Ka頻段薄膜濾波器設(shè)計(jì)?

成彥

Ka頻段薄膜濾波器設(shè)計(jì)?

成彥

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

介紹了一種簡(jiǎn)單有效的Ka頻段薄膜微帶濾波器設(shè)計(jì)方法。通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)臑V波器模型，提取參數(shù)和初值，用ADS和Designer兩種仿真軟件結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到了理想的濾波器響應(yīng)曲線。通過(guò)三輪濾波器投版測(cè)試得到工藝補(bǔ)償準(zhǔn)確值，用于修正仿真設(shè)計(jì)和濾波器實(shí)際曲線之間的偏差，最后達(dá)到了投片測(cè)試結(jié)果和仿真設(shè)計(jì)基本吻合的目的。

毫米波前端；Ka頻段；薄膜濾波器；工藝補(bǔ)償

1 引言

毫米波具有波束窄、可用頻帶寬的特點(diǎn)，在保密、抗干擾、大容量、精確指向等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。目前，毫米波已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、制導(dǎo)、通信、遙感、頻譜學(xué)及生物效應(yīng)等領(lǐng)域［1］。

系統(tǒng)通常對(duì)毫米波前端的體積重量有較高的要求。濾波器是收發(fā)前端的關(guān)鍵部件，承擔(dān)著濾除各種諧雜波、鏡頻等的作用，其性能的優(yōu)劣對(duì)前端影響很大。波導(dǎo)膜片濾波器具有帶內(nèi)插損小、帶外抑制度高、矩形系數(shù)好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是體積大，不能集成到電路中。

筆者曾經(jīng)研制過(guò)采用duroid5880軟基片制作的微帶濾波器，用于替代波導(dǎo)濾波器，由于Ka頻段微帶濾波器尺寸小，加工精度要求高，軟基片加工工藝和線條精度很難滿足要求，因此濾波器實(shí)測(cè)曲線很難達(dá)到仿真設(shè)計(jì)值，通帶插損、帶內(nèi)平坦度和帶外抑制等均不能滿足系統(tǒng)要求。由于加工精度低，也導(dǎo)致了各批次版圖不一致，生產(chǎn)性差。

為了解決加工精度問(wèn)題，改用具有更高精度的薄膜工藝來(lái)研制微帶濾波器，本文研究了一種適合薄膜工藝的濾波器設(shè)計(jì)方法，通過(guò)三輪投版測(cè)試對(duì)仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行補(bǔ)償修正，最后達(dá)到了實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真設(shè)計(jì)曲線基本吻合的目的，驗(yàn)證了該濾波器設(shè)計(jì)方法行之有效。

2 Ka頻段薄膜濾波器設(shè)計(jì)

Ka頻段濾波器主要考慮其準(zhǔn)確的頻率定位、低插損和高平坦度、良好的阻帶抑制特性，采用平行耦合式結(jié)構(gòu)，基材為陶瓷基片（厚度0.254 mm，介電常數(shù)9.9），濾波器尺寸統(tǒng)一為8 mm×2.8 mm，屏蔽腔高度設(shè)為2 mm，采用薄膜電路工藝制作。該工藝是通過(guò)各種淀積方法如蒸發(fā)、濺射、電鍍、物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）等涂覆到合適的基板上形成薄膜，厚度在幾埃范圍內(nèi)。再采用光刻膠光刻工藝和干法蝕刻，可達(dá)到百分之幾微米量級(jí)的精度［2-3］。

下面以一個(gè)中心頻率34.2 GHz、帶寬500 MHz、帶外800 MHz抑制40 dB的三級(jí)薄膜濾波器的設(shè)計(jì)流程為例，對(duì)該設(shè)計(jì)方法進(jìn)行詳細(xì)講解。

2.1 建模提取參數(shù)與初值計(jì)算

濾波器采用平行耦合式結(jié)構(gòu)，圖1為濾波器版圖。

首先，參數(shù)化耦合縫寬、縫長(zhǎng)等決定濾波器特性的關(guān)鍵尺寸。由于濾波器的對(duì)稱性，參數(shù)化時(shí)可以縮減一半。圖2是濾波器參數(shù)示意圖，表1是濾波器各個(gè)參數(shù)的說(shuō)明。

參數(shù)設(shè)置完成后需要計(jì)算各參數(shù)的初始值，采用ADS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。圖3是ADS中濾波器的仿真模型。參數(shù)化后，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，利用ADS求得濾波器的初始值，圖4為濾波器初始結(jié)果。

2.2 精確設(shè)計(jì)

