馮立營(yíng)，鄭宏興，范義梅，孫程光，王 萌

(1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 電子工程學(xué)院，天津 300222;2.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401;3.訊創(chuàng)(天津)電子有限公司，天津 300385)

微帶帶通濾波器(BPF)具有低成本和易于與其他平面微波元件集成的優(yōu)點(diǎn)，是無(wú)線通信系統(tǒng)中非常重要的元件。隨著微波電路向高集成度方向發(fā)展，微帶BPF 的小型化需求正在提升。研究人員已經(jīng)提出多種技術(shù)用以縮減微帶BPF 的尺寸，如分形結(jié)構(gòu)[1-2]、多模諧振器[3-4]、介質(zhì)加載[5]和慢波開(kāi)環(huán)諧振器(OLR)[6-8]等。其中，基于慢波OLR 的BPF 因兼具結(jié)構(gòu)緊湊和寬阻帶特性成為近年研究熱點(diǎn)。慢波OLR 通常由微帶開(kāi)路環(huán)和加載在其開(kāi)路端的電容器構(gòu)成。增加該加載電容器的容值不但可以縮減慢波OLR 的尺寸，還可以增加其第一寄生頻率與基頻的頻率比，從而拓寬BPF 阻帶。利用開(kāi)路端微帶間隙可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的低容值電容器(例如0.2 pF)[9]。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于加載該電容器OLR 的BPF，通過(guò)減小開(kāi)路端微帶間隙可以增加該電容器容值，從而縮減BPF 的尺寸。交指電容器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可以提供更大容值(小于1 pF)[10-13]。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于加載交指電容器OLR 的BPF。相比于文獻(xiàn)[7]提出的BPF，該BPF 的相對(duì)尺寸小50%以上，其阻帶插入損耗大于20 dB 的頻率范圍達(dá)到其通帶中心頻率的2.8 倍。金屬-絕緣體-金屬(MIM) 電容器具有更高的容值[14-21]。MIM 電容器通常采用氮化硅或氧化鋁[14-15]等基板利用半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)行制備[17]，然后封裝到表面貼裝元件中，再焊接到印刷電路板(PCB)上。為進(jìn)一步提高微波電路的集成度，本研究利用PCB技術(shù)制作MIM 電容器，并將之直接集成到微帶慢波BPF 中，該方法不僅可以降低MIM 電容器制作的工藝要求，還可以節(jié)省BPF 制作成本。

本研究首先提出了一種基于PCB 技術(shù)的MIM 電容器。該MIM 電容器由一對(duì)刻蝕在基板兩側(cè)的正方形貼片組成。根據(jù)該電容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其等效為一個(gè)p型二端口網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)電磁仿真得到其容值為5.26 pF，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的交指電容器的容值。應(yīng)用加載該MIM 電容器的慢波OLR 進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種二階慢波BPF。與基于加載交指電容器OLR 的BPF[8]相比，所提出BPF 實(shí)現(xiàn)了40%的尺寸縮減，同時(shí)其阻帶插入損耗大于20 dB的頻率范圍達(dá)到其通帶中心頻率的4.46 倍。

1 MIM 電容器

MIM 電容器設(shè)計(jì)在Taconic RF60A 基板上，該基板的相對(duì)介電常數(shù)為6.15，厚度為0.64 mm，損耗角正切為0.0028。圖1 顯示了MIM 電容器結(jié)構(gòu)。所提出的MIM 電容器由一對(duì)刻蝕在基板兩側(cè)的正方形貼片組成，它們有相同的邊長(zhǎng)L1，底部貼片被一個(gè)寬度為S1的環(huán)槽包圍，以便與地板隔離。為了方便與其他電路元件連接，底部貼片的引線通過(guò)金屬過(guò)孔延伸到基板的頂部。根據(jù)該MIM 電容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其等效為一個(gè)如圖2 所示的π 型二端口網(wǎng)絡(luò)。在等效網(wǎng)絡(luò)中，串聯(lián)電容Cg表示兩個(gè)貼片之間的電容，兩個(gè)并聯(lián)電容Cp1/Cp2表示頂部貼片/底部貼片與地板之間的電容。通過(guò)電磁仿真可以提取Cg、Cp1和Cp2的值。圖2 中電路的Y參數(shù)由公式(1)提取:

