陶有歡，王 璽，蔣明眼，周立國，寧宏偉

(1.重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院, 重慶400065；2.中國電子科技集團(tuán)公司 第二十六研究所，重慶 400060；3.西北工業(yè)大學(xué) 微電子學(xué)院，陜西 西安710072；4.四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽 合肥230093)

0 引言

隨著通信技術(shù)發(fā)展，無線通信收發(fā)機(jī)對(duì)濾波器的要求迅速提升。雙通帶、多通帶濾波器作為多頻多模通信系統(tǒng)(如頻率選擇的硬件門禁[1]、多頻WiFi系統(tǒng)[2]等)中的關(guān)鍵器件，近些年已有大量學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究。濾波器實(shí)現(xiàn)形式主要有基于微帶[3]、金屬同軸腔[4]及低溫共燒陶瓷(LTCC)[5]等。聲學(xué)濾波器(如聲表面波(SAW)、薄膜體聲波諧振器(FBAR)等)具有尺寸小,損耗低及抑制陡峭等特點(diǎn)[6]，在射頻系統(tǒng)中應(yīng)用較廣，但是基于此類的雙通帶濾波器研究較少。2020年，王勝福等[7]基于FBAR濾波器研制了一款S波段的雙通道薄膜聲波諧振器，用到了雙工器的高通和低通匹配電路，采用微波混合工藝設(shè)計(jì)了雙通道濾波器。同年，彭雄等[8]基于耦合模(COM)模型精確提取了不同工作頻段濾波器的COM參數(shù)，通過搭建聲電協(xié)同仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了雙通帶SAW濾波器的設(shè)計(jì)。

目前基于FBAR的雙通帶濾波器的研究較少，本文充分利用FBAR單通帶濾波器的高選擇性和低插入損耗的優(yōu)點(diǎn)，通過微帶線雙路枝節(jié)的阻抗變換，集成了工作頻帶相差較大的兩路濾波器，實(shí)現(xiàn)了雙頻帶極小損耗的匹配。最終設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)的雙通帶濾波器組，工作通帶頻率分別為2 492 MHz和6 000 MHz，并且為雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)提供了有效的思路。

1 濾波器設(shè)計(jì)

1.1 雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)

1.1.1 雙通帶FBAR濾波器設(shè)計(jì)思路

本文的雙通帶濾波器設(shè)計(jì)思路為：在濾波器1的工作頻帶中，設(shè)置濾波器2支路端等效為開路狀態(tài)；在濾波器2的工作頻帶中，設(shè)置濾波器1支路等效為開路狀態(tài)。通過兩個(gè)并行匹配的通帶濾波器設(shè)計(jì)方法能夠保證濾波器阻帶頻率的帶外高抑制及帶內(nèi)低插損性能。

1.1.2 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)中,優(yōu)化雙通帶濾波元件值應(yīng)滿足濾波器1(中心頻率f01= 2 492 MHz)和濾波器2(中心頻率f02= 6 000 MHz)的阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)最大功率傳輸。

雙通帶濾波器的插入損耗小于5 dB，帶內(nèi)駐波比小于2，阻帶衰減大于20 dBc。

利用映像參數(shù)法設(shè)計(jì)帶通濾波器匹配網(wǎng)絡(luò)，基于低通、高通濾波器匹配設(shè)計(jì)的原理，通過增加元器件的數(shù)目和頻率等效變換，實(shí)現(xiàn)單個(gè)通帶的匹配設(shè)計(jì)[9]。以此為基礎(chǔ)，通過增加通帶的數(shù)目，可將該匹配方法推廣到雙通帶或多通帶濾波器的設(shè)計(jì)中。在帶通濾波器匹配枝節(jié)的設(shè)計(jì)中，一個(gè)諧振單元由兩個(gè)LC串聯(lián)或并聯(lián)組成，其中一個(gè)LC串聯(lián)或并聯(lián)組合對(duì)應(yīng)一個(gè)通帶單極點(diǎn)，如圖1所示。圖1(a)中，LP1為并聯(lián)電感，CP1為并聯(lián)電容，LS1為串聯(lián)電感，CS1為串聯(lián)電容。圖1(b)中，LS′1為串聯(lián)電感,CS′1為串聯(lián)電容，LP′1為并聯(lián)電感，CP′1為并聯(lián)電容。

圖1 LC帶通枝節(jié)

基于以上方法，本文采用圖1(a)的枝節(jié)設(shè)計(jì)了輸入和輸出端對(duì)稱映像匹配電路的雙通帶濾波，并根據(jù)濾波器的通帶帶寬、傳輸零點(diǎn)頻率和阻抗值來計(jì)算各元件的值，此設(shè)計(jì)的綜合頻率響應(yīng)Hs(f)為兩子通帶的頻率響應(yīng)之和：

Hs(f)=Ha(f)+Hb(f)

(1)

