李雙旭 馬凱學(xué)* 閆寧寧 陳雄 傅海鵬

（1. 天津大學(xué)微電子學(xué)院,天津 300072；2. 天津市成像與感知微電子技術(shù)重點實驗室,天津 300072）

引 言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，低成本、小型化雙通帶濾波器在微波電路與系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用.雙通帶濾波器作為無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊，研究人員對其小型化技術(shù)研究提出了多種方法[1-7].文獻[1]運用1/4 波長階梯阻抗諧振器(steppedindependence resonator,SIR)實現(xiàn)了雙通帶響應(yīng)，有效地減小了電路尺寸.文獻[2-5]將多模諧振器應(yīng)用于小型化雙通帶濾波器的設(shè)計，有效實現(xiàn)了小尺寸，但兩個通帶的響應(yīng)相對難以獨立調(diào)節(jié).近些年，低溫共燒陶瓷(low-temperature co-fired ceramic,LTCC)技術(shù)廣泛應(yīng)用于小型化微波器件的設(shè)計中.文獻[6-7]中基于LTCC 技術(shù)設(shè)計的雙通帶濾波器有明顯的尺寸優(yōu)勢，但與傳統(tǒng)的印制電路板(printed circuit board,PCB)技術(shù)相比，LTCC 技術(shù)的加工制造成本較高.介質(zhì)集成懸置線(substrate integrated suspended line,SISL)作為一種新型傳輸線，擁有自封裝、低成本、高集成度等優(yōu)勢[8]，目前已有多款基于SISL 設(shè)計的雙通帶濾波器[9-11]，如文獻[9]中雙通帶濾波器將饋線作為一組濾波單元，并對雙通帶濾波器電路進行雙層布線，減小了電路體積，但電路尺寸依舊較大.文獻[12]中基于SISL 結(jié)構(gòu)提出了一種介質(zhì)填充電容，并將其應(yīng)用于準(zhǔn)集總低通濾波器設(shè)計中，得到了明顯的小型化效果.然而，此低通濾波器僅對部分空氣腔進行了介質(zhì)填充，并沒有對全部的電路進行小型化.此外，文獻[13]中還提出了一種基于SISL 的小型化介質(zhì)填充天線.

為設(shè)計一種小型化且兩個通帶相對獨立的雙通帶濾波器，本文利用SISL 結(jié)構(gòu)，通過在其空氣腔體中填充高介電常數(shù)介質(zhì)塊，提升等效介電常數(shù)從而實現(xiàn)電路的小型化.高介電常數(shù)介質(zhì)塊可以直接被SISL 結(jié)構(gòu)固定，同時雙通帶濾波器的響應(yīng)主要由分布在G7層的電路結(jié)構(gòu)決定，因此濾波器的設(shè)計相對自由，且具有較高的靈活度.此外，利用T 型結(jié)連接了兩個工作在不同頻率的濾波單元[14]，使得兩個通帶響應(yīng)相對獨立.最終對工作在3.45 GHz 和4.9 GHz的SISL 介質(zhì)填充雙通帶濾波器進行了加工與測試，驗證了此方法的可行性.雙通帶濾波器的面積僅為0.008(λg為SISL 在第一通帶中心頻率處的導(dǎo)波波長)，實現(xiàn)了明顯的小型化效果.在此設(shè)計中，七層介質(zhì)基板均采用FR4 板材，具有低成本、自封裝、高集成度等優(yōu)勢.

1 七層SISL 介質(zhì)填充結(jié)構(gòu)

圖1 為七層SISL 介質(zhì)填充結(jié)構(gòu)的三維示意圖，此結(jié)構(gòu)一共包含七層介質(zhì)基板和十四層金屬.七層介質(zhì)基板分別命名為介質(zhì)基板1、介質(zhì)基板2、介質(zhì)基板3、介質(zhì)基板4、介質(zhì)基板5、介質(zhì)基板6、介質(zhì)基板7.每一層介質(zhì)基板的正反面均包含一個金屬層，從上至下分別命名為G1～G14.介質(zhì)基板1～7 的厚度分別為0.6 mm、2 mm、0.127 mm、0.127 mm、0.127 mm、2 mm、0.6 mm，其中，介質(zhì)基板2 和介質(zhì)基板6 被部分挖除，形成一個矩形的空氣腔體.每一層介質(zhì)基板均環(huán)繞空氣腔體設(shè)置了金屬化過孔.金屬化過孔實現(xiàn)了同層介質(zhì)基板的上下互聯(lián)，并將七層介質(zhì)基板所有外部金屬相連，為內(nèi)部的主電路實現(xiàn)近乎理想的電磁屏蔽環(huán)境.同時，兩個介電常數(shù)為21.6 的介質(zhì)塊填充入七層SISL 的空氣腔中.圖2 為每一層介質(zhì)基板的形狀.對比典型的五層 SISL 結(jié)構(gòu)[8-11]，七層SISL 結(jié)構(gòu)額外增加了兩層厚度為0.127 mm 的薄介質(zhì)基板作為支撐層，分別為介質(zhì)基板3 和介質(zhì)基板5，兩層介質(zhì)基板均留下了少部分的介質(zhì)來實現(xiàn)對高介電常數(shù)介質(zhì)塊的物理支撐.