圖2 MIM 電容器的等效二端口網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Equivalent two port network of MIM capacitor

式中:w為角頻率。Cg、Cp1和Cp2可以表達(dá)為:

式中:Im(x)表示x的虛部。采用ANSYS HFSS 來(lái)提取圖1 中MIM 電容器的Y參數(shù)，再通過(guò)式(2)～(4)，計(jì)算Cg、Cp1和Cp2的值，分別為5.26，0.74 和0.83 pF。Cp2的值略大于Cp1，這是因?yàn)榈撞抠N片比頂部貼片更接近地板。

圖1 MIM 電容器的結(jié)構(gòu)。(a) 頂視圖;(b) 底視圖Fig.1 Configuration of MIM capacitor.(a) Top view;(b) Bottom view

2 MIM 電容加載慢波OLR

眾所周知，諧振器的諧振頻率與其尺寸有關(guān)，尺寸越大，其諧振頻率就越低。圖3 所示是一個(gè)傳統(tǒng)的微帶OLR。它由一個(gè)正方形的開(kāi)環(huán)組成，在小型化濾波器設(shè)計(jì)中很受歡迎。可以通過(guò)改進(jìn)該諧振器，從而在保持尺寸不變的同時(shí)獲得更低的諧振頻率。從圖3中看出，可以利用開(kāi)環(huán)內(nèi)部的空間。因此，可以將所提出的MIM 電容器嵌入到開(kāi)環(huán)內(nèi)的空間中形成新的MIM 電容加載慢波OLR 設(shè)計(jì)，如圖4 所示。頂部貼片連接到開(kāi)環(huán)的一端;底部貼片通過(guò)一個(gè)過(guò)孔連接到開(kāi)環(huán)的另一端。MIM 電容器充分利用了環(huán)內(nèi)的空間，有效地節(jié)省了基板面積。

圖3 傳統(tǒng)微帶OLRFig.3 Conventional microstrip OLR

圖4 所示MIM 電容加載的慢波OLR 可以抽象為一個(gè)電容加載的傳輸線諧振器，其等效電路如圖5 所示，其中CL、Za、ba、d分別為負(fù)載電容、特征阻抗、傳播常數(shù)和傳輸線的長(zhǎng)度。求解該傳輸線諧振器諧振時(shí)電長(zhǎng)度的公式由(5)～(6) 所示[6]:

由式(5)～(6)知，當(dāng)CL=0 時(shí)，θa0=π 和θa1=2π，其中θa0和θa1是基頻(f0)和第一寄生頻率(f1)的電長(zhǎng)度。這種情況為無(wú)載的半波長(zhǎng)諧振器。如果CL≠0，則諧振頻率隨負(fù)載電容的增加而降低，同時(shí)第一寄生頻率與基頻之比隨之增大，采用該諧振器設(shè)計(jì)的BPF將產(chǎn)生較寬的阻帶。

所提出慢波OLR 加載電容的大小取決于加載的MIM 電容器的容值。為了驗(yàn)證這一設(shè)計(jì)，對(duì)如圖4所示的諧振器利用ANSYS HFSS 軟件進(jìn)行了仿真。圖6 顯示了該MIM 電容器加載慢波OLR 的回波損耗(S11)隨L1變化的情況。可以看出，當(dāng)圖4 中L1從4 mm 到7 mm 變化時(shí)，諧振頻率從0.75 GHz 降低到0.64 GHz。作為比較，相同尺寸傳統(tǒng)OLR(圖3)的回波損耗隨L1變化情況也在圖6 中顯示(諧振頻率1.77 GHz)。這一結(jié)果進(jìn)一步支持了式(5)～(6)，MIM 電容器確實(shí)是一個(gè)電容負(fù)載。

圖4 MIM 電容器加載的慢波OLR。(a) 頂視圖;(b) 底視圖Fig.4 MIM capacitor loaded slow-wave OLR.(a) Top view;(b) Bottom view