式中：Ha(f)為濾波器1對(duì)應(yīng)的通帶頻率響應(yīng)；Hb(f)為濾波器2對(duì)應(yīng)的通帶頻率響應(yīng)。

設(shè)中心頻率f01= 2 492 MHz的帶通濾波器輸入和輸出兩端阻抗為R0，3 dB截止頻寬為BW1=fH1-fL1，則通帶枝節(jié)各元器件值：

(2)

(3)

(4)

(5)

在實(shí)際微帶電路計(jì)算中，網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了傳輸函數(shù)的零點(diǎn)和極點(diǎn)，依據(jù)枝節(jié)匹配原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，從裸芯片F(xiàn)BAR1輸出阻抗Zout1和裸芯片F(xiàn)BAR2輸出阻抗Zout2的輸出端開始匹配電路，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)濾波器的并聯(lián)，搭建的原理圖如圖2所示。

圖2 雙通帶濾波電路拓?fù)鋱D

本文采用濾波器1、2的實(shí)測(cè)提取S2P文件參數(shù)S11、S21(S11為輸入反射系數(shù)，S21為插入損耗)。濾波器1的通帶內(nèi)測(cè)量值：S11≤-41.6 dB，S21≤-1.2 dB；濾波器2的通帶內(nèi)測(cè)量值：S11≤-18.4 dB，S21≤-2.5 dB，運(yùn)用Smith圓圖匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)電路進(jìn)行匹配，文獻(xiàn)[10]推導(dǎo)了兩通帶端口應(yīng)滿足的輸入阻抗的關(guān)系為

(6)

(7)

式中：Zs為源阻抗；Γm為所要求通帶的最大反射系數(shù)；Zin1(f02)表示當(dāng)前頻率f02的濾波器1端口的輸入阻抗；Zin2(f01) 為當(dāng)前頻率f01的濾波器2端口的輸入阻抗；Γ1(f01)，Γ2(f02)分別為單獨(dú)兩個(gè)通帶的濾波器的反射系數(shù)，Γ1(f01)、Γ2(f02)均小于Γm。若兩個(gè)通帶的參數(shù)不滿足式(6)、(7)，需要調(diào)整電路結(jié)構(gòu)或元件值。

使用仿真軟件對(duì)電容和電感值進(jìn)行優(yōu)化，得到原理電路仿真結(jié)果，如圖3所示。

圖3 電路圖仿真結(jié)果

1.2 濾波器微帶設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1.2.1 微帶變換

在微波高頻電路中通過Kuroda變換法則，將雙通帶FBAR濾波器原理電路拓?fù)滢D(zhuǎn)換為分布式參數(shù)電路，在微波電路中大多數(shù)以50 Ω的微帶線取代一般的導(dǎo)線來連接元器件，防止反射和匹配不當(dāng)而引起的損耗。由于受基板介質(zhì)影響，印制電路板(PCB)基板的信號(hào)波長(λ)需根據(jù)微帶線參數(shù)重新計(jì)算信號(hào)實(shí)際工作波長(λeff)。本文中并聯(lián)電容用微帶交指電容(MCAP1)替換，串聯(lián)電容用微帶開口端(MLEF)替換，模擬導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗等更準(zhǔn)確，電感設(shè)計(jì)為多曲折電感，對(duì)電容、電感元件對(duì)應(yīng)的微帶長度和寬度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

串聯(lián)電感LS和電容CS的微帶長度lLS、lCS計(jì)算式為

(8)

(9)

式中Z0為工作頻段下的特性阻抗。并聯(lián)電感和電容微帶線長度計(jì)算與lLS、lCS的微帶線長度計(jì)算相同。根據(jù)實(shí)際電路不同設(shè)計(jì)的參數(shù)有偏差，但微帶線長度不易過長，應(yīng)小于λeff/4。濾波器1輸入端微帶線電路如圖4所示。圖中，lLP1、lCP1、wLP1、wCP1分別為LP1和CP1等效微帶線的長度和寬度；lLS1、lCS1、wLS1、wCS1分別為LS1和CS1等效微帶線的長度和寬度。對(duì)于濾波器2輸入端同理可設(shè)：lLP2、lCP2、wLP2、wCP2分別為LP2和CP2等效微帶線的長度和寬度；lLS2、lCS2、wLS2、wCS2分別為LS2和CS2等效微帶線的長度和寬度，wCuri為曲線微帶Curi的寬度(i=1,2,3,…)。

圖4 濾波器1輸入微帶線

1.2.2 微帶支路參數(shù)