圖1 七層SISL 介質(zhì)填充結(jié)構(gòu)三維示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic of the seven-layer SISL dielectric-filed structure

圖2 所有層介質(zhì)基板俯視圖Fig.2 The top view of all substrate boards

圖3 展示了所有層介質(zhì)基板和高介電常數(shù)介質(zhì)塊按順序進行壓合后的側(cè)視圖.可以看出，濾波器的主電路布線在G7層，高介電常數(shù)介質(zhì)塊可以直接被SISL 空氣腔及兩個支撐層固定，無需利用膠水等額外的方式固定.在SISL 中填充兩個高介電常數(shù)的介質(zhì)塊后，SISL 的等效介電常數(shù)增加.根據(jù)式(1)，電路的物理尺寸將減小[15]：

圖3 七層SISL 介質(zhì)填充結(jié)構(gòu)側(cè)視圖Fig.3 The side view of the dielectric-filled structure based on seven-layer SISL

2 雙通帶濾波器設(shè)計

SISL 介質(zhì)填充雙通帶濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示.此設(shè)計由兩個工作在不同頻段的濾波單元組成，分別命名為濾波單元A 和濾波單元B.同時利用兩個T 型結(jié)為雙通帶濾波器饋電，提供合適的外部品質(zhì)因數(shù).圖5 為雙通帶濾波器電路層G7的結(jié)構(gòu)圖.為進一步實現(xiàn)電路小型化，運用了1/4 波長開口螺旋諧振器的概念[16]，每一個螺旋諧振器的輸入阻抗[11]為

圖4 SISL 介質(zhì)填充雙通帶濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.4 The topology of the dielectric-filled dual-band bandpass filter based on SISL

圖5 電路層G7 結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Configuration of the circuit layer G7

當(dāng)Zin=∞時，諧振器會發(fā)生諧振，即當(dāng)βz=π/4時，可以產(chǎn)生一個傳輸極點.

基于SISL 結(jié)構(gòu)，利用抽頭式饋電對1/4 波長開口螺旋諧器填充高介電常數(shù)介質(zhì)塊前后的諧振特性進行研究.圖6 所示為螺旋諧振器填充高介電常數(shù)介質(zhì)塊前后響應(yīng)的變化.可以看出，填充高介電常數(shù)介質(zhì)塊后螺旋諧振器的工作頻率對比未填充高介電常數(shù)介質(zhì)塊時有了顯著的下降，說明填充高介電常數(shù)的介質(zhì)塊后使電路實現(xiàn)了明顯的小型化效果.

圖6 螺旋諧振器填充高介電常數(shù)介質(zhì)塊前后響應(yīng)的變化Fig.6 The simulation of the spiral-like resonator with or without dielectric-filled

圖5 中每個濾波單元均由兩個螺旋諧振器組成，且兩個螺旋諧振器由一段短路短截線進行連接.單一濾波單元的電磁耦合關(guān)系等效電路圖如圖7 所示.濾波單元的級間耦合可分為兩種：電耦合與磁耦合，其中Cm代表電耦合，Lm代表磁耦合.電耦合系數(shù)與磁耦合系數(shù)[11]分別被定義為：

總耦合系數(shù)k決定著濾波器帶寬的大小：

每個濾波單元可以產(chǎn)生兩個傳輸零點[16]，其中一個傳輸零點是由混合電磁耦合產(chǎn)生的[16-17].

