王 新，李其強(qiáng)，楊 凱

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

濾波器在微波毫米波系統(tǒng)中起著重要的作用，它可以用來分離和組合不同頻率的信號[1-2]。在雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信、微波中繼通信、電子對抗及微波測量儀表中濾波器有著極其廣泛的應(yīng)用，濾波器性能的好壞直接決定了整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量。

最早的梳狀線濾波器是由一系列在一側(cè)短路，另一側(cè)加載由調(diào)諧螺絲構(gòu)成的集總電容的耦合金屬桿組成的，傳統(tǒng)的梳狀線濾波器需要2根非諧振金屬桿將外界端口阻抗變換到濾波器內(nèi)部阻抗[3]。容性加載一方面可以使諧振器的長度小于1/4波長，另一方面也可以使得濾波器第一個(gè)寄生通道高于3倍中心頻率[4]。在后續(xù)的研究中，傳統(tǒng)梳狀線濾波器的2根非諧振金屬桿改為抽頭連接以及梳狀線濾波器的微帶實(shí)現(xiàn)，使得梳狀線濾波器更加緊湊、更加易于集成[5-7]。隨著工作頻率的提高，為了提高設(shè)計(jì)精度、改善響應(yīng)特性、降低制造復(fù)雜度，學(xué)者們也做了很多研究。文獻(xiàn)[8]中報(bào)道了一個(gè)適用于多階梳狀線濾波器設(shè)計(jì)的多模的傳輸線系統(tǒng)，使得濾波器的設(shè)計(jì)更精準(zhǔn)；文獻(xiàn)[9-10]利用交叉耦合在有限頻率處引入傳輸零點(diǎn)來改善梳狀線濾波器的頻率響應(yīng)；文獻(xiàn)[11-12]運(yùn)用耦合的階梯阻抗諧振器(Stepped-Impedance Resonators，SIR)來制作梳狀線濾波器，用低阻抗傳輸線的寄生電容來取代集總元件電容。

本文采用階梯阻抗諧振器對濾波器諧振器進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，通過對諧振器形狀的設(shè)計(jì)，使得濾波器整體版圖布局緊湊，同時(shí)引入交叉耦合，在高頻阻帶一側(cè)引入傳輸零點(diǎn)，改善高頻阻帶響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制作了一款基于陶瓷基板、體積較小和高頻阻帶抑制度較高的帶通濾波器。

1 傳輸線特性分析

1/4波長階梯阻抗諧振器示意圖如圖1所示，其由2段特征阻抗為Z1、Z2的傳輸線組成，其電長度分別為θ1、θ2。忽略傳輸線的不連續(xù)性，開路端的輸入導(dǎo)納可以表示為：

(1)

式中，Y1=1/Z1，Y2=1/Z2。根據(jù)諧振器的諧振條件Yi=0，可得

tanθ1·tanθ2=RZ，

(2)

式中，RZ=Y1/Y2=Z2/Z1。此時(shí)諧振器的總長度可以表示為：

(3)

由式(3)可知，當(dāng)RZ<1時(shí)，可以使諧振器小型化[13]。

圖1 1/4波長階梯阻抗諧振器示意

設(shè)計(jì)小型化梳狀帶通濾波器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用階梯阻抗諧振器使諧振器小型化，從而減小濾波器尺寸。濾波器采用Al2O3陶瓷基板制作[14]，介電常數(shù)為9.9，損耗角正切為0.000 2，基板厚度0.254 mm。基板底層為濾波器地，頂層為不同阻抗的薄膜微帶線，接地端通過金屬化通孔與地層連接。濾波器采用抽頭方式與外界相連，抽頭微帶線特征阻抗為50 Ω。濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)為：Wt=0.25 mm，W1=0.15 mm，W2=0.35 mm，W3=0.40 mm，L1=1.08 mm，L2=0.84 mm，S12=0.565 mm，S23=0.525 mm，S14=0.575 mm，S=0.26 mm，t=0.24 mm，R1=0.1 mm，R2=0.15 mm。

圖2 濾波器結(jié)構(gòu)示意

薄膜微帶線的特性可以由ANSYSTMHFSS軟件仿真的二端口S參數(shù)萃取得到[15-16]。在HFSS軟件中，所有材料參數(shù)的設(shè)置與陶瓷基板的工藝參數(shù)相同。萃取得到的0.15 mm(W1)、0.35 mm(W2)、0.4 mm(W3)不同線寬的薄膜微帶線的復(fù)數(shù)特征阻抗如圖3(a)所示。從圖中可以看出，在5～15 GHz頻率范圍內(nèi)同一線寬薄膜微帶線的特征阻抗基本維持恒定，3種不同線寬特征阻抗實(shí)(虛)部分別約為60(-0.13) Ω、40(-0.077) Ω和36(-0.068) Ω。萃取得到的3種不同線寬的薄膜微帶線的品質(zhì)因數(shù)隨頻率變化曲線如圖3(b)所示。從圖中可以看出，3種線寬的微帶線的品質(zhì)因數(shù)都隨著頻率升高而變大，隨著線寬增大傳輸線的品質(zhì)因數(shù)增大。在5～15 GHz頻段內(nèi)，3種線寬微帶線的品質(zhì)因數(shù)分別由139增加至221、181增加至287、187增加至295，在12.5 GHz頻率處3種線寬微帶線的品質(zhì)因數(shù)分別為202、264和273。