基于圖4所示電路，在輸入端設(shè)置lLS1=12.9 mm(即λ01/4，λ01為f01= 2 492 MHz對(duì)應(yīng)波長)，實(shí)現(xiàn)頻點(diǎn)諧振。同時(shí)，為了獲得陡峭的阻帶衰減，使得兩個(gè)傳輸零點(diǎn)分別靠近截止頻率，使lLP1= 1.6 mm，F(xiàn)BAR1對(duì)應(yīng)支路的其他參數(shù)：wCur1=wCur2=wLP1=0.16 mm，wCur3=wCP1=0.16 mm，lCP1=1.2 mm，wLS1=0.31 mm，wCur4=wCS1=1.1 mm，lCS1=5.46 mm。其中，lLP1、lCP1、wLP1、wCP1分別為并聯(lián)電感LP1和并聯(lián)電容CP1等效微帶線的長度和寬度；lLS1、lCS1、wLS1、wCS1分別為串聯(lián)電感LS1和串聯(lián)電容CS1等效微帶線的長度和寬度。同理，F(xiàn)BAR2對(duì)應(yīng)支路的其他參數(shù)：wLP2=0.67 mm，lLP2=14.9 mm，wCur6=wCP2=0.21 mm，lCP2=5.1 mm，wLS2=0.74 mm，lLS2=10.5 mm，wCur7=wCS2=6.2 mm，lCS2=6.57 mm。本文采用輸入輸出對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，輸出部分的電路尺寸參數(shù)與輸入部分的一致。

2 濾波器加工與測(cè)試

2.1 雙通帶FBAR濾波器的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)選取濾波器的中心頻率和插入損耗等指標(biāo)采用工程上容易實(shí)現(xiàn)的材料，同時(shí)，濾波器的通帶特性與所選基材特性有關(guān)，基材的選取將影響其溫度系數(shù)、頻率范圍及插入損耗等。本文選用厚度為0.508 mm的Rogers RO4350B(相對(duì)介電常數(shù)為3.66)高頻板材作為基板，最終設(shè)計(jì)的濾波器尺寸為78.1 mm×84.4 mm。雙通帶FBAR濾波器的實(shí)物圖如圖5所示。輸入和輸出端口分別焊接射頻同軸連接器(SMA)，再將兩個(gè)不同頻點(diǎn)的FBAR濾波器裸芯片焊接在對(duì)應(yīng)的支路上。如果采用IPD等工藝技術(shù)，可以在與單支FABR濾波器尺寸幾乎相當(dāng)?shù)拿娣e內(nèi)實(shí)現(xiàn)整個(gè)雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)。

圖5 濾波器實(shí)物圖

2.2 測(cè)試結(jié)果及分析

本文實(shí)物使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5242A對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，圖6為測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比圖。由圖可知，濾波器的寄生頻率、交趾電容和微帶電感的諧振將使截止區(qū)的衰減度惡化。

圖6 雙通帶濾波器仿真與測(cè)試對(duì)比

由圖6(a)可見，雙通帶濾波器的較低通帶對(duì)應(yīng)的范圍為2.45～2.52 GHz，帶內(nèi)損耗為3.29 dB，阻帶抑制優(yōu)于-30 dB，其輸入端口的反射系數(shù)為-13.18 dB，在2.44 GHz和2.54 GHz處各有一個(gè)傳輸零點(diǎn)，該帶通有較好的濾波效果，仿真結(jié)果與單支濾波器實(shí)測(cè)曲線吻合較好。由圖6(b)可見，較高通帶對(duì)應(yīng)的范圍為5.95～6.04 GHz, 帶內(nèi)損耗為4.91 dB，阻帶抑制優(yōu)于-25 dB，其輸入端口的反射系數(shù)為-10.82 dB，在5.88 GHz和6.15 GHz處各有一個(gè)傳輸零點(diǎn)，該通帶實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比稍差，可能與實(shí)際制作過程中加工精度局限性、焊接SMA接頭引起的寄生效應(yīng)誤差、介質(zhì)材料誤差等導(dǎo)致電感的品質(zhì)因數(shù)出現(xiàn)惡化有關(guān)。

圖6表明，本文設(shè)計(jì)的雙通帶濾波器，性能基本達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，高頻部分誤差較大的情況可通過如下方法改進(jìn)：將對(duì)稱結(jié)構(gòu)換為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)電路或改變匹配電路結(jié)構(gòu),并適當(dāng)調(diào)節(jié)微帶電感或微帶電容值，阻抗匹配分為帶內(nèi)最大功率傳輸匹配和最小噪聲系數(shù)匹配，可取二者均衡的匹配來改善濾波器外圍電路，達(dá)到降低損耗的目的。

3 結(jié)束語

本文從一般帶通濾波器設(shè)計(jì)和電路匹配原理出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種阻抗匹配的雙通帶FBAR濾波器組，并且避免了采用功率合成匹配時(shí)引入較大損耗的弊端，詳細(xì)分析了本設(shè)計(jì)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)參數(shù)微帶變換的原理過程。因?yàn)榘宀氖艿浇橘|(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗及輻射損耗等因素的影響，與理想模型相比，雙通帶微帶濾波器電路的仿真有一定程度的惡化，但是基本能夠保證濾波器本身的性能。實(shí)物測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)誤差，與工藝加工精度、匹配偏差等因素有關(guān)。本文設(shè)計(jì)方法為FBAR濾波器的多頻段設(shè)計(jì)提供了一定的參考意義。