圖7 所示等效電路的Y 參數(shù)矩陣可以表示為

圖7 單一濾波單元的電磁耦合關(guān)系等效電路圖Fig.7 The equivalent circuit of the electromagnetic coupling relationship of a single filtering section

式中：

此雙通帶濾波器一共產(chǎn)生四個傳輸零點.如圖5所示，通過T 型結(jié)使兩個工作在不同頻段的濾波單元相對獨立.首先對工作在第二通帶頻率處的頂部濾波單元A 進行分析，濾波器級間的電耦合主要受W1影響，而磁耦合主要受W1及W6長度影響.圖8為W1取不同值時的仿真結(jié)果.可以看出，隨著W1值的增加，傳輸零點TZ1band2逐漸向高頻移動，而TZ2band2的位置幾乎沒有發(fā)生變化.W1值的改變會對電耦合和磁耦合產(chǎn)生影響，說明TZ1band2是由混合電磁耦合產(chǎn)生的，而TZ2band2是由開口螺旋線的自諧振產(chǎn)生的.TZ1band2產(chǎn)生在第二通帶的下阻帶處，說明濾波單元A 的級間耦合中電耦合占主導(dǎo)地位[16-17].帶通濾波器的帶寬和級間總耦合系數(shù)k相關(guān)，隨著W1的增加，總耦合系數(shù)減小，帶寬逐漸變窄.

圖8 不同W1 值對頻率響應(yīng)的影響Fig.8 The impact of different W1 on the frequency response

對于底部的濾波單元B，工作在第一通帶的頻率處，工作機理與濾波單元A 類似.圖9 所示為不同W2值對頻率響應(yīng)的影響.可以看出，伴隨著W2值的增加，傳輸零點TZ1band1的位置逐漸向高頻移動，且第一通帶的帶寬也有變化，而傳輸零點TZ2band1的位置幾乎沒有發(fā)生變化.因此TZ1band1是由混合電磁耦合產(chǎn)生的，而TZ2band1是由開口螺旋線的自諧振產(chǎn)生的.

圖9 不同W2 值對頻率響應(yīng)的影響Fig.9 The impact of different W2 on the frequency response

通過電磁仿真軟件進行優(yōu)化，最終電路層G7的參數(shù)如表1 所示.

表1 雙通帶濾波器電路層的參數(shù)Tab.1 Parameters of the dual-band bandpass filter circuit layer mm

3 仿真與測試

SISL 介質(zhì)填充雙通帶濾波器加工實物如圖10所示，所有介質(zhì)基板均采用傳統(tǒng)的PCB 加工工藝.濾波器的核心電路尺寸僅為0.058λg×0.139λg(即面積為0.008λg2)，其中λg是七層SISL 結(jié)構(gòu)在3.45 GHz 的導(dǎo)波波長.圖11 展示了SISL 介質(zhì)填充雙通帶濾波器的仿真與測試結(jié)果.測試結(jié)果中兩個通帶的相對帶寬分別為21.6%和9.3%，通帶內(nèi)部的回波損耗均優(yōu)于15 dB.去掉SMA 連接器以及過渡結(jié)構(gòu)的損耗后，兩個通帶的插入損耗分別為1.98 dB 和3.83 dB，同時兩通帶之間的隔離度優(yōu)于30 dB.本設(shè)計中，所有的介質(zhì)基板均采用損耗角正切為0.02 的低成本FR4 板材，同時高介電常數(shù)介質(zhì)塊的損耗誤差會使雙通帶濾波器的損耗變大.此外，為減小濾波器的體積，使用了寬度較窄的傳輸線，導(dǎo)致引入更多的歐姆損耗.從表2 可以看出，對比其他雙通帶濾波器的指標(biāo)，本文所提出的雙通帶濾波器具有非常緊湊的尺寸，以及擁有自封裝的特性.

圖10 多層PCB 板結(jié)構(gòu)以及SISL 自封裝介質(zhì)填充雙通帶濾波器Fig.10 Multilayer PCB structure and the self-packaged dielectric-filled dual-band bandpass filter based on SISL

圖11 SISL 介質(zhì)填充雙通帶濾波器的仿真與測試結(jié)果Fig.11 The simulated and measured results of the dielectricfilled dual-band bandpass filter based on SISL

表2 本設(shè)計與近期其他文獻中雙通帶濾波器對比Tab.2 Comparison of this design with other dual-band bandpass filters in recent literatures

4 結(jié) 論

本文提出了一種新型的小型化SISL 介質(zhì)填充雙通帶濾波器.通過將高介電常數(shù)介質(zhì)塊填充入SISL 的空氣腔中，同時利用T 型結(jié)設(shè)計了一個小型化且通帶獨立的雙通帶濾波器.本設(shè)計基于SISL 平臺設(shè)計，所有的介質(zhì)基板均采用了低成本的FR4 板材，同時擁有自封裝的特性.在未來濾波器的設(shè)計中可以采用類似的方法提升等效介電常數(shù)實現(xiàn)電路的小型化，且其它電路同樣可以利用類似的方法實現(xiàn)小型化.