圖3 不同線寬薄膜微帶線特性

2 濾波器設(shè)計(jì)

選取帶通濾波器的中心頻率為12.5 GHz，根據(jù)式(1)、式(2)和式(3)可以初步計(jì)算出諧振器的尺寸，然后在仿真軟件中進(jìn)行微調(diào)，使得諧振器的諧振頻率在濾波器中心頻率附近。

當(dāng)諧振器的尺寸確定后，諧振器之間的耦合系數(shù)與諧振器之間距離的關(guān)系、諧振器的外部品質(zhì)因數(shù)與抽頭位置的關(guān)系可以通過仿真軟件萃取得到[17]。萃取得到的諧振器之間耦合系數(shù)(M)與諧振器之間距離的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖2的濾波器結(jié)構(gòu)示意圖可知，濾波器中有2種耦合較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，其耦合系數(shù)分別是M12和M23?？梢钥闯?，隨著諧振器之間距離變大，諧振器之間的耦合系數(shù)逐漸減小。為萃取得到的諧振器外部品質(zhì)因數(shù)(Qe)與抽頭位置的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖可以看出，隨著抽頭位置遠(yuǎn)離接地點(diǎn)諧振器外部品質(zhì)因數(shù)逐漸減小。

圖4 耦合系數(shù)隨諧振器間距變化曲線

圖5 外部品質(zhì)因數(shù)隨抽頭位置變化曲線

按傳統(tǒng)濾波器的設(shè)計(jì)方法[18]，設(shè)計(jì)了中心頻率12.5 GHz，相對帶寬(FBW)8%，帶內(nèi)波紋0.043 21 dB的四階切比雪夫帶通濾波器。經(jīng)查表可得低通原型值為g0=1，g1=0.931 4，g2=1.292，g3=1.577 5，g4=0.762 8，g5=1.221。由公式

(4)

(5)

可以計(jì)算出Qe1=Qe4=11.64，M12=M34=0.073，M23=0.056。由圖4和圖5可以得到S12初值為0.68 mm，S23初值為0.55 mm，t初值為0.23 mm。由于版圖布局時(shí)在諧振器I與IV之間引入交叉耦合，會使得諧振器I與II之間耦合變?nèi)酰虼藢?shí)際S12值會比初值小，需在全波仿真中進(jìn)行微調(diào)。

3 濾波器仿真與測試結(jié)果

設(shè)計(jì)的四階梳狀濾波器的實(shí)物照片如圖6所示。濾波器兩側(cè)為使用GSG探針對濾波器進(jìn)行測量時(shí)探針接觸的GSG PAD，PAD為接地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(Coplanar Waveguide Ground，CPWG)，上層地與底層地通過金屬化通孔進(jìn)行連接。包含PAD在內(nèi)，濾波器的尺寸為7 mm×2.5 mm。濾波器的核心面積為2.4 mm×2.1 mm(0.1λ0×0.087 5λ0)。

圖6 濾波器實(shí)物照片

在測試之前，整個(gè)測試系統(tǒng)(包含矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Rohde & Schwarz，ZVA40)、射頻電纜以及探針)，利用Cascade MicrotechTM的標(biāo)準(zhǔn)基片，運(yùn)用二端口Line-Reflection-Reflection-Match(LRRM)方法進(jìn)行校準(zhǔn)[19-20]。

仿真與實(shí)際測試的二端口S參數(shù)如圖7所示。圖中方形符號曲線為ANSYSTMHFSS軟件全波仿真得到的濾波器S參數(shù)結(jié)果，圓形符號曲線為實(shí)際測試得到的濾波器S參數(shù)結(jié)果。

圖7 濾波器仿真與測試結(jié)果對比

從仿真結(jié)果可以看出，諧振器I與IV之間引入的交叉耦合，在濾波器的高頻阻帶處引入一個(gè)傳輸零點(diǎn)，提高了高頻阻帶的抑制度。從仿真結(jié)果與測試結(jié)果的對比可以看出，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合的很好。由實(shí)際測試結(jié)果可以看出，濾波器中心頻率為12.5 GHz，中心頻率插入損耗為1.85 dB，帶寬約為8%，傳輸零點(diǎn)位于13.7 GHz，在14 GHz頻率處阻帶抑制度>40 dB。

4 結(jié)束語

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，系統(tǒng)對低剖面、小型化的需求越來越迫切。濾波器作為系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，其小型化一直是研究難點(diǎn)。本文通過采用高介電常數(shù)陶瓷基板，小型化階梯阻抗諧振器，緊湊版圖布局，設(shè)計(jì)了一款Ku頻段小型化帶通濾波器。該濾波器仿真測試結(jié)果一致性較好，具有良好的應(yīng)用前景。

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