述指標(biāo)代入式中，可計算出初始階數(shù)近似取5，選擇切比雪夫低通模型，如表1所示。

表1 切比雪夫濾波器原型的元件值（0= 1，c= 1，0.5 dB波紋）

Tab.1 Element values for Chebyshev lowpass prototype filter (g0 = 1, ωc = 1, Lr= 0.5 dB at Ωc)

由表1可得0~6具體值。再計算枝節(jié)間距，枝節(jié)間距可以通過耦合系數(shù)獲得；枝節(jié)長度=g/4=4.2 mm，抽頭饋電位置= 0.74 mm。從而得到濾波器的初始值如表2所示。

表2 交指濾波器初始值

Tab.2 Initial values of interdigital filter

為進一步優(yōu)化濾波器指標(biāo)，將初始參數(shù)在HFSS中進行建模如圖2，在HFSS中進行參數(shù)優(yōu)化，得到最終仿真結(jié)果如圖3。

圖2 HFSS模型

圖3 HFSS仿真結(jié)果圖

由圖3可知，頻帶3.92~4.52 GHz內(nèi)插損均小于–2 dB，帶內(nèi)波紋小于–5 dB，帶外抑制也均已達(dá)到設(shè)計要求。此時HFSS中的具體參數(shù)值如表3所示。

表3 HFSS仿真參數(shù)值

Tab.3 HFSS simulating parameters

抽頭線=0.8 mm。為驗證HFSS仿真結(jié)果的一致性，將HFSS仿真模型加工成實物進行測量。

3 測試結(jié)果

圖4為仿真實測比較圖，實際加工出來的交指濾波器中心頻率略微向左偏移，經(jīng)檢驗是由金層厚度影響，由于實際加工的金層厚度略大于仿真厚度，故發(fā)生了一點偏移；實際加工測試所得帶寬與仿真一致，帶內(nèi)駐波比略差，猜測是打孔誤差所致，但總體結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)吻合，符合設(shè)計指標(biāo)，驗證了高介陶瓷基交指濾波器的實際可行性，并能對濾波器的尺寸小型化做出新的改善。

圖4 仿真實測比較圖

4 結(jié)論

選擇MgZnCaLaTiO3陶瓷基板（r=25，tan=0.000 01，f=0/℃，基板厚度0.381 mm）設(shè)計制作了一款微帶交指濾波器，用電磁仿真軟件HFSS對設(shè)計進行仿真優(yōu)化，對實物進行加工測試。實物測試與仿真結(jié)果對比可知，該濾波器滿足3.92~4.52 GHz的通訊要求，采用本基板所制作的濾波器體積更小且比現(xiàn)常用的氧化鋁基板具有更好的溫度穩(wěn)定性。

[1] 楊輝, 張啟龍. 低溫共燒微波介質(zhì)陶瓷及其器件的研究進展[J]. 硅酸鹽學(xué)報, 2008, 36(6): 866-876.

[2] 王強, 唐斌, 李皓, 等. 3500 MHz陶瓷基新型帶通濾波器的設(shè)計[J]. 電子元件與材料, 2014, 33(8): 73-76.

[3] KURZROK R M. General three-resonator filters in waveguide [J]. Microwave Theory Tech IEEE Trans, 1966, 14(1): 46-47.

[4] FIEDZIUSZK O, HUNTE R, ITOH T, et al. Dielectric materials devices and circuits [J]. Microwave Theory Tech IEEE Trans, 2002, 50(3): 706-720.

[5] NATH J, GHOSH D, MARIA J P, et al. An electronically tunable microstrip bandpass filter using thin-film barium-strontium-titanate (BST) varactors [J]. Microwave Theory Tech IEEE Trans, 2005, 53(9): 2707-2712.

[6] 雷振亞. 微波射頻電路導(dǎo)論 [M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2005.

[7] 徐佳. 交指型微帶帶通濾波器小型化研究 [D]. 天津: 河北工業(yè)大學(xué), 2010.

[8] HONG J S G, LANCASTER M J. Microstrip filters for RF/microwave applications [M]. USA: John Wiley & Sons, 2004.

（編輯：陳渝生）

Design of an interdigital microstrip bandpass filter on ceramic substrate

CHEN Song, ZHONG Chaowei, LIU Ji, TAO Yu

(State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)

A microstrip bandpass interdigital filter with miniaturization and high temperature stability was designed and fabricated, which firstly used high dielectric constant ceramics material MgZnCaLaTiO3(r=25，tan= 0.000 01,f=0/℃, the thickness of substrate is 0.381 mm) to make the substrate. The filter was simulated by HFSS-software between 3.92 GHz and 4.52 GHz. The simulation results are as follows: the center frequency is 4.2 GHz, the relative bandwidth is 14%. The filter was fabricated and tested according to simulation parameters. The measured results are agreed with the simulation results.

microstrip interdigital filter; ceramics substrate; HFSS simulation；miniaturization；center frequency; bandwidth

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.01.009

TN713

A

1001-2028（2017）01-0048-03

2016-12-11

鐘朝位

總裝十二五預(yù)研項目資助（No. 51312050401）

鐘朝位（1966－），男，江西南康人，教授，主要從事電子陶瓷材料研究，E-mail: chaoweizhong@uestc.edu.cn ；

陳松（1992－），男，四川眉山人，研究生，研究方向為微波器件，E-mail: a852282470@163.com。

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161230.1018.009.html

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-12-30 10:18:58