精確設(shè)計(jì)主要針對(duì)中心頻率、帶寬、帶內(nèi)平坦度、帶外抑制、衰減極點(diǎn)等濾波器響應(yīng)特性中的關(guān)鍵指標(biāo)。對(duì)以上指標(biāo)進(jìn)行精確仿真，以確定所需濾波器的尺寸。

（1）中心頻率由微帶諧振枝節(jié)決定；

（2）帶寬由濾波器級(jí)間耦合強(qiáng)度決定；

（3）帶內(nèi)平坦度由級(jí)間耦合和輸入輸出耦合匹配確定；

（4）帶外抑制由濾波器級(jí)數(shù)及濾波器上腔寬度決定；

（5）衰減極點(diǎn)由1、3級(jí)間的交叉耦合決定。

2.2.1 初值計(jì)算

精確設(shè)計(jì)采用Ansoft Designer場(chǎng)仿真軟件，圖5為薄膜濾波器的Designer仿真模型。在ADS中提取初值后，代入圖5所示模型進(jìn)行仿真，得到如圖6所示的初始結(jié)果。

2.2.2 調(diào)整中心頻率

從圖6可看出，濾波器中心頻率上偏，需要往低調(diào)整。增大微帶諧振枝節(jié)長(zhǎng)度“l(fā)”的值，使其仿真結(jié)果如圖7所示。在中心頻率35 GHz左右，“l(fā)”每調(diào)節(jié)0.01 mm，頻率改變200 MHz；中心頻率隨著“l(fā)”的增大往低偏；反之，往高偏。

2.2.3 調(diào)整帶寬和衰減極點(diǎn)

需要增加帶寬時(shí)，通過(guò)減小s-12或增大c-12值來(lái)調(diào)節(jié)。減小s-12和增大c-12，則耦合強(qiáng)度增強(qiáng)，濾波器帶寬變寬；反之，帶寬變窄。

耦合系數(shù)理論值：k0=0.67×（Δf／f0），其中Δf為帶寬，f0為中心頻率［4］。

微帶縫隙耦合系數(shù)曲線見(jiàn)圖8。圖中k0為耦合系數(shù)，s為耦合逢寬，c為耦合縫長(zhǎng)。

由圖7可看出，衰減極點(diǎn)不對(duì)稱，通過(guò)增強(qiáng)交叉耦合（減小s-13），最后得到圖9所示結(jié)果。

2.2.4 帶內(nèi)平坦度調(diào)整

圖9所示曲線通帶中間有一個(gè)凹點(diǎn)，是由于輸入輸出欠耦合引起，需要增強(qiáng)輸入輸出耦合，通過(guò)減小s-in值（或增大c-in值）進(jìn)行調(diào)解。反之，要減弱輸入輸出耦合，需要增大s-in（或減小c-in）。調(diào)整后結(jié)果如圖10所示。

3 投片測(cè)試和工藝補(bǔ)償

模型和仿真工具只能近似擬合濾波器實(shí)際特性，加工環(huán)節(jié)也會(huì)引入誤差導(dǎo)致實(shí)物尺寸和設(shè)計(jì)值有一定偏差。因此，要達(dá)到實(shí)測(cè)響應(yīng)曲線和設(shè)計(jì)值基本吻合的目的，需要通過(guò)幾次投版測(cè)試結(jié)果來(lái)修正和補(bǔ)償仿真和工藝等環(huán)節(jié)引入的誤差。濾波器參數(shù)中針對(duì)工藝補(bǔ)償?shù)挠衐x、dy兩項(xiàng)，分別用來(lái)補(bǔ)償X、Y方向上的耦合縫寬。通過(guò)多次投版測(cè)試最終能得到dx、dy的準(zhǔn)確值。

圖11是投片測(cè)試補(bǔ)償工藝的流程圖。先設(shè)定濾波器各項(xiàng)指標(biāo)，再確定濾波器拓?fù)浜蛥?shù)，借助工具軟件得到濾波器仿真曲線和尺寸。投版加工濾波器實(shí)物。用矢網(wǎng)測(cè)試濾波器曲線并提取S參數(shù)，導(dǎo)入Designer軟件和仿真曲線進(jìn)行比對(duì)，曲線不吻合則通過(guò)調(diào)整濾波器補(bǔ)償參數(shù)值進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，然后再次投片驗(yàn)證補(bǔ)償效果。通過(guò)3輪投版，最后得到了工藝補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確值，達(dá)到了實(shí)測(cè)曲線和仿真曲線基本吻合的效果。