圖5 電容加載傳輸線諧振器等效電路Fig.5 Equivalent circuit for the capacitive loaded transmission line resonator

圖6 MIM 電容加載慢波OLR 的回波損耗隨L1 變化Fig.6 Return loss of MIM capacitor loaded slow-wave OLR varies with L1

3 小型化二階慢波BPF 設(shè)計(jì)

為了充分利用上述MIM 電容器加載慢波OLR 的特性，設(shè)計(jì)了一種小型化二階慢波BPF。如圖7 所示，該BPF 由兩個(gè)對(duì)置的如圖4 所示的諧振器組成，采用相對(duì)介電常數(shù)為6.15、厚度為0.64 mm、損耗角正切為0.0028的Taconic RF60A 基板進(jìn)行設(shè)計(jì)，尺寸如表1 所示。

圖7 小型化二階慢波BPF 結(jié)構(gòu)。(a) 頂視圖;(b) 底視圖Fig.7 Configuration of 2nd-order slow-wave BPF.(a) Top view;(b) Bottom view

表1 小型化二階慢波BPF 尺寸Tab.1 Dimensions of 2nd-order slow-wave BPF mm

4 結(jié)果與討論

將所提出BPF 進(jìn)行制備以方便測(cè)量，其實(shí)物圖如圖8 所示。采用AV3620 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量所提出的BPF。圖9 顯示了其測(cè)量和仿真的頻率響應(yīng)。參照?qǐng)D9(a)，當(dāng)前BPF 的測(cè)量和仿真中心頻率分別為0.619 和0.625 GHz，對(duì)應(yīng)回波損耗分別為-26.32 和-33.35 dB。測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果之間的差異是由制造實(shí)物時(shí)的誤差造成的。該BPF 的尺寸為0.056λg×0.114λg，其中λg是中心頻率在基板上的波長(zhǎng)。這意味著與文獻(xiàn)[8]中基于加載交指電容器OLR 的BPF 相比，所提出BPF 的尺寸減少了40%。測(cè)量的最小插入損耗為3.13 dB，比仿真結(jié)果高2.3 dB。這是符合預(yù)期的，因?yàn)榉抡嬷袥](méi)有考慮介質(zhì)和金屬損耗。測(cè)量的3 dB帶寬為3.38%，與仿真的帶寬相近。在通帶的每個(gè)邊緣附近都可以各觀察到一個(gè)傳輸零點(diǎn)，這可以提升BPF 的選擇性。該BPF 的寬帶響應(yīng)如圖9 (b)所示，測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。在遠(yuǎn)離通帶的頻率上發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)額外的傳輸零點(diǎn)，這導(dǎo)致了阻帶的深度衰減。該BPF 具有較寬的阻帶，測(cè)量的插入損耗大于20 dB 的頻率最高可達(dá)2.763 GHz，為通帶中心頻率的4.46 倍。

圖8 所制作的BPF 實(shí)物圖。(a) 頂視圖;(b) 底視圖Fig.8 Photos of fabricated BPF.(a) Top view;(b) Bottom view

圖9 測(cè)量和仿真的BPF 頻率響應(yīng)。(a) 通帶;(b) 寬帶Fig.9 Measured and simulated frequency responses of proposed BPF.(a) Passband;(b) Wideband

5 結(jié)論

本文首先提出了一種基于PCB 的MIM 電容器。PCB 的基板被用作該MIM 電容器的電介質(zhì)層。MIM電容器的兩個(gè)貼片被刻蝕在PCB 的兩側(cè)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析和電磁仿真，得到其容值為5.26 pF。為了驗(yàn)證所提出MIM 電容器的有效性，設(shè)計(jì)了一種加載該電容器的慢波OLR。與傳統(tǒng)的OLR 相比，該諧振器尺寸較小。利用一對(duì)所提出OLR 進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種小型化二階慢波BPF。對(duì)該BPF 進(jìn)行了仿真和測(cè)試，測(cè)量和仿真結(jié)果吻合較好。與交指電容器加載的慢波BPF 相比，該BPF 的尺寸縮小了40%，其測(cè)量的插入損耗大于20 dB 阻帶范圍達(dá)到其通帶中心頻率的4.46 倍。