工藝補(bǔ)償主要是針對(duì)仿真軟件與實(shí)際工藝差別，對(duì)電路所作的參數(shù)補(bǔ)償，以求實(shí)測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)值能夠最接近。為了確定Ka頻段各常用工作頻率濾波器dx和dy的準(zhǔn)確值，設(shè)計(jì)了中心頻率分別為26 GHz、30 GHz、35 GHz、38 GHz的濾波器，帶寬考慮500 MHz、1 GHz兩種。8種規(guī)格的濾波器投片后用矢網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試。濾波器測(cè)試臺(tái)見(jiàn)圖12。測(cè)試時(shí)需要扣除測(cè)試臺(tái)自身?yè)p耗。

以中心頻率35 GHz、帶寬1 GHz的濾波器為例對(duì)三輪投片及修正情況進(jìn)行說(shuō)明。第一輪測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖13，中心頻率比仿真偏低200 MHz，帶寬比仿真值寬200 MHz。

經(jīng)過(guò)全面的數(shù)據(jù)分析后，對(duì)主要參數(shù)重新設(shè)置，并進(jìn)行了修正仿真。第二輪投片測(cè)試結(jié)果如圖14所示，中心頻率比仿真偏高200 MHz，波形與仿真基本吻合。

經(jīng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)是與頻率相關(guān)的參數(shù)修正過(guò)頭，對(duì)參數(shù)重新進(jìn)行調(diào)整，并作了修正仿真。第三輪測(cè)試結(jié)果如圖15所示，測(cè)試結(jié)果跟仿真曲線基本吻合。由于矢網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出端口損壞，未能導(dǎo)出實(shí)測(cè)S參數(shù)和仿真曲線進(jìn)行對(duì)比，只能用實(shí)拍曲線代替。

4 結(jié)論

薄膜濾波器具有尺寸小、性能優(yōu)良、生產(chǎn)一致性好、可集成到電路內(nèi)等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹的薄膜濾波器設(shè)計(jì)方法具有快速、精確的特點(diǎn)。依據(jù)工藝補(bǔ)償準(zhǔn)確值，借助補(bǔ)償手段，得到的濾波器實(shí)際響應(yīng)曲線和仿真值基本吻合，設(shè)計(jì)一次成功率高。通過(guò)調(diào)整參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)Ka頻段濾波器系列化設(shè)計(jì)。在Ka頻段可達(dá)到帶內(nèi)插損小于2 dB，帶外抑制大于40 dB的性能。帶外抑制要求更高時(shí)，可參照此方法進(jìn)行4級(jí)或5級(jí)濾波器設(shè)計(jì)，級(jí)數(shù)增加時(shí)，帶內(nèi)插損會(huì)相應(yīng)增大。

目前，Ka頻段薄膜濾波器已經(jīng)完全替代了波導(dǎo)濾波器應(yīng)用到毫米波前端中，大大提高了前端性能。K頻段、U頻段甚至更高頻段的薄膜濾波器設(shè)計(jì)也可借鑒此方法。

［1］甘體國(guó).毫米波工程［M］.成都：電子科技大學(xué)出版社，2006.

GAN Ti-guo.Millimeter wave engineering［M］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China Press，2006.（in Chinese）

［2］甘體國(guó).毫米波組件設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.成都：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，2009.

GAN Ti-guo.Millimeter wave module design handbook［M］. Chengdu：The 10th Institute of China Electronics Technology Group Corporation，2009.（in Chinese）

［3］Ng C Y，Chongcheawchamnan M，Aftanasar M S，et al.Characterisation of TFMS lines fabricated using photoimageable thick-film technology［J］.IEE Proceedings of Microwave，Antennas and Propagation，2003，150（3）：281-283.

［4］李倩，楊志，胡小東.MEMS毫米波濾波器的設(shè)計(jì)與制作［J］.微納電子技術(shù)，2010，47（3）：50-53，58.

LI Qian，YANG Zhi，HU Xiao-dong.Design and Fabrication of MEMS Millimeter-Wave Filters［J］.Micronanoelectronic Technology，2010，47（3）：50-53，58.（in Chinese）

Design of a Ka-band Thin Film Filter

CHENG Yan
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

This paper introduces an efficient method for disigning a Ka-band thin film filter.Through choosing proper filter model and extracting parameters and initial values，ADS and Designer tools are used to obtain ideal curve of the filter.The technological compensation value through three tests is used to correct the error between simulation result and actual result.Finally，the actual curve accords to simulation curve.

millimeter wave front-end；Ka-band；thin film filter；technological compensation

the B.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2000.She is now an engineer.Her research concerns R＆D of millimeter wave module.

1001-893X（2012）07-1164-05

2011-01-20；

2012-05-23

TN85；TN713

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.024

成彥（1976—），女，重慶忠縣人，2000年于電子科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事毫米波組件的開(kāi)發(fā)研究工作。

Email：free-bird3＠163.com

CHENG Yan was born in Zhongxian，Chongqing，in 1976.She